立井罐道变形光纤实时监测系统的制作方法

1.本实用新型涉及煤矿立井罐道变形实时监测系统，具体是一种基于光纤光栅位移传感器和光纤光栅加速度传感器的煤矿立井罐道变形光纤实时监测系统。


背景技术：

2.立井提升系统作为井下生产工作面和地面相连接的枢纽，承担着提升煤炭和矸石、下放材料、升降人员和设备的重要作用。矿山立井中罐笼的使用频率高、作业强度大，导致连接罐笼的罐道梁和罐道易发生变形，影响罐笼的正常运行和矿山安全生产。
3.有关罐道变形监测方法主要有几何测距法和专业仪器法。几何测距法是通过人工测量罐道与钢丝绳之间距离和对角线方向与所测罐道正面方向之间夹角的方法，判别罐道的变形程度。此方法存在监测精度低、人力成本高的问题。专业仪器法是采用断面测量仪对罐道间距进行连续监测，实现罐道全面段监测，但该仪器采用电感式传感器作为测距工具，在井筒环境条件下易受电磁辐射和温度干扰，测试数据误差大。


技术实现要素：

4.针对上述现有技术存在的问题，本实用新型提供了一种立井罐道变形光纤实时监测系统，通过对罐道和罐道梁的位移、加速度等参量的实时监测，实现罐道稳定状态判识，便于工作人员及时采取相对应的措施，避免煤矿安全事故和人员伤亡，降低财产损失。
5.本实用新型采用的技术方案是：一种立井罐道变形光纤实时监测系统，其特征在于，包括光纤光栅位移传感器、光纤光栅加速度传感器、多芯光缆、光纤接线盒、光纤光栅解调仪和监控主机；所述光纤光栅位移传感器安装于罐道梁与立井井壁之间、罐道与立井井壁之间以及罐道与罐道之间的接缝处；所述光纤光栅加速度传感器安装于靠近立井井壁侧的罐道梁和罐道表面，并靠近光纤光栅位移传感器设置；所述光纤光栅位移传感和光纤光栅加速度传感器分别与多芯光缆进行连接，并放入光缆接线盒；所述多芯光缆与地面监测室的光纤光栅解调仪相连，经过光纤光栅解调仪，将光波信号解调成为数字信号，传输至监控主机，构建成一套传感监测网络。
6.所述光纤光栅位移传感器与罐道梁连接时，在水平方向以及垂直方向上分别位于罐道梁长度和高度的中心位置，光纤光栅加速度传感器安装于罐道梁的上表面或下表面的中心位置。
7.所述光纤光栅位移传感器与罐道连接时，在垂直方向上位于相邻罐道梁之间的罐道长度的中心，光纤光栅加速度传感器靠近光纤光栅位移传感器设置。
8.所述光纤光栅位移传感器安装于罐道接缝处时，在垂直方向位移传感器的两端分别固定于相邻上下罐道的外表面，监测罐道缝的收敛值。
9.所述的光纤光栅位移传感器和光纤光栅加速度传感器，均内嵌光纤光栅温度传感器，实现光纤光栅传感器的温度补偿，消除井筒内部温度变化对监测数据的影响。
10.所述监控主机包括罐道位移和震动参数的实时数据采集模块、数据分析模块和安
全预警模块，所述实时数据采集模块以及安全预警模块分别与数据分析模块连接。
11.与罐道连接的光纤光栅位移传感器最接近罐道接缝处的距离为0.5
‑
3cm。
12.最接近的光纤光栅加速度传感器与位光纤光栅移传感器间距为1
‑
2cm。
13.所述光纤光栅位移传感器、光纤光栅加速度传感器与罐道、罐道梁接触点，采用焊接或环氧树脂粘贴方式固定。
14.所述光纤光栅位移传感器、光纤光栅加速度传感器与井壁接触点，均用焊接或环氧树脂粘贴方式固定。
15.所述的光纤光栅位移传感和光纤光栅加速度传感器与多芯光缆中每一条光纤进行熔接。
16.与现有技术相比，本实用新型采用光纤光栅位移传感器和光纤光栅加速度传感器，实现罐道弯曲、偏心及震动情况实时监测，为监测系统的数据分析和安全预警提供了海量数据，具有监测精度高、抗干扰能力强、系统耦合性好等优点，弥补了立井罐道监测中存在的人力成本高、自动实时监测不足等问题，及时掌握罐道的变形状态，为准确排除罐笼运行过程中的安全隐患，确保人员安全，保障矿井安全生产提供了有效的数据支持。
附图说明
17.图1是立井的竖直方向剖面示意图；
18.图2是图1的局部放大图；
19.图3是光纤光栅位移传感器和光纤光栅加速度传感器与罐道梁连接的横截面示意图；
20.图4是光纤光栅位移传感器和光纤光栅加速度传感器与罐道连接的横截面示意图；
21.图中：1、光纤光栅位移传感器，2、光纤光栅加速度传感器，3、多芯光缆，4、光纤接线盒，5、光纤光栅解调仪，6、监控主机,7、罐道梁，8、罐道，9、接缝处，10、立井井壁，11、罐笼。
具体实施方式
