一种基于光纤光栅传感器的煤矿井筒在线监测系统的制作方法

1.本实用新型一种基于光纤光栅传感器的煤矿井筒在线监测系统，属于煤矿井筒在线监测系统技术领域。


背景技术：

2.目前我国煤炭总量的趋势是埋藏深度浅的煤层被逐渐开发，随着矿井开采深度的增加，采矿工程面临的问题更加复杂，井筒的深度也相应增加。井筒是煤矿的“咽喉”，其安全运营是煤矿生产顺利进行的重要保障。由于井筒所处地质性质千差万别，地层条件、井壁受力状况复杂多样，井筒在建井过程中或运行过程中出现变形破裂、破坏，从而对煤矿生产带来巨大的经济财产损失和人员伤亡事故发生。
3.目前国内外对于井壁实时监测的监测系统是采用传统的电传感器进行工作的，但是由于井壁检测中监测参数多、测点分散、分布范围广、监测环境恶劣，通过设置电传感器存在容易出现漏检或引线过多影响结构稳定性从而造成检测效率低的问题，在检测中不能够实时的获取井筒稳定状态的所有特征量，难以实现井筒安全预警。
4.因此，需要提出一种基于光纤光栅传感器的煤矿井筒在线监测系统，实时获取井壁结构参数和环境参数，通过对上述参数的分析使井壁的受力处于可监测的安全范围内，并在井筒出现异常时及时提供报警信息。


