郭 清 華

（1.中國煤炭科工集團(tuán)重慶研究院有限公司，重慶 400039；2.瓦斯災(zāi)害監(jiān)控與應(yīng)急技術(shù)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，重慶 400037）

0 引 言

我國煤炭資源賦存條件復(fù)雜，井工煤礦約占95%，平均開采深度已達(dá)到600 m以上，惡劣的地質(zhì)條件給煤礦生產(chǎn)帶來了嚴(yán)重的動力災(zāi)害事故。煤礦動力災(zāi)害主要包括沖擊地壓、煤與瓦斯突出及突水等事故[1-5]。隨著煤礦開采深度逐年增加，導(dǎo)致煤礦動力災(zāi)害越發(fā)頻繁。煤礦動力災(zāi)害不僅可能造成重大的人員傷亡，還可能嚴(yán)重摧毀巷道等采掘空間，破壞通風(fēng)系統(tǒng)，災(zāi)害過程往往伴隨瓦斯涌出異常，進(jìn)而誘發(fā)重特大瓦斯爆炸事故，造成群死群傷。2005年遼寧阜新孫家灣煤礦海州立井由于沖擊地壓造成大量瓦斯異常涌出和積聚，引發(fā)重大瓦斯爆炸事故,造成214人死亡。2009年黑龍江鶴崗新興煤礦因爆破作業(yè)誘發(fā)煤巖與瓦斯突出，因瓦斯爆炸造成108人死亡。2010年河南洛陽伊川國民煤業(yè)公司因井下工作面回風(fēng)巷掘進(jìn)施工誘發(fā)煤與瓦斯突出，瓦斯涌出發(fā)生爆炸，造成48人遇難。

21世紀(jì)初，我國相繼開展了國家重點(diǎn)基礎(chǔ)研究發(fā)展計(jì)劃（973計(jì)劃）“煤炭深部開采中的動力災(zāi)害機(jī)理與防治基礎(chǔ)研究”“預(yù)防煤礦瓦斯動力災(zāi)害的基礎(chǔ)研究”等科研項(xiàng)目，推動了我國煤礦動力災(zāi)害機(jī)理和防治的基礎(chǔ)理論研究?？傮w而言，現(xiàn)有煤礦典型動力災(zāi)害理論對于高應(yīng)力場、復(fù)雜裂隙場等多物理場耦合條件下的災(zāi)害形成過程及演化機(jī)制仍有待深入，相應(yīng)的災(zāi)害前兆信息傳感傳輸技術(shù)、風(fēng)險(xiǎn)辨識級預(yù)警技術(shù)發(fā)展滯后，導(dǎo)致了動力災(zāi)害預(yù)警的盲目性和不確定性。

“十三五”以來，國家不斷加大對煤礦動力災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)判識及監(jiān)控預(yù)警的研究投入，隨著對煤礦動力災(zāi)害災(zāi)變機(jī)理、風(fēng)險(xiǎn)判別及預(yù)警技術(shù)體系的研究需求，對動力災(zāi)害前兆信息傳感技術(shù)及裝備提出了新的需求和挑戰(zhàn)，亟需解決動力災(zāi)害有效信息監(jiān)測技術(shù)缺少、傳感設(shè)備精度低、穩(wěn)定性差、對災(zāi)害的提前預(yù)警不準(zhǔn)確等難題。

