开采环境智能感知413

《开采环境智能感知》智能开采研究团队简介团队专注于研究解决煤炭资源开采过程中的智能开采关键技术问题，包括智能工作面开采技术、采煤机姿态感知技术、智能支架、刮板机调直技术、光纤智能监测技术、大数据挖掘及信息融合技术、专家远程故障诊断技术、采动灾害监测预警技术等。研究方向：（1）煤矿智能开采；（2）矿山智能监测与大数据平台；（3）矿山压力与岩层控制。团队首席：方新秋：采矿工程博士，东南大学控制工程博士后，教授，博士生导师。现为中国矿业大学深部煤炭资源开采教育部重点实验室副主任。入选江苏省“333高层次人才培养工程”中青年科学技术带头人、江苏省“六大人才高峰”高层次人才、江苏省高校“青蓝工程”优秀青年骨干教师。主持完成国家“863计划”项目子课题、国家自然科学基金项目及企业委托项目60余项，具有较深厚的研究工作积累。以第一作者和通讯作者发表论文被SCI、EI收录30多篇，ISTP收录2篇，入选中国精品科技期刊顶尖学术论文领跑者F5000论文3篇，正式出版专著6部，主编教材2部；共申请国家发明专利40多项，已获授权国家发明专利25项，另授权国际发明专利12项；软件著作权6项；相关研究成果获省部级一等奖2项（均排名第一）、省部级科技进步二等奖4项（其中2项排名第一）。团队研究成果教材著作1.《开采环境智能感知》，主编：方新秋、李爽、梁敏富，副主编：谢小平、刘宏、周嘉乐，中国矿业大学出版社，2020.10出版2.《智能采矿概论》，主编：方新秋、梁敏富，副主编：杨科、常聚才、张向阳，中国矿业大学出版社，2020.10出版1.《采场三机姿态智能感知理论与实践》，方新秋、梁敏富

