基于FBG的煤矿采空区温度场监测技术的研究与应用

摘要

近年来，采空区自燃发火成了煤矿的主要灾害之一。一旦出现自燃现象，对人员及设备危害巨大，不仅会影响事发面的正常作业，也会对其它采掘面的生产构成威胁。更严重的是，因为没有准确的火源点定位措施，在灭火时非常盲目，造成投入的经济成本动辄上千万，损失巨大。因此，研究采空区温度场监测技术对于保障矿井安全生产和降低防火、灭火的成本具有重大的现实意义。
　　目前应用于煤矿井下的测温方式主要是通过电类仪器仪表感知，比如感温电缆、集成温度传感器芯片等。此类传感器本身带电，在矿井复杂的环境中应用存在安全隐患，测量误差大，定位功能弱，且不能实现长时间连续监测。
　　本文研究了一种基于光纤布喇格光栅(FBG)的煤矿采空区温度场监测技术，其在采空区形成分布式监测场，能够准确测定各监测点的温度值。此外，光纤光栅传感器具有体积小、本质安全、对电绝缘、抗电磁干扰、精度高、可靠性强、响应快、环境适应性好、适用于远距离传感检测等优点，可以实现一线多点，无源多场的实时状态测量。因此，将光纤光栅传感器推广在煤矿采空区对其温度场进行监测具有广阔的应用前景。
　　本文分析了煤矿采空区温度场监测技术的发展现状，并在煤矿行业监测需求的基础上设计了采空区温度场监测技术方案，主要研究内容及结果如下：
　　1探究并设计了矿用FBG温度传感器，包括FBG温度探头和FBG温度传感器封装结构，使FBG温度传感器达到了较好的感温灵敏度和较高的抗拉强度，在此基础上形成了矿用测温缆的制作技术及方法。
　　2设计了采空区温度场监测系统，对系统各单元进行了设计及选型，并形成了测温光缆的布置方案与工程实施方案。
　　3研究了空间插值算法，重点分析了克里金插值法，编程实现了对采空区温度场的空间插值，得到了更全面的采空区温度场。
　　4基于设计的温度场监测技术，实现了对采空区温度场监测的应用。在神华宁夏煤业集团羊场湾煤矿Ⅱ020210工作面采空区布置了分布式测温光缆，基本实现了对采空区温度场的测定，结果证明该监测技术准确性高、灵敏度好。而且，通过对所测得的数据进行拟合分析得到了采空区的温度场规律。

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第1章 绪论

1.1 煤矿采空区温度场监测的发展现状

1.2 光纤光栅简介

1.3 光纤光栅传感的特点及优点

1.4 课题研究的意义和主要工作

1.5 本章小结

第2章 FBG的传感原理及其解调技术

2.1 FBG传感的基本原理

2.2 FBG的传感特性

2.3 FBG复用技术

2.4 FBG解调技术

2.5 本章小结

第3章 矿用FBG温度传感器的设计及性能测试

3.1 现有FBG温度传感器存在的问题

3.2 FBG温度传感器的设计

3.3 FBG温度传感器性能测试

3.4 FBG测温缆

3.5 本章小结

第4章 温度场监测系统的设计实施及数据处理方法

4.1 监测系统技术指标

4.2 监测系统的设计

4.3 FBG测温缆工程布置实施方案

4.4 数据处理方法

4.5 本章小结

第5章 基于FBG的煤矿采空区温度场监测应用

5.1 神华宁夏羊场湾煤矿Ⅱ020210工作面简介

5.2 监测系统实施方案

5.3 监测系统完成情况

5.4 监测结果及分析

5.5 本章小结

第6章 总结与展望

6.1 全文总结

6.2 后续展望

致谢

参考文献

攻读硕士学位期间发表的学术成果

附录A 矿用FBG温度传感器封装结构尺寸图

附录B 采空区FBG测温缆详细安装和实施方案

附录C 采空区温度场空间插值Matlab编程代码