技术实现要素：

5.本实用新型为了克服现有技术中存在的不足，所要解决的技术问题为：提供一种基于光纤光栅传感器的煤矿井筒在线监测系统硬件结构的改进。
6.为了解决上述技术问题，本实用新型采用的技术方案为：一种基于光纤光栅传感器的煤矿井筒在线监测系统，包括埋入式的光纤光栅应力传感器和光纤光栅位移传感器，所述光纤光栅应力传感器、光纤光栅位移传感器分别根据井筒形状埋设在井筒的筒壁内部并用混凝土进行浇筑；
7.所述井筒的筒壁上设置有多个用于检测井筒内部环境温度的光纤光栅温度传感器，所述光纤光栅应力传感器、光纤光栅位移传感器、光纤光栅温度传感器分别通过单模传输光缆与光纤光栅解调仪的输入端相连，用于将光纤光栅应力传感器、光纤光栅位移传感器、光纤光栅温度传感器采集的井筒井壁应变信号、井筒内的温度信号进行处理后转化为数字信号传输至控制中心的井内控制端上；
8.所述单模光缆通过混凝土浇筑固定埋设在筒壁内部；
9.所述控制中心还包括地面控制端和远程控制端，所述井内控制端、地面控制端、远程控制端分别设置有用于数据分析处理的第一控制器、第二控制器和第三控制器，所述第一控制器、第二控制器、第三控制器通过设置的zigbee模块实现无线通信；
10.所述第一控制器通过导线与光纤光栅解调仪的输出端相连，所述第一控制器还通过导线分别与第一显示屏、存储模块相连，所述第一控制器的电源端通过导线与电源模块
相连。
11.所述第二控制器通过导线与第二显示屏相连，所述第三控制器通过导线与第三显示屏相连。
12.所述井筒包括主立井井筒、副立井井筒和风筒，所述光纤光栅应力传感器和光纤光栅位移传感器的埋设位置根据主立井井筒、副立井井筒和风筒的筒壁检测点具体设置为竖向埋设和/或横向埋设。
13.所述第一控制器还通过导线与报警系统相连，所述报警系统具体为光电报警器，所述光电报警器分别设置在井内控制端、地面控制端、远程控制端的控制室外。
14.所述光纤光栅应力传感器采用的型号为gyb1500gx（a）；
15.所述光纤光栅位移传感器采用的型号为gwy100gx（a）；
16.所述光纤光栅温度传感器采用的型号为gwd120gx（a）；
17.所述光纤光栅解调仪采用的型号为ygsj
‑
15；
18.所述第一控制器、第二控制器、第三控制器采用的控制芯片的型号均为tms320c62。
19.所述第一控制器与光纤光栅解调仪之间具体通过以太网线缆相连。
20.所述井筒的筒壁内部埋设的传感器检测线路具体设置为两路，一路作为主测量线路，另一路作为备用测量线路。
21.本实用新型相对于现有技术具备的有益效果为：本实用新型提供的煤矿井筒在线监测系统通过在煤矿的主副立井井筒、风筒的筒壁上埋设光纤光栅应力传感器和光纤光栅位移传感器对井筒不同位置的形变数据进行实时监测，同时在筒壁表面设置多个光纤光栅温度传感器对井筒内的环境温度数据进行实时监测，实现了对井筒安全数据的实时在线监测，并通过井下控制端对测量的数据进行分析处理，从而对井筒当前的形变、温度进行判断，最终通过触发光电报警器及时的向工作人员发出报警信息，提高了对井筒安全的监测效率和可靠性。
附图说明
22.下面结合附图对本实用新型做进一步说明：
23.图1为本实用新型的系统结构示意图；
24.图2为本实用新型的电路结构示意图；
25.图中：1为光纤光栅应力传感器、2为光纤光栅位移传感器、3为光纤光栅温度传感器、4为光纤光栅解调仪、5为井内控制端、6为地面控制端、7为远程控制端、8为zigbee模块、9为存储模块、10为电源模块、11为报警系统、51为第一控制器、52为第一显示屏、61为第二控制器、62为第二显示屏、71为第三控制器、72为第三显示屏、100为井筒、200为控制中心。
具体实施方式
26.如图1和图2所示，本实用新型一种基于光纤光栅传感器的煤矿井筒在线监测系统，包括埋入式的光纤光栅应力传感器1和光纤光栅位移传感器2，所述光纤光栅应力传感器1、光纤光栅位移传感器2分别根据井筒形状埋设在井筒100的筒壁内部并用混凝土进行浇筑；
27.所述井筒100的筒壁上设置有多个用于检测井筒内部环境温度的光纤光栅温度传感器3，所述光纤光栅应力传感器1、光纤光栅位移传感器2、光纤光栅温度传感器3分别通过单模传输光缆与光纤光栅解调仪4的输入端相连，用于将光纤光栅应力传感器1、光纤光栅位移传感器2、光纤光栅温度传感器3采集的井筒井壁应变信号、井筒内的温度信号进行处理后转化为数字信号传输至控制中心200的井内控制端5上；
28.所述单模光缆通过混凝土浇筑固定埋设在筒壁内部；
29.所述控制中心200还包括地面控制端6和远程控制端7，所述井内控制端5、地面控制端6、远程控制端7分别设置有用于数据分析处理的第一控制器51、第二控制器61和第三控制器71，所述第一控制器51、第二控制器61、第三控制器71通过设置的zigbee模块8实现无线通信；
30.所述第一控制器51通过导线与光纤光栅解调仪4的输出端相连，所述第一控制器51还通过导线分别与第一显示屏52、存储模块9相连，所述第一控制器51的电源端通过导线与电源模块10相连。