1 煤礦動力災(zāi)害監(jiān)測技術(shù)發(fā)展趨勢

以沖擊地壓、煤與瓦斯突出為主的煤礦動力災(zāi)害監(jiān)測技術(shù)和預(yù)警方法紛繁復(fù)雜，根據(jù)監(jiān)測目標(biāo)與原理主要分為巖石力學(xué)方法、地球物理方法2類[6-7]。巖石力學(xué)方法屬于直觀接觸式監(jiān)測方法，主要以監(jiān)測煤礦動力災(zāi)害發(fā)生前圍巖變形、離層、應(yīng)力變化、動力現(xiàn)象等特征為主，包括鉆屑法、鉆孔應(yīng)力法、圍巖變形測量法等。地球物理方法屬于非接觸式、遠(yuǎn)程監(jiān)測方法，主要監(jiān)測煤巖破壞時釋放出的彈性波、電磁波等信號來預(yù)警和定位，主要包括微震法、地音法、電磁輻射法等[8]。原煤炭科學(xué)研究總院北京開采研究所研發(fā)的采動應(yīng)力監(jiān)測系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)監(jiān)測數(shù)據(jù)自動采集和在線傳輸，由于受限當(dāng)時應(yīng)力傳感技術(shù)的發(fā)展，該系統(tǒng)只能監(jiān)測煤體垂直方向相對應(yīng)力值，無法還原測點(diǎn)真實(shí)的空間三維應(yīng)力狀態(tài)；傳統(tǒng)礦震監(jiān)測系統(tǒng)大多采用機(jī)械式電子器件,抗干擾、信號傳輸能力較差，且檢測頻率范圍窄、精度低；煤礦井下瓦斯傳感器存在測量精度低、測點(diǎn)布置少、調(diào)教周期短等問題[9]。因此，亟需研制基于新傳感原理的設(shè)備，解決災(zāi)害前兆信息全面、準(zhǔn)確測量的問題。

基于煤礦動力災(zāi)害是煤礦開采過程中應(yīng)力場擾動所誘發(fā)的微破裂觸發(fā)、發(fā)展、貫通等煤巖破裂過程失穩(wěn)的結(jié)果，因此煤巖微破裂前兆是沖擊地壓、煤與瓦斯突出等煤礦動力災(zāi)害的共性特征[10]。從采動應(yīng)力擾動誘發(fā)動力災(zāi)害的本質(zhì)出發(fā)，構(gòu)建以微震監(jiān)測、應(yīng)力動態(tài)監(jiān)測及煤礦環(huán)境監(jiān)測三大系統(tǒng)配合的煤礦動力災(zāi)害前兆信息集成監(jiān)測技術(shù)體系（圖1）。微震監(jiān)測系統(tǒng)作為區(qū)域性監(jiān)測手段，能夠監(jiān)測到位置、能量等宏觀數(shù)據(jù)；應(yīng)力動態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)作為臨場性監(jiān)測手段，以危險(xiǎn)性預(yù)警為目的，能夠得到實(shí)時的沖擊危險(xiǎn)區(qū)域和危險(xiǎn)程度；再結(jié)合煤礦環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)監(jiān)測的瓦斯涌出動態(tài)指標(biāo)數(shù)據(jù)對煤與瓦斯突出現(xiàn)象進(jìn)行準(zhǔn)確監(jiān)測。

圖1 煤礦動力災(zāi)害前兆信息集成監(jiān)測技術(shù)體系Fig.1 Integrated monitoring technology system of dynamic disasters precursory information

2 動力災(zāi)害前兆信息傳感技術(shù)研究

通過“十三五”國家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃項(xiàng)目“煤礦典型動力災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)判識及監(jiān)控預(yù)警技術(shù)研究”在煤礦動力災(zāi)害前兆信息傳感技術(shù)方面的研究攻關(guān)，包括微震、應(yīng)力、瓦斯體積分?jǐn)?shù)等災(zāi)害前兆信息監(jiān)測技術(shù)方面取得了突破，解決了微震檢測存在頻率范圍窄、精度低，應(yīng)力存在檢測維度單一、真實(shí)性較差，瓦斯體積分?jǐn)?shù)檢測存在精度低，調(diào)校周期短等問題。通過結(jié)合光纖微震、三軸采動應(yīng)力、分布式多點(diǎn)激光甲烷等多參量檢測技術(shù)，能夠有效彌補(bǔ)傳統(tǒng)監(jiān)測技術(shù)的不足，及時捕捉動力災(zāi)害微破裂活動的內(nèi)在時空聯(lián)系和前兆特征，實(shí)現(xiàn)災(zāi)害前兆信息的深度感知和高精度檢測。

2.1 光纖微震監(jiān)測技術(shù)