著，科学出版社，2020.9出版2.《巷道围岩智能感知理论与实践》,方新秋、薛广哲、梁

敏富著，科学出版社，2020.9出版3.《薄煤层无人工作面煤与瓦斯共采关键技术》，方新秋著，中国矿业大学出版社，2013智能开采研究团队简介目录

一绪论煤矿开采环境智能感知体系

二开采环境地球物理感知技术

三开采环境光纤光栅感知技术

四光纤传感式煤矿开采智能感知系统

五目录

六地理信息系统概述开采环境智能信息处理技术

七煤矿开采大数据与云计算概述

八开采环境安全管理“一张图”系统平台

九课程培养目标及考核方式课程培养目标：1、使学生了解煤矿智能化系统的总体知识结构，了解煤矿智能化开采的基本概况、发展背景及方向。2、使学生熟悉煤矿开采环境智能感知体系的结构组成、基本功能，了解煤矿开采环境常用的感知技术。3、使学生了解煤矿开采环境大数据及云计算相关基本知识及关键技术，掌握先进的光纤光栅感知技术及基础理论，熟悉光纤传感式煤矿开采环境智能感知系统，了解先进的矿用智能传感器及常用的智能信息通讯技术。4、培养学生综合运用所学基础理论和专业知识分析解决智能化开采技术问题的基本能力。5、培养学生利用多种工具搜集资料信息，归纳分析总结，撰写小论文或研究报告并正确表述报告内容的能力。6、培养学生团队合作意识和组织协调能力。课程培养目标及考核方式课程总成绩：过程考核（平时）成绩和结束考核（结课考试）成绩。考核方式比例：课程过程考核占40%，课程结束考核占60%。其中过程考核分为课程考勤、课堂研讨及课外作业三部分。课程考勤4次，占总评成绩的10%；课堂研讨2次，占总评成绩的20%；课外作业2次，占总评成绩的10%。结课考试：闭卷考试，占总评成绩的60%。课程考核方式：总学时：32（其中，讲授学时：26；研讨学时：2；实验课学时：4）课程开设背景基础：煤矿智能化建设要紧抓数据这一核心资源，以数据为基础，推动煤矿智能化技术开发和应用模式创新。内涵：将智能装备、工业物联网、云计算、大数据、移动互联网、人工智能等技术与现代煤矿开发技术深度融合，形成全面感知、实时互联、分析决策、自主学习、动态预测、协同控制的智能系统，实现煤矿开拓、采掘、运通、洗选、安全保障、经营管理等过程的智能化运行。关键：研发煤矿精准探测与地理信息精细建模技术、新一代矿井感知传感技术与装备、井下精准定位技术、井下5G传输技术、复杂条件智能综采技术、重大危险源智能感知与预警技术。目标：①到2021年，建成多种类型、不同模式的智能化示范矿井，初步形成煤矿开拓、地质、生产等主要环节的数字化传输、自动化运行体系，基本实现掘进工作面减人提效、综采工作面内少人或无人操作、井下固定岗位的无人值守与远程监控。②到2025年，大型矿井基本实现智能化，形成煤矿智能化建设技术规范与标准体系，实现开拓设计、地质保障、采掘运通、洗选物流等系统的智能化决策和自动化协同运行，井下重点岗位机器人作业。③到2035年，各类煤矿基本实现智能化，构建多产业链、多系统集成的煤矿智能化系统，建成智能感知、智能决策、自动执行的智能化煤矿体系，实现煤炭工业高质量发展。国家能源局关于加快煤矿智能化发展的指导意见：加快推进煤炭供给侧结构性改革，加强科技创新，推动智能化技术与煤炭产业融合发展，提升煤矿智能化水平，保障煤矿安全生产，促进我国煤炭工业高质量发展。课程开设背景国家能源资源体系煤炭是我国的主要能源资源，长期以来，能源问题一直是国家经济可持续发展的重要保障，随着国内石油的日渐枯竭及进口石油量不断增长，煤炭工业对我国能源资源安全和国民经济发展将变得更为重要，并将越来越成为国家战略考虑的重心之一。课程开设背景国家能源资源体系煤炭是我国的主要能源资源，长期以来，能源问题一直是国家经济可持续发展的重要保障，随着国内石油的日渐枯竭及进口石油量不断增长，煤炭工业对我国能源资源安全和国民经济发展将变得更为重要，并将越来越成为国家战略考虑的重心之一。《BP世界能源统计年鉴》指出2017年煤炭消费在世界一次能源消费结构中占比28.11%，而在我国占比高达61.83%；2018年，分别占27.2%、58%。确保煤炭安全智能绿色生产是国民经济健康、高效、可持续发展的重要基础和保障。课程开设背景我国煤矿开采特征1露天开采和井工开采（>90%）2煤层赋存形式多样且条件复杂灾害发生率较高，安全危险性大事故率高：我国中东部矿山条件比较复杂，容易发生冲击地压、煤与瓦斯突出、突水冒落等重大灾害。地压灾害河南·千秋煤矿重大冲击地压事故10人死亡，64人受伤，直接经济损失2748.5万元课程开设背景21世纪以来，我国综采技术与装备研发能力突飞猛进，推动煤炭行业开采工艺的机械化、自动化程度大幅提升，安全保障程度大幅提高，实现了诸多矿区亿吨无死亡。2018年全国煤矿百万吨死亡率降至0.093。伤亡率高：我国矿工的工伤死亡率为8.1人/十万人，是澳大利亚的20倍，美国、加拿大的10倍，与产煤发达国家相比，我国煤炭生产的安全风险仍存在较大差距。全球矿业发达国家工伤死亡率(人/十万)中国南非澳大利亚美国加拿大8.10.82.70.40.7课程开设背景智能化开采——煤炭工业转型、发展的需求和必然方向。煤矿开采面临的问题中国煤炭行业用人多、效率低，制约了行业的产业升级和高质量发展；井下工作环境恶劣，劳动强度大，职业病危害严重；煤矿开采条件复杂、灾害严重、安全水平相对较低；工作面存在“水、火、瓦斯、煤尘、顶板”五大自然灾害，时刻威胁职工的生命安全，只有将人从工作面解放出来，实现煤矿智能化开采，才能彻底改变这种局面，达到“少人则安、无人则安”；实现采掘工作面生产，特别是危险操作的智能化。即研究制造能传递所在工作地点工作环境信息和自身工况信息的“智能化装备”武装采掘工作面，远距离遥控操作。最大限度的实现采煤作业者从井下到地面工作的过渡。解决“入地难”的问题。课程开设背景课程开设背景课程开设背景国家及行业导向习近平总书记：要积极推动我国能源生产和消费革命，大力推进煤炭清洁高效利用。国家“十三五”规划：推动生产方式向柔性、智能和精细化转变。国家《能源技术革命创新行动计划(2016-2030)》：要全面建成安全绿色、高效智能矿山技术体系。国家安全生产监督管理总局：“机械化换人、自动化减人”科技强安专项行动。国家能源局：提升煤矿机械化、自动化、信息化和智能化“四化”水平和装备研发能力。煤炭工业“十三五”规划：加快推广智能工作面综采先进工艺技术。智能化开采是实现煤炭行业安全高效生产的核心和关键。煤矿智能化开采现状煤矿智能化开采现状煤矿智能化开采现状煤矿智能化开采现状我国综合机械化采煤装备技术经历了人工操作→半自动控制→全自动控制三个发展阶段，目前正朝着智能化综采装备发展。自动化是智能化发展的基础阶段，无人化是智能化发展的高阶阶段和追求目标。在最终实现无人化开采之前，智能化采矿成为行业内的研究热点和发展趋势。煤矿智能化开采现状我国的智能化开采起步晚，但在近几年发展迅速，提出了一系列的理论、技术和成套装备等研究成果，为我国智能化综采技术提供了重要机遇。但部分关键技术未取得实质性的突破，尤其在感知层上存在薄弱技术环节。截止目前，全国已有200+个综采工作面正在开展综采智能化开采探索与尝试，范围覆盖全国各主要矿区。一、绪论1.1煤炭开采环境智能感知发展背景环境感知是智能化开采基础煤炭智能化开采是在机械化开采、自动化开采基础上，信息化与工业化深度融合的煤炭开采技术的深刻变革，是指在不需要人工直接干预的情况下，采掘装备通过智能感知、智能调控、自主导航独立完成采掘作业的过程。自动放顶煤震动感知装置矿井环境感知应用一、绪论要实现智能化开采，需要对采煤工艺进行技术创新，主要包括以下内容：（1）采煤机自动化开采工艺，利用开发的记忆截割程序，实现采煤机在工作面的自动截割运行。（2）支架及刮板机自动跟随采煤机工艺，在开采过程中，需要对工作面三机设备（采煤机、刮板输送机、液压支架）的实时工况、姿态进行检测和故障诊断，保证整个工作面设备在最佳状态下运行。1.1煤炭开采环境智能感知发展背景环境感知是智能化开采基础一、绪论1.1煤炭开采环境智能感知发展背景刮板输送机自动感知及调直工作面三机示意图一、绪论1.1煤炭开采环境智能感知发展背景采煤机记忆截割软件画面一、绪论人工智能推动能源、制造业、物流、金融、商务、家居产业在内的传统产业转型升级，形成智能能源开采、智能制造、智能农业、智能物流、智能金融、智能商务、智能家居产业，推动人工智能在各行各业的规模化应用。1.1煤炭开采环境智能感知发展背景第四次工业革命与智能化煤矿智能化发展进程一、绪论1.1煤炭开采环境智能感知发展背景煤炭智能化开采技术进展目前，我国的煤矿以井工开采为主，采煤方法历经人力、炮采、普采、综采，目前正在迅速向自动化、智能化方向发展。一、绪论1.2开采环境智能感知存在问题及发展方向煤炭全智能开采关键技术实现煤炭全智能开采的关键技术在于：（1）刮板输送机水平、直线控制技术；（2）高度控制技术；（3）生产运营技术。一、绪论1.2开采环境智能感知存在问题及发展方向开采环境管理智能感知存在问题煤炭开采复杂地质围岩智能化感知难开采智能化决策难设备可靠性难题开采恶劣环境下可视化难智能开采技术难点复杂条件下自感知技术难一、绪论1.2开采环境智能感知存在问题及发展方向开采环境智能感知发展方向探讨智能化开采是煤炭综采技术发展的新阶段，也是煤炭工业技术革命和升级发展的需求和必然方向。针对煤矿智能开采、智慧矿山建设等问题，提出了诸多重要的理论与技术架构并对开采环境智能感知的发展方向进行了探讨。发展方向基于实时三维GIS智能化开采导航技术①基于光纤传感的开采环境智能感知③智能化开采巡检机器人②一、绪论1.2开采环境智能感知存在问题及发展方向开采环境智能感知发展方向探讨工作面巡检机构井下无人机采煤机电缆拖拽一、绪论1.2开采环境智能感知存在问题及发展方向小结煤炭开采智能化必须坚持思想观念的变革为基础，智能化开采技术是煤矿开采技术的一次关键变革，标志着采矿行业从劳动密集型向技术密集型的根本性转变，坚持从工作面局部到整个工作面再到全矿井的智能化少人、无人开采发展步骤。智能采矿是一个多学科交叉的综合性研究课题，它涉及机械工程、光纤光栅传感器技术、自动化技术、计算机等多学科知识，在智能感知方面还有许多关键技术问题需要解决，同样也需要相关的理论、方法和技术创立煤矿开采智能感知体系。智能感知是煤矿智能化开采的关键技术之一，先进的传感测试技术是实现智能采矿的基础也是核心要素。

