方新秋教授：煤矿开采光纤智能感知与安全决策关键技术分析及探讨

基于光纤光栅传感特性的光纤传感器，可实现对应力、应变、位移、倾角、温度等多种物理量的感知与传输，利用光纤传感优点与煤矿开采环境特征，可将光纤传感器用于采煤工作面“三机”(采煤机、刮板输送机、液压支架)姿态感知和巷道围岩状态感知。此外，结合光纤高宽带、通信距离远、传输损耗低等特点，可构建基于光纤感知的煤矿开采安全决策云平台。

煤矿开采光纤感知应用

（1）采煤工作面“三机”姿态感知

煤矿智能化的核心是综采工作面的智能化，其关键就是采场“三机”姿态的智能感知。智能工作面开采过程采煤机记忆割煤或自主割煤都必须依托采煤机运行姿态基础信息，如采煤机所处工作面位置和滚筒高度等；刮板输送机姿态信息可以为工作面直线度控制提供依据；液压支架低头、抬头、倾倒等姿态可为液压支架姿态控制提供必要的精准信息。

针对采煤机传统定位方式无法满足智能开采精度要求，提出了一种基于光纤捷联惯性导航系统的姿态智能感知方法，利用光纤惯性测量器件抗干扰、精度高、可靠性高等优点，可将惯性导航系统的相关组件直接安装于采煤机机身，利用光纤陀螺仪测量的角速度及加速度传感器测量的加速度信息推算出采煤机位姿信息，然后通过误差补偿模型从多个层面提高采煤机运行姿态感知精度，采煤机运行姿态感知原理如图1所示。

目前，刮板输送机直线度多是通过采煤机位姿或液压支架位姿间接感知，但该方式存在较大误差，因此在光纤光栅三维曲率推算理论的基础上设计并研发了刮板输送机三维曲率传感器，可实现刮板输送机直线度的直接实时在线感知。具体工作原理：首先通过传感器感知刮板输送机中部槽各连接位置的曲率信息，然后利用递推算法将各光栅点所测曲率信息拟合，最终实现对刮板输送机的三维曲线重建。刮板输送机直线度光纤感知系统布置如图2所示，光纤光栅三维曲率传感器自刮板输送机机尾铺设至机头，通过法兰盘与多芯光缆连接，将多芯光缆连接至光纤光栅解调仪的多个通道，通过解调仪调制解调后实时显示刮板输送机三维弯曲信息。

获取液压支架姿态是实现智能化开采的必需性基础信息，笔者团队研制了液压支架姿态感知的系列光纤光栅传感器（图3）。利用光纤传感器监测液压支架工作阻力和倾角，可为液压支架推移、自动跟机和机群协同控制提供精准数据，有利于准确掌握工作面复杂工况下液压支架姿态变化规律和反演支架-围岩耦合关系，为工作面矿压及顶板控制、支架适应性研究等提供技术支撑。

（2）巷道围岩状态感知

煤矿开采活动会引起显著的矿压显现现象，若不加以监测和控制，有可能会引发巷道顶板灾害。利用自主研发的光纤光栅智能格栅、光纤光栅锚杆测力计、光纤光栅顶板离层仪、光纤光栅测力锚杆、光纤光栅钻孔应力计和光纤光栅温度传感器，对巷道锚固岩体收敛、围岩应力、锚杆索载荷、顶板离层和围岩温度信息实时监测，从而实现巷道围岩状态智能控制、巷道围岩状态安全评价、巷道围岩灾变前兆预测以及巷道围岩状态决策响应，巷道围岩状态感知系统如图4所示。

针对煤矿开采安全决策落后问题，构建了煤矿开采光纤感知与安全决策系统，该系统集成光纤传感器和云平台，通过智能感知-动态响应-前兆预警-安全决策模式可实现煤矿开采多参量远程在线监测预警与安全决策。煤矿开采光纤感知与安全决策系统包括数据采集与感知层、数据传输层、数据处理与管理层和安全决策与控制层4层架构（图5）。数据采集与感知层利用多种光纤传感器实现煤矿开采多参量信息监测；数据传输层通过光纤通信器件形成传感网络，是数据传输的枢纽；数据处理与管理层利用深度挖掘分析海量信息，并对多源数据进行统计、筛选和规范化，形成煤矿开采感知信息数据仓库；安全决策与控制层通过信息服务平台对多源数据进行深度融合与智能分析处理，并完成生产调度及安全决策控制指令，实现井下综合区域安全管控。

煤矿智能化开采是我国煤炭综采技术发展的新阶段，目前尚处于初级阶段。光纤感知和安全决策能够为煤矿智能化的建设与推进提供技术支撑，但仍存在诸多挑战，这需要高校、科研院所及企业联合攻关，将智能化开采关键技术瓶颈逐个解决，才能逐步提升煤矿智能化水平。

（1）复杂工况下光纤传感器可靠性与精度有待提升。鉴于光纤易发生脆性破坏的特性，传感器及光缆在井下动态开采过程易发生损坏，影响光纤感知系统的可靠性。此外，在井下震动等其他因素的影响下，光纤传感器的感知精度还需提升。

（2）光纤感知数据转化利用率有待提高。煤矿井下各生产环节的感知数据量较大，市场上光纤传感器和光纤解调设备厂家众多，但光纤解调设备扫描带宽和通信协议标准不一，光纤传感器利用受限，无法有效把感知数据反馈给相应控制设备，导致数据转化利用率较低，失去信息感知的意义。

（3）光纤感知数据的交叉融合与决策还需进一步加强。在井下开采环境中光纤感知系统布设完善的情况下，安全决策系统基本能够实现实时显示、状态查询和异常预警等功能，但因其与大数据融合度较低，对异常数据的分辨、筛选及剔除能力还需加强，无法及时分析数据异常的原因，仍需人为核查。

（4）光纤感知信息与透明工作面融合还需加快。透明工作面的加速发展推动了智能化建设进程，目前基本实现了融合钻探、物探和回采揭露信息的静态工作面透明化，但由于技术手段有限，融合工作面装备动态信息的高精度四维透明工作面感知系统尚未建成。在工作面“三机”姿态光纤感知基础上，如何实现基于时间+空间的高精度四维透明工作面全息感知仍有很大技术挑战。

（1）基于光纤传感+F5G通信的矿井高精度感知高速传输通道建设。现阶段针对矿井生产各环节的感知数据量已非常庞大且感知点位分布较散，结合F5G大宽带、低时延、高可靠和易扩展特点，可建立一条实现煤矿开采环境多参量信息高精度感知和快速精准传输的信息“高速公路”，基于此将煤矿生产过程打造成“时空一体、万物互联、数据融合、全息感知、业务联动、智能决策”的“光联万物”生态圈。

（2）基于光纤传感的煤矿井下多场景全息感知网络。煤矿包括建井、开拓、准备、回采等多个应用场景，需要监测的参数众多，如井筒变形、风速、瓦斯浓度、水压、温度、装备状态等。面对复杂的井下工况环境，基于光纤传感优势，可实现井下多应用场景环境参数全息感知，为智能煤矿建设提供精准信息。

（3）基于光纤感知信息的高效挖掘与协同管控一体化。由于井下环境复杂，监测各类参数较多，通过各类传感器收集到的数据冗余，可利用多传感器信息融合和大数据深度挖掘后，针对重点信息进行有效处理，为高效协同管控提供重要支撑。

来源：智能矿山杂志