山東微感光電子有限公司所研究的光纖微震監(jiān)測技術(shù)采用光纖光柵傳感原理，結(jié)合微震檢測模型仿真分析進(jìn)行光纖微震傳感研究，再采用對稱微結(jié)構(gòu)加速度傳感技術(shù)和高靈敏度解調(diào)方法，擴(kuò)大微震傳感器頻帶檢測范圍，提高了靈敏度。

2.1.1 寬頻高靈敏度光纖微震傳感技術(shù)

光纖微震檢波器主要由光纖光柵加速度傳感器構(gòu)成，其靈敏度較高、穩(wěn)定性好、本質(zhì)安全，但其固有頻率普遍較低，嚴(yán)重影響了小微震事件的探測效果。針對光纖光柵加速度傳感器響應(yīng)頻帶窄的問題，設(shè)計(jì)了基于柔性鉸鏈的光纖光柵三分量微震傳感器（簡稱光纖微震傳感器）。

基于柔性鉸鏈的光纖微震傳感器，其內(nèi)部結(jié)構(gòu)示意如圖2所示。在殼體內(nèi)設(shè)置有L形基座和3個單軸柔性鉸鏈，其中兩個單軸柔性鉸鏈固定于L形基座的長臂上，另一個單軸柔性鉸鏈固定于L形基座的短臂上，3個單軸柔性鉸鏈的敏感軸均互相垂直；每個單軸柔性鉸鏈的一端均為固定端，其固定在L形基座上，另一端均為自由端。該加速度傳感器X方向光纖光柵,Y方向光纖光柵和Z方向光纖光柵的中心波長為1 548.5 nm左右，施加一定的預(yù)應(yīng)力后，3個軸向上的光纖光柵，中心波長變?yōu)? 549 nm左右，使光纖光柵能在鉸鏈的作用下伸長或縮短了。光纖光柵三分量加速度傳感器如圖3所示，其直徑為53 mm，長度為120 mm，重量1.2 kg，可進(jìn)行深孔安裝或垂直安裝在底板1 m以上長的錨桿上。該傳感器采用芯體一體化加工，具有寬頻率響應(yīng)范圍、高靈敏度和低交叉軸敏感度等優(yōu)點(diǎn)，其可同時記錄縱波、橫波和轉(zhuǎn)換波，能全面反映巖體震動情況，避免了單分量拾震造成的數(shù)據(jù)殘缺或丟失。

1—?dú)んw；2—L形基座；3—X方向柔性鉸鏈；4—X方向光纖光柵；5—Y方向柔性鉸鏈；6—Y方向光纖光柵；7—Z方向光纖光柵圖2 光纖微震傳感器及內(nèi)部結(jié)構(gòu)Fig.2 Fiber bragg grating three-component acceleration sensor

2.1.2 微震震源高精度定位方法

通過在煤礦巷道布置光纖微震傳感器，接收震動波信號，結(jié)合傳感器坐標(biāo)、巖層波速等數(shù)據(jù)可實(shí)現(xiàn)震源位置反演[12-13]。光纖微震傳感器的布置受隧道狹小巷道空間的制約，受此影響震源反演定位的誤差將會大幅增加。采用線性方法進(jìn)行震源定位反演，對測點(diǎn)布置做線性無關(guān)優(yōu)化，測點(diǎn)布置三維方向非等間距，做到無序排列，增大測點(diǎn)之間的安裝深度差。采用中心化、行平衡預(yù)處理法和Tikhonov正則化組合優(yōu)化算法，提升震源定位精度。

震相識別采用STA/LTA（Short-Term Averaging/ Long-Term Averaging）方法。STA/LTA方法的基本原理是：用STA和LTA之比來反映信號幅度、頻率等特征的變化；當(dāng)微震信號到來時，STA/LTA的值會有一個突變，當(dāng)其比值大于某一設(shè)定閾值R時，則判定為有效信號。R的計(jì)算公式為