22.下面将通过实施例对本实用新型进一步说明。
23.实施例1
24.通过本发明的监测系统，对立井罐道变形进行监测并预警。
25.如图1和图2所示，罐道8为一个长方体结构，四周通过罐道梁与立井井壁10固定，立井罐道变形光纤实时监测系统包括光纤光栅位移传感器1、光纤光栅加速度传感器2、多芯光缆3、光纤接线盒4、光纤光栅解调仪5和监控主机6。
26.步骤一、对立井罐道变形光纤实时监测系统进行布设：
27.1)将光纤光栅位移传感器1采用焊接或环氧树脂粘贴方式安装于罐道梁7与立井井壁10之间、罐道8与立井井壁之间、罐道8上下相邻罐道接缝处9；将光纤光栅加速度传感器2采用焊接或环氧树脂粘贴方式安装于靠近立井井壁侧的罐道梁7和罐道8表面，并与光纤光栅位移传感器1相邻。
28.如图1
‑
图3所示，根据罐道8的受力特点，将光纤光栅位移传感器1安装于罐道梁7
与立井井壁10的相向面，光纤光栅位移传感器1位于罐道梁7水平方向长度的中心点，光纤光栅加速度传感器2安装于罐道梁7的顶面或底面，位于罐道梁7水平方向长度和宽度的中心点。
29.如图2和图3所示，在相邻两个罐道梁7之间的罐道8表面中心点安装光纤光栅位移传感器1，光纤光栅加速度传感器2靠近光纤光栅位移传感器1安装，距离为1
‑
2cm。最靠近罐道8接缝处9的光纤光栅位移传感器1与接缝处9的距离为0.5
‑
3cm。
30.如图2所示，在上下两个罐道的接缝处9安装光纤光栅位移传感器1，光纤光栅位移传感器1的一端与上罐道固定，另一端与下罐道固定，用于监测罐道缝的收敛值。
31.以上所述的光纤光栅位移传感器1和光纤光栅加速度传感器2均内嵌光纤光栅温度传感器，实现光纤光栅传感器的温度补偿，消除井筒内部温度变化对监测数据的影响。
32.2)将光纤光栅位移传感器1、光纤光栅加速度传感器2与多芯光缆中每一条光纤进行熔接，放入设置在光纤光栅传感器监测断面的光缆接线盒4。
33.3)将多芯光缆引到地面，并与地面监测室的光纤光栅解调仪5相连，经过光纤光栅解调仪4，将光波信号解调成为数字信号，传输至监控主机6。
34.步骤二、对罐道变形值进行判识、监测阈值确定、预警信号发出。
35.1)罐道变形值的判识，根据罐笼相连的对称罐道同一断面位移监测数据，确定罐道的收敛值；通过罐道沿线各监测点位移量值，判断罐道的弯曲状态，确定罐道连接处错位量；根据罐笼相连的对称罐道同一断面加速度传感器监测数据，判断罐笼的平衡稳定性；通过罐道沿线各监测点加速度量值，确定罐道的震动频率，判断罐道的安全性。具体步骤为：
36.1.1)基于罐道位移值，确定罐道连接处的错开位移值，即
37.δl1＝l1‑
l238.其中，l1、l2分别为同一罐道连接处上下光纤光栅位移传感器所测的位移量。
39.1.2)对称罐道的同一断面收敛值，即
40.δl2＝l
左右
+l3‑
l441.其中，l
左右
为左右罐道的水平距离；l3、l4分别为左右对应罐道光纤光栅位移传感器所测的位移量。
42.1.3)基于罐道光纤光栅加速度值，确定罐笼运行过程中罐道的震动频率，即
[0043][0044]
其中，a为所测震动加速度，d为罐道的振幅。震动频率的大小反映罐道的刚度变化和结构损伤。刚度与其震动频率关系：k＝(2πf)2·
m，式中m为罐道质量；震动频率变化越大，其结构损伤越严重；当其震动频率等于零时，罐道发生破坏。
[0045]
2)监测阈值的确定，根据罐道空心型方型钢的允许变形量、强度和弯矩等参量和罐道连接处的错开位移值，确定位移量测阈值和震动频率阈值。光纤光栅加速度传感器2所采集的罐道震动加速度的变化作为判别罐道钢材是否变形的基本准则，通过建立典型故障和信号特征的关系，同时对比非故障时期的震动数据，进一步确定罐道的变形量。
[0046]
3)当罐道的变形量超过监测阈值时，预警系统自动将罐道变形量、故障位置等信息发送到矿井调度室和相关责任人。
[0047]
将所采集的数据实时存入数据库中，建立非故障时期的数据库。通过数据库的海量数据，对所采集的数据进行对比分析，当有超过预设报警阈值的异常数据时，系统将及时
发出预警信息，通知人员检修，从而实现对罐道变形的实时监测，保障人员安全。
[0048]
通过采集两组罐笼运行时的实时数据，将两组数据进行逆向的拟合，建立两组罐笼运行时的数据关系，确定两组罐笼的运行状态，判断两组罐笼的平衡性和协调性。