《开采环境智能感知》目录

一煤矿开采环境智能感知的基本功能煤矿开采环境的四个感知体系

二煤矿开采环境感知物联网系统

三第二章煤矿开采环境智能感知体系煤矿开采环境感知应用实例

四本章重点1、煤矿开采环境感知基本目的2、煤矿开采环境感知基本内容3、感知矿山物联网基本架构4、煤矿开采环境的四个感知体系二、煤矿开采环境智能感知体系2.1煤矿开采环境感知的基本功能2.1.1煤矿开采环境的特点

煤矿井下是由巷道、竖井、斜井、各种设备设施等构成的庞大的工程系统，由于系统的特殊性，其井下开采作业环境极其复杂与恶劣。由于井下生产系统工程庞大、环境恶劣且多种作业同时进行，从而形成了井下开采过程监测监控的特殊环境。（1）井下环境异常恶劣；（2）监测监控对象的种类多、数量广；（3）监测点分布广且位置不定。二、煤矿开采环境智能感知体系2.1.2煤矿开采环境智能的基本目的

为煤矿安全监督管理引入了新的理念、新的技术和新的方法，通过把各种类型的传感器应用到煤矿安全监控系统中，智能的感知“人员，机械，矿山环境”的各种状态信息。

将现有的分散的，独立的，单一的监测监控平台进行升级，幵放，和集成多综合的监控系统，来实现人与机械的，环境的和其他物理系统，以及物与物、人与物的互相联动，从而保证煤矿的安全生产，实现安全监督管理中“物物互联、智能感知、物物互动、智慧处理”的设想。二、煤矿开采环境智能感知体系创新2.1.3煤矿开采环境感知的基本内容二、煤矿开采环境智能感知体系通过本系统：1.可以实时掌握巷道围岩与采场顶板状态及其他工况环境煤矿安全状态监测，实现对煤矿安全事故的预测预警；2.为巷道围岩及采场顶板的稳定程度、环境灾害危险性和机电设备安全性评估提供科学依据；3.有效解决智能工作面液压支架姿态协同控制、采煤机精准定位、刮板输送机直线度监测等关键技术问题。二、煤矿开采环境智能感知体系二、煤矿开采环境智能感知体系2.2煤矿开采环境的四个感知体系2.2.1井下人员信息感知

（1）监测查询；（2）双卡考勤；（3）安全保障；

（4）遇险救灾指引；（5）信息联网。2.2.2井下设备工况感知

目前通过采用井下设备感知系统，可实时采集机电设备运行参数，结合日常设备巡检记录，对设备全生命周期动态管理，实现设备预防性维护，使设备管理及维检人员及时准确地掌握设备运行状况。二、煤矿开采环境智能感知体系分类主要设备主要监测参数开采设备采煤机开停状态、位置、电压、电流、牵引速度、左右滚筒高度、温度、累计运行时间、方向液压支架支架高度、前后柱压力刮板输送机开机率、温度、开停状态破碎机开停状态、负荷、温度、运行时间、电压、电流、转速及转矩转载机开停状态、负荷、温度、运行时间、电压、电流、转速及转矩掘进设备掘进机、连采机、锚杆机开停状态、故障、开关电压、电流、功率因数、运行时间、油缸油压、油缸位移、截割电动机工作时间煤矿机电设备部分监测参数二、煤矿开采环境智能感知体系煤矿机电设备部分监测参数分类主要设备主要监测参数供电设备高低压配电柜、移动变电站、高低压动力开关电压、电流、电量、有功功率、无功功率运输设备主提升机、副提升机钩数、质量、运行时间、提升速度、开停状态带式输送机运煤量、开停状态、故障状态、保护信号、运行速度、张力、温度、电流、电压辅助运输设备载人（货）信息、车辆信息、速度、运行轨迹二、煤矿开采环境智能感知体系煤矿机电设备部分监测参数分类主要设备主要监测参数通风设备主要通风机负压、风量、电压、电流、振动、轴承温度、绕组温度、转速压风机开停状态、风量、压力、电压、电流局部通风机开停状态、电压、电流排水设备水泵运行时间、运行台数、排水量、电流、电压、功率、功率因数、出口压力、流量、电动闸阀工作状态与启闭位置、电动机温度保护信号、电动机内腔贫水保护信号、动静态绝缘监测保护信号二、煤矿开采环境智能感知体系2.2.3井下生产状态感知与传感网络