（1）

式中,L和M分別為長、短時間窗內(nèi)的樣本數(shù)；FC（i）為特征函數(shù)；STA為短期均值；LTA為長期均值。

2.1.3 光纖微震監(jiān)測系統(tǒng)技術(shù)指標(biāo)及應(yīng)用

研制的光纖微震監(jiān)測裝置及系統(tǒng)主要包括光纖微震傳感器、微震數(shù)據(jù)采集分站、光纖微震監(jiān)測裝置主機(jī)及上位機(jī)。系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了8個通道同步監(jiān)測，微震頻率范圍達(dá)到了0.5～300 Hz，靈敏度提升到10-4g；系統(tǒng)的響應(yīng)時間小于15 s，標(biāo)校周期大于120 d。

系統(tǒng)在山東能源集團(tuán)下屬具有高沖擊地壓傾向的礦井進(jìn)行現(xiàn)場應(yīng)用示范，在功能上與國外同類系統(tǒng)基本一致，在局部區(qū)域上進(jìn)行檢測靈敏度更高、獲得的微震事件和能級更低；采用的微震監(jiān)測數(shù)據(jù)中心化、行平衡預(yù)處理法和Tikhonov正則化算法，經(jīng)現(xiàn)場試驗(yàn)數(shù)據(jù)驗(yàn)證，系統(tǒng)最小定位誤差約為3 m，平均定位誤差約為11 m，更好滿足沖擊低壓等典型動力災(zāi)害對檢測技術(shù)的需求，達(dá)到了工程實(shí)際應(yīng)用要求。

圖3 光纖微震監(jiān)測系統(tǒng)Fig.3 Optical fiber microseismic monitoring system

2.2 光纖光柵三軸應(yīng)力傳感技術(shù)

中國科學(xué)院武漢巖土力學(xué)研究所研究的三軸應(yīng)力傳感技術(shù)，是在現(xiàn)有單軸應(yīng)力檢測技術(shù)的基礎(chǔ)上，進(jìn)行三軸應(yīng)力檢測技術(shù)研究，結(jié)合數(shù)字濾波技術(shù)消除應(yīng)力交叉干擾，實(shí)現(xiàn)多維度應(yīng)力信息檢測，提高數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性。光纖光柵式三軸應(yīng)力傳感器（簡稱“三軸應(yīng)力傳感器”）充分利用到波分復(fù)用技術(shù)WDM（Wavelength Division Multiplexing），將多種不同波長的光載波信號耦合到同一根光纖中進(jìn)行傳輸，經(jīng)解分波器將各種波長的光載波分離，然后由光接收機(jī)作進(jìn)一步處理以恢復(fù)原信號。

2.2.1 三軸應(yīng)力傳感器探頭設(shè)計(jì)

在三維空間坐標(biāo)系統(tǒng)，某一測點(diǎn)的應(yīng)力狀態(tài)由6個不同的應(yīng)力分量組成，其中包括3個正應(yīng)力分量（σx，σy，σz）和3個剪應(yīng)力分量（τxy，τyz，τzx），而壓應(yīng)力傳感器測得的應(yīng)力只能是正應(yīng)力，每一個測點(diǎn)至少測得6個相互獨(dú)立的的正應(yīng)力值（σn1，σn2，σn3，σn4，σn5，σn6），才能確定該點(diǎn)的應(yīng)力狀態(tài)[14-16]。設(shè)計(jì)的三軸應(yīng)力傳感器，以光纖光柵作為內(nèi)部傳感元件，在實(shí)心球體上布設(shè)6個不同方向的傳感單元（圖4），可測得6個獨(dú)立方向的正應(yīng)力，然后利用坐標(biāo)變換方程求解，即可獲得該點(diǎn)的應(yīng)力狀態(tài)，簡化了測試步驟，提高了測試準(zhǔn)確率。傳感器外觀為球形直徑為80 mm，傳感面直徑為10 mm，外凸出球形外殼高度1 mm，球形外殼厚2 mm（圖5）。