31.所述第二控制器61通过导线与第二显示屏62相连，所述第三控制器71通过导线与第三显示屏72相连。
32.所述井筒100包括主立井井筒、副立井井筒和风筒，所述光纤光栅应力传感器1和光纤光栅位移传感器2的埋设位置根据主立井井筒、副立井井筒和风筒的筒壁检测点具体设置为竖向埋设和/或横向埋设。
33.所述第一控制器51还通过导线与报警系统11相连，所述报警系统11具体为光电报警器，所述光电报警器分别设置在井内控制端5、地面控制端6、远程控制端7的控制室外。
34.所述光纤光栅应力传感器1采用的型号为gyb1500gx（a）；
35.所述光纤光栅位移传感器2采用的型号为gwy100gx（a）；
36.所述光纤光栅温度传感器3采用的型号为gwd120gx（a）；
37.所述光纤光栅解调仪4采用的型号为ygsj
‑
15；
38.所述第一控制器51、第二控制器61、第三控制器71采用的控制芯片的型号均为tms320c62。
39.所述第一控制器51与光纤光栅解调仪4之间具体通过以太网线缆相连。
40.所述井筒100的筒壁内部埋设的传感器检测线路具体设置为两路，一路作为主测量线路，另一路作为备用测量线路。
41.本实用新型提供的基于光纤光栅传感器的煤矿井筒在线监测系统根据煤矿井筒的运行状况，提出应用光纤光栅传感器进行井筒筒壁应力数据采集及监测，基于光纤传感技术与传统的结构应变监测技术相比的具有环境影响较小、抗电磁干扰强、灵敏度高、稳定性好、质轻径细、抗腐蚀以及适合埋人大型工程结构等优点，通过埋入式的光纤光栅应力传感器1和光纤光栅位移传感器2对井筒筒壁的形变进行测量，埋入式的光纤光栅应力传感器1和光纤光栅位移传感器2通过混凝土浇注将传感器埋设在设定的测量位置，具体操作步骤为将光纤光栅应力传感器1和光纤光栅位移传感器2浇筑到井筒井壁的钢筋上，然后用细钢丝绑扎好，再浇筑混凝土，使其光纤线缆能够受到很好的保护，同时传感器更易于监测到井筒壁所受的各种应力，准确反映出井筒的变形位置。
42.本实用新型在实际使用时，通过将光纤光栅应力传感器1和光纤光栅位移传感器
2、光纤光栅温度传感器3通过不同井筒100的运行状况进行位置设置并固定，同时为了提高检测精度和传感器的存活率，将埋设的传感器测试线路铺设为两路或三路，其中一路作为主测量线路，将测量的数据传输至井内控制端5的第一控制器51上进行分析处理，其中另外一路或两路作为备用测量线路，当检测到主测量线路的某一个传感器损坏无法反馈数据时，将相同或相应位置的备用传感器数据传输至第一控制器51进行数据分析，同时记录损坏传感器的测量位置标号，作为数据分析的来源。
43.本实用新型在井筒100的传感器铺设中，实行全面铺设全方位检测，首先在井筒的上中下三段的环向上间隔一定距离铺设传感器，同时在井筒的竖向上按照一定角度进行传感器铺设，如根据某实际运行的煤矿主井井筒的地质条件及井筒筒壁的破坏情况，设定在井筒的75
°
方向、204
°
方向及346
°
方向铺设三条竖向的传感器测试线，传感器采集的数据通过单模光缆传输至光纤光栅解调仪4上将信号进行处理并转换为数字信号，数字信号通过以太网接口传输至第一控制器51进行分析处理，通过测试点反馈的数据经过计算得出井筒测试点和测试线的整体的形变程度，通过判断形变程度是否在安全范围内，从而控制报警系统11发出相应等级的报警提示，提醒工作人员作出对应的不同措施。
44.本实用新型同时还在地面和远程分别设置有地面控制端6和远程控制端7，地面控制端6和远程控制端7与井下控制端5之间通过设置zigbee模块8实现两两之间的无线远程通信，同时能够在井下控制端5、地面控制端6、远程控制端7上分别设置的第一显示屏51、第二显示屏62、第三显示屏72显示当前井筒筒壁的安全数据，且可以通过设置上位机软件查看历史数据，通过数据对比实现对井筒筒壁形变的规律分析。
45.关于本实用新型具体结构需要说明的是，本实用新型采用的各部件模块相互之间的连接关系是确定的、可实现的，除实施例中特殊说明的以外，其特定的连接关系可以带来相应的技术效果，并基于不依赖相应软件程序执行的前提下，解决本实用新型提出的技术问题，本实用新型中出现的部件、模块、具体元器件的型号、连接方式除具体说明的以外，均属于本领域技术人员在申请日前可以获取到的已公开专利、已公开的期刊论文、或公知常识等现有技术，无需赘述，使得本案提供的技术方案是清楚、完整、可实现的，并能根据该技术手段重现或获得相应的实体产品。
46.最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本实用新型的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本实用新型进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本实用新型各实施例技术方案的范围。