与美国、澳大利亚和波兰等采矿国家相比，我国煤矿开采主要呈现两大特征：第一，大部分矿井煤层的赋存条件复杂多样，灾害发生率较高且严重，安全威胁大；第二煤矿开采90%以上的煤矿开采依靠井工开采，生产过程包括巷道掘进、煤层开采、煤炭运输、主/副井提升等；设备包括掘进机、采煤机、皮带运输机、提升机等；环境包括工作面生产环境、井下通风环境、通信环境、供电环境等，需要被感知的对象非常众多，矿山综合监控网络平台需要构建一个完善的井下生产状态感知平台。

二、煤矿开采环境智能感知体系井下生产状态传感网络设计示意图井下无线设备覆盖示意图

井下生产状态感知需要利用煤矿井下/井上传感网络进行数据采集传输，目前利用较多的传感方式为有线或无线传感网络，本书以无线传感网络为例进行阐述。无线传感器网络是一种自组织网络，集数据采集、处理和通信于一体，传感器负责采集、处理并压缩数据，使用多跳路由协议将数据信息发送到无线基站网关。二、煤矿开采环境智能感知体系2.2.4煤矿安全风险感知与分级管理（1）瓦斯爆炸；（2）煤尘爆炸；（3）煤自然发火；（4）矿井透水；（5）矿工心理状态。二、煤矿开采环境智能感知体系事故名称造成生命、财产损失2019年2月23日，内蒙古银漫矿业公司重大运输安全事故。造成22人死亡、28人受伤，经济损失尚未统计出。2019年1月12日，神木市百吉矿业李家沟煤矿重大煤尘爆炸事故。造成21人死亡，经济损失尚未统计出。2017年11月11日，辽宁省沈阳焦煤股份有限公司红阳三矿重大顶板事故。造成10人死亡、1人轻伤，直接经济损失1456.6万元。2017年1月17日，山西中煤担水沟煤业有限公司重大顶板事故。造成10人死亡，直接经济损失1517.46万元。2016年12月3日，内蒙古赤峰宝马矿业有限责任公司特别重大瓦斯爆炸事故。造成32人死亡、20人受伤，直接经济损失4399万元。2016年10月31日，重庆市永川区金山沟煤业有限责任公司特别重大瓦斯爆炸事故。造成33人死亡、1人受伤，直接经济损失3682.22万元。2015年4月19日，山西同煤集团姜家湾煤矿重大透水事故。造成21人死亡、3人受伤，直接经济损失1724万元。二、煤矿开采环境智能感知体系（1）瓦斯爆炸；矿井中能爆炸的气体有CH4、H2、C2、H6、H2S、SO2及CO等几种。其中，以瓦斯的含量最多，约占90%以上。瓦斯的含量是关系矿井能否发生瓦斯爆炸的决定因素。矿井中产生瓦斯有以下4个来源：1）从采落下来的煤炭内放散出来的；2）采掘工作面的煤壁内涌出来的；3）从煤巷两帮及顶底板涌出来的；4）从采空区的浮煤涌出来的。二、煤矿开采环境智能感知体系煤矿的采、掘、运等生产工艺过程中，均会产生大量粉尘，其粒径小于1mm。大多数煤尘在一定条件下都能引燃，并能产生猛烈爆炸破坏，其爆炸原因是：1）煤变成粉末后，与空气中氧的接触面积大大增加；2）煤尘受热后，能放出大量可燃气体，这些气体遇到高温时容易燃烧和爆炸。煤尘爆炸过程具有很大的破坏力，可摧毁巷道、设施、设备，也会将巷道壁上的煤尘吹起参与爆炸，造成连续性爆炸。（2）煤尘爆炸；二、煤矿开采环境智能感知体系井下火灾有2大类：一类是煤层自然发火，即煤本身自燃而造成的火灾；另一类是普通火灾，即由于外部火源，如电气火花、爆破、吸烟或使用明火等引起井下坑木梢枝或煤炭着火而造成的火灾。煤氧化发热，加上硫、磷、硫化铁和一定的水分作用，更能促长其发热自燃。在这个时期以后，二氧化碳增多，并有一氧化碳出现，这就是快要着火的象征。（3）煤自然发火；二、煤矿开采环境智能感知体系引起矿井水灾的决定性因素有3个：水源、涌水通道、聚集和排水条件。水源有地表水和地下水，其中地表水指河流、湖泊、水库、池沼等；地下水则是指层间水、构造裂隙水、溶洞、老窑积水等。涌水通道是指有构造断裂带、导水陷落柱及裂隙、封闭不好勘探的导水钻孔等；聚集和排水条件是指排水系统的完善程度和能力的大小。（4）矿井透水；二、煤矿开采环境智能感知体系从历年来所发生的事故来看，多数事故是由于客观和主观因素同时产生作用而发生的。在这些事故中，主观因素是起主导作用的。如果人们对安全生产有科学的态度，正确的认识，积极的措施，那么，安全生产中客观上的不利因素是可以转化的，绝大多数事故是可以避免的。在煤矿生产中，导致事故的主观原因是源于某些不良心理。这些不良的心理状态使煤矿工人有意识的进行可能带来危险的操作或指挥。比如我们常常提到的侥幸心理、麻痹型心理、懒惰型心理等。（5）矿工心理状态。二、煤矿开采环境智能感知体系