①～⑥—光柵傳感面； 1、2、4—支撐梁；3—光纜固定孔座；5—球體外殼圖4 傳感單元布置Fig.4 Layout of sensing unit

圖5 三軸應(yīng)力傳感器Fig.5 Triaxial stress sensor

當(dāng)光纖光柵軸向變形的產(chǎn)生，通過解調(diào)儀測量傳感單元受壓變形的波長變化變量Δλ；再經(jīng)過標(biāo)定系數(shù)K反算，能夠通過各傳感單元波長改變量求出對應(yīng)的外部荷載實(shí)際值。由傳感面直徑D，可以計(jì)算出傳感面外表面壓強(qiáng)即所承受的壓應(yīng)力大小：

（2）

根據(jù)上式，通過傳感器6個面的壓應(yīng)力大小P求出該測點(diǎn)的應(yīng)力狀態(tài)，進(jìn)而求出該點(diǎn)的主應(yīng)力大小和方向，即實(shí)際地應(yīng)力值。

研制的三軸應(yīng)力傳感器通過標(biāo)定試驗(yàn)測試，獲得了三軸應(yīng)力傳感器各個傳感面的輸出波長變化量與外荷載的關(guān)系曲線，并對輸出波長變化量與外荷載值進(jìn)行了線性擬合，如圖6所示。在預(yù)設(shè)的30 MPa量程內(nèi)，傳感單元的傳感特性曲線始終保持穩(wěn)定，其工作量程為0～30 MPa,其靈敏度在50～150 pm/MPa。

圖6 傳感器輸出波長變化量與外荷載關(guān)系曲線Fig.6 Curve of the relationship between the change of wavelength and the external load

2.2.2 三軸應(yīng)力傳感器主機(jī)

三軸應(yīng)力傳感器主機(jī)主要將三軸應(yīng)力傳感器6個傳感單元的光信號進(jìn)行檢測和解調(diào)，計(jì)算對應(yīng)的6個不同的傳感面上的正應(yīng)力值，再將6個面的正應(yīng)力值合成為該測量點(diǎn)的三維空間應(yīng)力矢量。主機(jī)主要由主板、光纖光柵解調(diào)儀、觸摸顯示屏、485通訊接口及網(wǎng)口組成。本安型組網(wǎng)式光纖光柵解調(diào)儀主要實(shí)現(xiàn)光纖光柵輸出的光信號波長解調(diào)。

組網(wǎng)式礦用本安型三軸應(yīng)力傳感器主機(jī)，如圖7所示，它含有掃描激光光源，可同時測量6路光譜信號，具有光譜查詢功能；其測量光譜動態(tài)范圍大、長期穩(wěn)定性好、精度高等。

2.2.3 三軸應(yīng)力監(jiān)測裝置技術(shù)指標(biāo)及應(yīng)用

三軸應(yīng)力監(jiān)測裝置波長范圍1 510～1 590 nm，測量通道6路，壓力范圍0～30 MPa；測量誤差為3%，通信接口RS485。在平頂山天安煤業(yè)股份有限公司平煤四礦31060機(jī)巷高抽巷進(jìn)行流變應(yīng)力恢復(fù)法地應(yīng)力測試，數(shù)據(jù)見表1。

圖7 三軸應(yīng)力傳感器主機(jī)Fig.7 Triaxial stress sensor host

表1 31060機(jī)巷高抽巷最大及最小水平應(yīng)力及垂直應(yīng)力

2.3 分布式多點(diǎn)激光甲烷檢測技術(shù)

中煤科工集團(tuán)重慶研究院有限公司所研究的分布式多點(diǎn)激光甲烷檢測技術(shù)基于激光吸收光譜原理，利用光纖光路復(fù)用技術(shù)，結(jié)合參考?xì)馐易孕Ｕ夹g(shù)實(shí)現(xiàn)關(guān)鍵區(qū)域多個測點(diǎn)瓦斯體積分?jǐn)?shù)同步精度測量，提高傳感器的穩(wěn)定性和測量精度。

2.3.1 分布式多點(diǎn)激光甲烷監(jiān)測裝置架構(gòu)設(shè)計(jì)

分布式激光甲烷監(jiān)測裝置的系統(tǒng)架構(gòu)框圖如圖8所示，激光器溫控驅(qū)動模塊控制下，觸發(fā)1 653 nm的激光光波，光波經(jīng)多路光分束器轉(zhuǎn)換成8路光波，經(jīng)過光纜傳輸至各測量氣室，通過光電探測器將光信號轉(zhuǎn)換成電信號，經(jīng)過放大、濾波、鎖相、相關(guān)等信號處理，得到待測信號的一次諧波和2次諧波波形，最后通過數(shù)值分析反演得到待測甲烷氣體的濃度。為提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性，將第8路甲烷測量氣室替換為密封甲烷的參考?xì)馐?，作為系統(tǒng)的參考通道光路；通過內(nèi)置甲烷濃度恒定的參考?xì)馐?，用于自動鎖定激光器出射中心波長和光譜范圍，并根據(jù)解算的參考?xì)馐覂?nèi)甲烷的濃度值對系統(tǒng)檢測值進(jìn)行實(shí)時修正[17-18]。

2.3.2 光路信號同步數(shù)據(jù)采集與處理技術(shù)

為滿足8光路信號同步數(shù)據(jù)采集和解析以及測量響應(yīng)時間15 s的需求，設(shè)計(jì)了基于FPGA的多通道高速數(shù)字信號處理電路，其硬件架構(gòu)設(shè)計(jì)如圖9所示。

圖8 分布式多點(diǎn)激光甲烷檢測系統(tǒng)組成Fig.8 Block of distributed multi-point laser methane detection system

圖9 光路信號同步采集架構(gòu)設(shè)計(jì)Fig.9 Optical signal synchronization acquisition architecture

8光路信號同步采集模塊采用美國XILINX公司XC3S400 AN系列的 FPGA芯片，ADI公司的8路高速同步采樣ADC芯片，結(jié)合單片機(jī)和程控放大電路，進(jìn)行光電轉(zhuǎn)換信號的增益自調(diào)節(jié)。MCU通過串口電路，接收到來自主板發(fā)送的各通道光強(qiáng)數(shù)據(jù)，再結(jié)合增益自調(diào)節(jié)算法進(jìn)行實(shí)時光強(qiáng)自適應(yīng)放大；FPGA芯片控制ADC進(jìn)行8路模擬信號的同步采集，然后將各通道采集的數(shù)字信號進(jìn)行高速諧波解調(diào)，實(shí)現(xiàn)同步采樣8路測量氣室的濃度吸收信號，最后解析出對應(yīng)測量氣室的甲烷體積分?jǐn)?shù)值并將濃度數(shù)據(jù)通過主板的數(shù)據(jù)交互接口，上傳到主板電路。

2.3.3 分布式多點(diǎn)激光甲烷監(jiān)測裝置技術(shù)指標(biāo)及應(yīng)用

分布式多點(diǎn)激光甲烷監(jiān)測裝置及系統(tǒng)（圖10），實(shí)現(xiàn)了8個通道同步高精度測量，測量范圍（0～100）%CH4，測量誤差不超過±3%，響應(yīng)時間達(dá)到10 s，標(biāo)校周期達(dá)到120 d以上。

該系統(tǒng)在山西新景礦煤業(yè)有限責(zé)任公司井下工作面巷道安裝試運(yùn)行。系統(tǒng)在近3個月的工作過程中，其測量數(shù)據(jù)幾乎保持一致，且計(jì)算出來的絕對誤差不超過±0.03%；同時通過2.55%CH4標(biāo)氣進(jìn)行通氣試驗(yàn)，8個測點(diǎn)線性精度未發(fā)生漂移，測量誤差在±3%以內(nèi)。

圖10 分布式多點(diǎn)激光甲烷監(jiān)測裝置Fig.10 Distributed multi-point laser methane monitoring device

3 煤礦動力災(zāi)害前兆信息集成監(jiān)測預(yù)警系統(tǒng)