为了明确表征煤矿安全程度，需要确定评价等级的分级方法和分级标准。根据煤矿安全现状综合评价得到安全评价值，把评价结果转变为安全等级，这样我们才能确认煤矿现在是安全的（即安全程度），还是不安全的（即危险程度）。我们建议，参照危险源划分办法，其它行业划分等级的方法及煤炭行业的实际情况，煤矿安全评价的等级依据专家对评价结果的打分统一划分为4个等级即A、B、C、D。1）A级矿井得分在85～100分之间为安全矿井，该类矿井基本无安全事故，属于无危险的矿井；2）B级矿井得分在75～85分之间为基本安全矿井，该类矿井无大事故，属于危险较小的矿井；3）C级矿井的得分在60～75分之间，这类矿井为安全较差矿井，该类矿井易发生大事故，属于危险很大的矿井，需要停业整顿；4）D级矿井的得分在<60分，这类矿井为不安全矿井，该类矿井易发生重特大事故，属于非常危险的矿井，必须关闭。（1）物联网互联网从简单的联系平台一步步的演变成浏览平台、交互平台和工作平台。当前，这一功能强大的互联网将要成为实现一种人与人、人与物、物与物的相互交融的网络平台。这种经互联网发展形成的新型网络就是物联网。

2.3.1煤矿开采环境感知物联网基本知识2.3煤矿开采环境感知物联网系统二、煤矿开采环境智能感知体系二、煤矿开采环境智能感知体系

4.1

通过各种传感器的联网，物联网可以实现物与物、物与人、人与人之间的信息获取、传递、储存、认知、分析和使用。物联网划分环节信息的全面感知信息的可靠传达信息的智能处理信息的综合应用二、煤矿开采环境智能感知体系

然而，目前关于物联网的认识还有很多误区，这也直接影响我们理解物联网对煤矿物联网发展的影响。误区之一，把传感网或RFID网等同于物联网传感技术、RFID技术，都仅仅是信息采集技术之一。除传感技术和RFID技术外，GPS、视频识别、红外、激光、扫描等所有能够实现自动识别与物物通信的技术都可以成为物联网的信息采集技术。因此，传感网或者RFID网只是物联网的一种应用，但绝不是物联网的全部。二、煤矿开采环境智能感知体系误区之二，把物联网当成互联网向物无限延伸，实现全部物互连与共享信息的“物物互联平台”物联网并不是简单地将互联网无限延伸。今后的物联网与互联网会很大不同，只有明确应用，类似智慧物流、智能交通、智能电网、智能小区等具有明确应用目标的才是最大的应用空间。现实中没必要也不可能使全部物品联网；现实中没必要使专业物联网、局域物联网都必须连接到全球互联网共享平台；二、煤矿开采环境智能感知体系误区之三是认为物联网是空中楼阁，是目前很难实现的技术事实上物联网是实实在在的，很多初级的物联网应用早就在为我们服务着。物联网理念就是在很多现实应用基础上推出的聚合型集成的创新，是对早就存在的具有物物互联的网络化、智能化、自动化系统的概括与提升，它从更高的角度升级了我们的认识。二、煤矿开采环境智能感知体系误区之四是把物联网当成个筐，什么都往里装，基于自身认识，把仅仅能够互动、通信的产品都当成物联网应用如：仅仅嵌入了传感器，就成为了所谓的物联网家电；贴上了RFID标签，就成了物联网应用等。二、煤矿开采环境智能感知体系（2）矿山物联网

矿山物联网是基于矿山建设和生产的应用目的而提出的特定矿山产业的物联网。矿山物联网是将采矿技术及矿物加工技术同感知技术、传输技术、信息技术、控制技术、智能技术、信息管理技术等相结合，构成矿山人与人、人与物、物与物相联的互联网络，具体来说是包括矿工、矿井设备以及矿井环境等信息在内的可感知互联网络，实现高效、安全、绿色的矿山开采，实现矿山工业的可持续发展。

目前，专家学者提出的自动化矿井、信息化矿山、智能矿山、数字矿山、矿山综合自动化、矿山管控一体化等都是矿山信息化的概念，而矿山物联网提出“感知矿山”，是对矿山信息化所有概念提法的综合与升华。二、煤矿开采环境智能感知体系矿山物联网提出的“感知矿山”通过各种感知手段，实现对矿山整体的综合监控监测，实现井下数字化、智能化和可视化。二、煤矿开采环境智能感知体系矿山物联网基本特征矿山物联网的特征，就是其不同于综合自动化系统以及不同于地面物联网应用系统的地方。目前物联网的应用还处在早期应用阶段，早期应用的典型特征就是功能单一、网络独立、数据私有、缺乏规范和标准。而感知矿山总体设计要求将所有这些子系统均作为矿山物联网的内容，纳入统一网络进行监测、控制与管理，实现全面的物联网矿山。显然，这与地面单一功能的物联网系统等存在明显的差异。感知层综合业务服务移动代理与服务发现动态与静态兼容统一的数据描述方法矿山物联网基本特征统一的数据仓库平台矿山物联网的整体构架取决于系统应用的具体传输技术以及异构网络的复杂性，矿山物联网的主干网基本都依托于目前矿山现有的通信网络。感知矿山物联网同其他地面物联网类的网络结构相同，均是由感知层、网络层和应用层组成。矿山物联网基本架构感知矿山物联网基本架构二、煤矿开采环境智能感知体系（1）感知层：包括嵌入式智能设备、传感器设备，用来采集环境信息、位置信息、音频信息等。（2）网络层：完成大范围内的信息传递，主要借助光纤环网、无线网络、互联网等把感知层采集到的数据传递给应用层或者实现音频信息的双向传递，主要起到一个通讯支撑的作用。（3）应用层：主要是一些上层的应用软件，提供信息保存、通讯管理、生产调度的功能，是一个用户交互接口和信息交融平台。二、煤矿开采环境智能感知体系二、煤矿开采环境智能感知体系矿山物联网发展趋势发展趋势由单一目标监测向多维度感知发展①监控数据由井下分散采集、井上集中处理反馈向现场就地分析、决策、执行转变③过程数据处理方法由传统的预置处理流程向事件关联智能分析、自主决策转变②

矿山物联网与大数据融合要求新型信息处理方式的发展。近年来，矿山领域围绕信息化、智能化方面展开了大量的理论和应用研究，泛在传感感知与人工智能相结合，使矿山生产在智能决策、设备故障诊断、精确开采等方面得到新的发展机会和突破。