基于最新研究開發(fā)的光纖微震監(jiān)測系統(tǒng)、三軸應(yīng)力動態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)，結(jié)合裝配了分布式激光甲烷監(jiān)測裝置的煤礦安全監(jiān)控系統(tǒng)，三大系統(tǒng)通過多系統(tǒng)數(shù)據(jù)共享、挖掘及融合技術(shù)構(gòu)建了煤礦動力災(zāi)害前兆信息集成監(jiān)測預(yù)警系統(tǒng)架構(gòu)，并在山西新景礦煤業(yè)有限責(zé)任公司進(jìn)行了集中示范應(yīng)用，如圖11所示。將3個系統(tǒng)采集的數(shù)據(jù)和分析結(jié)論，按照統(tǒng)一的數(shù)據(jù)格式存儲到同一個服務(wù)器上；煤礦動力災(zāi)害前兆信息集成監(jiān)測預(yù)警系統(tǒng)軟件通過數(shù)據(jù)庫訪問接口，將3個系統(tǒng)的監(jiān)測數(shù)據(jù)和分析結(jié)論，再進(jìn)行深度挖掘和融合，得出相應(yīng)的預(yù)報(bào)等級。

圖11 煤礦動力災(zāi)害前兆信息監(jiān)測預(yù)警架構(gòu)Fig.11 Precursory information monitoring and warning architecture of dynamic disasters precursory information

光纖微震監(jiān)測系統(tǒng)能夠監(jiān)測井下采動應(yīng)力誘發(fā)的震動位置、能量大小、發(fā)展趨勢等宏觀數(shù)據(jù)，平均定位誤差約11 m；三軸應(yīng)力動態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)通過實(shí)時監(jiān)測工作面超前應(yīng)力變化動態(tài)（圖12），找到高應(yīng)力區(qū)及其變化趨勢，顯示危險(xiǎn)區(qū)的位置、危險(xiǎn)程度等；結(jié)合安裝了分布式多點(diǎn)激光甲烷監(jiān)測裝置的煤礦安全監(jiān)控系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)采煤工作面瓦斯體積分?jǐn)?shù)的多點(diǎn)高精度同步測量（表2），獲得瓦斯動態(tài)涌出分布曲線；再結(jié)合風(fēng)速風(fēng)量傳感器和時鐘同步技術(shù)，計(jì)算出工作面放炮后30 min內(nèi)瓦斯涌出量與爆破落煤量之比V30，巷道瓦斯涌出過程不同循環(huán)涌出量的變異系數(shù)KV等瓦斯涌出動態(tài)指標(biāo)；然后通過煤礦動力災(zāi)害前兆信息監(jiān)測預(yù)警主機(jī)的風(fēng)險(xiǎn)判識和預(yù)警專家系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)井下動力災(zāi)害的預(yù)警預(yù)報(bào)。

圖12 三軸應(yīng)力傳感器實(shí)測應(yīng)力曲線Fig.12 Triaxial stress sensor measured stress curve

表2 分布式多點(diǎn)激光甲烷監(jiān)測裝置監(jiān)測數(shù)據(jù)Table 2 Monitoring data of distributed multipoint laser Methane Monitoring Device

4 結(jié) 語

研究了煤礦動力災(zāi)害監(jiān)測技術(shù)的發(fā)展趨勢；分析了微震、應(yīng)力、瓦斯體積分?jǐn)?shù)等傳感技術(shù)之前存在各種問題；開展了光纖光柵微震、三軸應(yīng)力、分布式多點(diǎn)激光甲烷等多參量光學(xué)傳感技術(shù)的深入研究。研制的光纖微震監(jiān)測裝置及系統(tǒng)，微震頻率范圍達(dá)到了0.5～300 Hz，平均定位誤差約為11 m；研制的三軸應(yīng)力監(jiān)測裝置，實(shí)現(xiàn)了三維空間中，應(yīng)力向量的測量，測量通道6路，測量誤差為3%；研制的分布式多點(diǎn)激光甲烷監(jiān)測裝置及系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了8通道同步測量，測量誤差不超過±3%，標(biāo)校周期達(dá)到120 d以上。最后，提出并構(gòu)建了以微震監(jiān)測、應(yīng)力動態(tài)監(jiān)測及煤礦環(huán)境監(jiān)測三大系統(tǒng)相融合的煤礦動力災(zāi)害前兆信息集成監(jiān)測技術(shù)架構(gòu)。