（１）更高的容量需求。

（２）网络自动布置与管理。

（３）密集接入能力。

（４）实时性与确定性。二、煤矿开采环境智能感知体系（５）动态接入与安全识别能力。（６）动态的端到端QoS（QualityofService，服务质量）保障。（７）灾后应急通信能力。这些信息处理、应用方式的转变，使矿山感知数据体量飞速增长、挖掘深度加大、交互更加密集，要求矿山网络在多方面进一步发展，具体表现在以下７个方面。感知矿山物联网的感知层包括数据采集技术与接入技术2个子层。感知层中的接入技术主要是为各种分布式、移动传感器、RFID以及其它生产与安全设备提供接入主干网的环境，主要分为有线接入和无线接入2种方式。

二、煤矿开采环境智能感知体系矿山物联网感知层数据采集接入技术2.3.2矿山物联网系统的关键技术子系统接入方式分布式接入方式二、煤矿开采环境智能感知体系4.2目前，煤矿井下无线信道有移动通信的Wi-Fi网络、WSN网络、人员定位的RFID网络等。以下对这些网络存在的问题进行了较为详细的阐述。覆盖区域有限，只实现了局部地区的覆盖，存在监测盲点，不利于安全与减灾信息的监测信道容量低，不利于多种信息的宽带综合应用种类单一、重复建设,不能形成一个统一的感知网络，这不符合物联网统一应用的要求此外，构建真正符合井下需求的无线覆盖网络需要开发新型的无线系统，现有的短距离无线组网方式均不能适应煤矿井下长距离、多跳、宽带、自组网、低功耗的要求。无线通信技术近几年发展的非常的快速，目前处在繁荣时期，它在市场中得到了广泛的应用，需求在不断加大。它快速融入到了人们的生活中和工商业等领域，已经成为了许多人日常生活中不能缺少的一部分。它的应用领域有很多，如无线遥控遥感、广播电视、移动通信和智能家居设备等等。以下对常用的几种无线技术进行简单介绍：二、煤矿开采环境智能感知体系矿山物联网网络层网络传输技术（1）蓝牙技术（Bluetooth）该技术是一种短距离的无线通信技术，为了使便携式设备或固定电子设备使用起来更加的灵活方便，运用无线的方式来替代它们上面使用的电缆或者连接线。（2）Wi-FiWi-Fi全称为WirelessFidelity，直译为无线保真技术，是现阶段比较流行的一种无线通信技术，可作为以太网的无线扩展，其工作频段也是2.4Ghz。其主要特性为是不仅传输速度很快，而且可靠性能也较高，能够灵活方便的与现有的有线互联网进行整合，架设网络的成本比较低。二、煤矿开采环境智能感知体系（3）IrDAIrDA，即红外技术，它的无线通信原理是利用红外线。目前红外线技术在掌上电脑、照相机、打印机和遥控器等很多便携式设备方面得到了较为广泛的使用。但是，红外技术存在很多局限，比如传输距离短，通信时对方向要求较高，因此其在网络容量和应用范围上具有很大程度的限制。（4）RFIDRFID（RadioFrequencyIdentification，无线射频识别）是一种非接触式的自动识别技术。最简单的RFID系统由电子标签、阅读器和天线3部分组成。RFID技术在人员识别、设备跟踪、高速收费、仓库管理、汽车防盗、防伪、物流管理、生产线追踪等领域都具有较好应用前景。二、煤矿开采环境智能感知体系二、煤矿开采环境智能感知体系（5）ZigbeeZigbee技术基于IEEE802.15.4标准，它并不是一个完全全新的标准。它的物理层、MAC层和链路层是由IEEE802.15.4协议规定的。Zigbee技术的特点突出，主要表现为低功耗、低成本、低速率、近距离、短时延、高容量以及协议简单、安全性高等。Ｍ2Ｍ是指通过各种无线通讯技术，将机器、人组成一个巨大的网络，通过这个网络实现各种应用。M2M平台作为物联网的一部分，为物联网提供设备的接入管理和数据存储访问服务。矿山物联网M2M平台结构矿山物联网应用层数据M2M平台二、煤矿开采环境智能感知体系各层主要功能为：感知接入层：为各种传感器、执行器及子系统提供接入服务，包括无线和有线接入。数据通信层：实现各种数据在网络上的双向传输以及数据接口、网络化操作系统等。数据采集层：包括数据库、数据应用接口服务、数据中间件等。应用平台层：建立各种应用模块，如各种报表、数据趋势分析、音视与数据互动、应用平台软件接口等。人机接口：为各种应用提供模块化编程方式。用户权限管理：实现对用户、用户组以及程序模块(资源)的统一管理，为“应用框架”和网站查询提供服务。二、煤矿开采环境智能感知体系二、煤矿开采环境智能感知体系2.4煤炭开采环境感知应用案例12.4.1工程概况

寺家庄矿隶属于阳泉煤业（集团）有限责任公司，位于昔阳县境内，其工业场地在县城西南约7km处。昔阳县城距阳泉市约30km，该矿井设计能力为6Mt/年，寺家庄矿的地理区位如图所示。二、煤矿开采环境智能感知体系15106工作面采用走向长壁方式布置，设计长度1820m，可采长度1530m，工作面长度286m，可采储量385亿吨，地面标高937.3~1098.1m，工作面标高为530~590m。工作面总体为东高西低的单斜构造，整体盖山厚度410~510m，倾角范围为1~12°，平均倾角为6.5°，平均煤层厚度为5.5m。其东西两侧分别与15108工作面以及15104工作面（两工作面均已采完）相邻，为孤岛工作面，15106工作面布置图如图所示二、煤矿开采环境智能感知体系

2.4.2感知系统安装（1）工程试验内容锚固岩体状态光纤光栅感知系统的试验内容为光纤光栅自感应锚杆、裂隙发育与锚固岩体收敛形态感知系统，试验内容见表，锚固岩体感知系统现场安装如图所示。序号内容传感系统1锚固界面力学状态锚杆形态光纤光栅自感应锚杆2裂隙发育光纤光栅位移传感器3锚固岩体收敛特征锚固岩体收敛感知子系统二、煤矿开采环境智能感知体系2.4.3试验数据分析巷道顶板中心位置锚杆力学状态的可视化输出锚杆设计锚固长度800mm，光纤光栅自感应锚杆在锚固区范围内封装6个FBG，距离锚固端头分别为100、200、300、400、500、600mm，监测显示锚杆锚固区内锚杆轴向载荷在距离载荷端一侧增长迅速。鉴于600mm光纤光栅的锚杆轴力感知量与自由段监测的锚杆轴力相当，有理由认为锚杆锚固长度未达到设计要求或锚固剂-围岩粘结失效，需排查原因并加以整改。二、煤矿开采环境智能感知体系2.4.3试验数据分析巷道左肩角锚杆力学状态的可视化输出锚杆自由段的轴向载荷约为65kN，锚固段附近靠近载荷端的轴向力增长迅速，说明该处的锚固界面粘结良好，未发生脱黏失效。通过内置的神经网络算法，系统判断约在距离锚固端头800mm位置锚杆产生了46mm的弯曲变形，究其原因可能为该处位于锚固段与自由端的交界点，锚杆受横向剪切应力导致弯曲变形。同时，锚杆1000mm位置处光纤光栅阵列的锚杆轴向力输出值大于其他两个感知截面，有可能是因为受该处弯曲变形影响，产生了测量误差。二、煤矿开采环境智能感知体系2.4.3试验数据分析巷道收敛形态的可视化输出在长度为5m的巷道顶板均匀布置25个FBG，间隔为200mm，形态重构的坐标递推起始点为巷道顶板的中间位置（图中2300mm位置）。形态重构结果显示巷道顶板总体收敛量不大，仅有右肩角产生了约15mm的下沉。因光纤光栅阵列安装于W型钢带内侧，受钢带施加的压应力影响，在整个格栅长度范围内产生了测量误差，表现为巷道重构后的形态曲线出现无规律性的突变。二、煤矿开采环境智能感知体系2.4煤炭开采环境感知应用案例2矿山物联网在开采环境感知中的应用：基于物联网的煤矿机电设备智能管理平台，可实时采集机电设备运行参数，结合日常设备巡检记录，对设备全生命周期动态管理，实现设备预防性维护，使设备管理及维检人员及时准确地掌握设备运行状况。基于物联网的煤矿机电设备智能管理平台总体架构如图所示。

基于物联网的煤矿机电设备智能管理平台架构井下设备感知系统利用物联网编码规则对煤矿机电设备、传感器监测点进行唯一性编码管理，建立各机电设备之间、各传感器监测点之间的关联关系，实时展示机电设备主要运行参数，为机电设备管理提供辅助决策。平台功能架构如下图所示。

基于物联网的煤矿机电设备智能管理平台功能架构二、煤矿开采环境智能感知体系

谢谢《开采环境智能感知》目录

一声发射传感基本知识声发射信号处理分析方法

二声发射的试验应用实例

三第三章开采环境地球物理感知技术本章重点1、声发射基本概念2、声发射原理3、声发射信号特征参数4、声发射信号传播特性三、开采环境地球物理感知技术3.1声发射传感基本知识声发射概念声发射，是无损检测方法之一，材料中局域源快速释放能量产生瞬态弹性波的现象称为声发射(AcousticEmission,简称AE)，有时也称为应力波发射。MTS815.02电液伺服岩石试验系统AE21C声发射试验系统三、开采环境地球物理感知技术3.1声发射传感基本知识声发射源材料在应力作用下的变形与裂纹扩展，是结构失效的重要机制。这种直接与变形和断裂机制有关的源，被称为声发射源。二次声发射源流体泄漏、摩擦、撞击、燃烧等与变形和声发射断裂机制无直接关系的另一类弹性波源，被称为其它或二次声发射源。三、开采环境地球物理感知技术3.1声发射传感基本知识声发射技术大多数材料变形和断裂时有声发射发生，但许多材料的声发射信号强度很弱，人耳不能直接听见，需要藉助灵敏的电子仪器才能检测出来。用仪器探测、记录、分析声发射信号和利用声发射信号推断声发射源的技术称为声发射技术，人们将声发射仪器形象地称为材料的听诊器。压头设计三、开采环境地球物理感知技术3.1声发射传感基本知识声发射检测原理当结构受到外界的荷载作用时，结构的体积发生变化，结构也会发生断裂。两种破坏作用产生相应的应力波，应力波的振动方向可能与传播方向一致，也可能与传播方向垂直。相应的，发出两种波的位置就叫做声发射源。这两种波在结构中向四周传播，一部分波会达到实验中所用的传感器位置，形成人们所使用的检测信号，剩下的部分在结构中传播而损失掉。声发射检测原理图三、开采环境地球物理感知技术3.1声发射传感基本知识声发射信号特征参数声发射信号的发生频率、最大振幅、等效电压值、上升时间等参数体现了声发射特征常用参数：累计计数参数变化率参数统计参数声发射特征参数三、开采环境地球物理感知技术3.1声发射传感基本知识声发射信号传播特性当固体材料被压缩变形时，不仅会使外观变形，也会产生剪切变形，在这个过程中会产生两种波：纵波（压缩波）和横波（剪切波）。大部分声发射源会发出瞬时波，故瞬时的弹性波就是AE现象的本质，也可以说波信号是AE信号的本质。单轴压缩三轴压缩三、开采环境地球物理感知技术3.1声发射传感基本知识声发射信号传播特性从传播速度角度来说，纵波比横波快，所以会最早到达，所以纵波又叫做初至波（PrimaryWave），简称为Ｐ波，第２是横波到达，横波也被叫做续至波（SecondaryWave），简称为Ｓ波，最后到达接触面的波（简称为R波）。声发射波的传播三、开采环境地球物理感知技术3.1声发射传感基本知识声发射信号传播特性声发射波在其介质内部传播过程中都要发生能量的损失，即波的振幅衰减，因为介质、传播条件和波形的因素，有着不同的衰减规律。声波的衰减形式扩散衰减散射衰减吸收衰减3.1声发射传感基本知识声发射传感检测技术的特点三、开采环境地球物理感知技术预防未知缺陷引起的系统失效缩短检验的停产时间对环境适应性强技术优点对线性缺陷较为敏感获取连续信息能够对整体结构进行评价动态检测可以检测多种类型构建3.2声发射信号处理分析方法声发射信号单参数分析方法三、开采环境地球物理感知技术含高瓦斯煤体吸附渗流实验系统计数分析法能量分析法幅度分析法煤炭开采大数据特征声发射计数能量计算幅度计算3.2声发射信号处理分析方法声发射信号参数经历分析方法三、开采环境地球物理感知技术声发射信号参数经历分析方法是通过对声发射信号参数随时间或外变量变化的情况进行分析，从而得到声发射源的活动情况和发展趋势。(1)声发射源的活动性评价(2)费利西蒂比和凯塞效应评价(4)起裂点测量(3)恒载声发射评价目的3.2声发射信号参数分布分析方法三、开采环境地球物理感知技术声发射信号处理分析方法声发射信号参数分布分析方法是将声发射信号撞击计数或事件计数按信号参数值进行统计分布分析。一般采用分布图进行分析，纵轴选择撞击计数或事件计数，而横轴可选择声发射信号的任一参数。声发射信号参数关联分析方法关联分析方法也是声发射信号分析中最常用的方法，对任意两个声发射信号的波形特征参数可以作它们之间的关联图进行分析，图中二维坐标轴各表示一个参数，每个显示点对应于一个声发射信号撞击或事件。通过作出不同参量两两之间的关联图，可以分析不同声发射源的特征，从而能起到鉴别声发射源的作用。3.3不同含水状态砂岩在剪切载荷作用下的声发射性能试验三、开采环境地球物理感知技术声发射传感检测技术的试验应用实例试验岩样选自某矿细砂岩，并加工成长、宽、高均为40mm的正方体试件，试件加工成形后，再使用Cw600，Cw800，Cw1200和Cw2000四级砂纸对试件表面进行分级打磨，使其各端面平整度误差控制在0.02mm以内。试验考虑了饱和度分别为0%，50%和100%三种不同含水状态。根据相关试验规范要求，3种典型含水状态下试件的具体处理方法如下：1)饱和度为0%：将试件置于105℃的烘箱内烘干48h；2)饱和度为50%：以饱和含水率为标准，将试件烘干后置于纯水中浸泡1h；3)饱和度为100%：将试件烘干后置于水中煮沸6h。试件制备不同含水状态砂岩在剪切载荷作用下的声发射性能试验三、开采环境地球物理感知技术PCI-2型声发射测试分析系统PCI-2型声发射测试分析系统3.3声发射传感检测技术的试验应用实例三、开采环境地球物理感知技术采用煤岩细观剪切试验装置开展剪切试验。剪切试验采用位移控制，其速率控制为0.02mm/min。同时，采用美国声学物理公司PAC(physicalacousticcorporation)生产的PCI-2型声发射测试分析系统采集岩石在剪切载荷作用下整个变形破坏过程中的声发射信号。试验过程3.3声发射传感检测技术的试验应用实例不同含水状态砂岩在剪切载荷作用下的声发射性能试验三、开采环境地球物理感知技术1）AE事件率随时间的演化规律在加载初期的压密阶段，随着剪应力的逐渐增加，除饱和度为50%产生很少的声发射信号，图中(a)和(c)都没有声发射事件产生；进入塑性变形阶段以后，砂岩内部裂纹逐渐萌生和扩展，AE事件率开始逐渐增大，但其增加的幅度并不大；随着剪应力进一步增加，AE事件率在剪应力峰值附近发生急剧变化，并在瞬间达到最大值；随着剪应力的迅速降低，AE事件率也随之骤减；在不同的含水状态下，剪应力下降后均有小幅度的上升或维持阶段出现后才继续下降。3.3声发射传感检测技术的试验应用实例三、开采环境地球物理感知技术2）累计AE事件数随时间的演化规律砂岩在孔隙裂隙压密阶段和弹性变形阶段，累计AE事件数均较小，说明在这2个阶段累积损伤较小；随着剪应力的逐渐增加，砂岩试件内部裂纹开始逐渐形成与扩展，累计AE事件数逐渐增多；当剪应力继续增加，在试件即将破坏之前，砂岩内部的裂纹迅速的扩展，而累计AE事件数就出现了骤增的现象；当剪应力迅速降低时，砂岩的损伤已相对较大，累计AE事件数进一步加剧，且在试件发生断裂破坏时达到最大值。3.3声发射传感检测技术的试验应用实例

谢谢《开采环境智能感知》目录

一光纤基本结构及传输理论光纤光栅传感原理与特征参数

二光纤光栅传感特性

三第四章开采环境光纤光栅感知技术光纤光栅传感关键理论及技术

四四、开采环境光纤光栅感知技术4.1光纤基本结构及传输理论光纤（光导纤维）是工作在光波波导的一种介质波导，因其具有数据容量大、耐久性好、传输快、价格低廉等优点，已经广泛应用于通信领域。光纤纤芯和包层是光纤的主体，对光波的传输起决定性作用，光纤的纤芯由纯石英（成分为SiO2）组成，光纤纤芯中含有少量的掺杂剂，如硼或锗，目的是为了提高光纤纤芯的折射率，形成全内反射条件下传导光波限制在光纤纤芯中，包层的折射率稍小于光纤纤芯的折射率，为光波在光纤中的全内反射提供条件。4.1.1光纤基本结构四、开采环境光纤光栅感知技术光波在光纤中的工作传输原理是基于光的全反射现象。当光波在纤芯内传输时，由于光纤纤芯折射率大于包层折射率，则当满足数值孔径要求的光束传输到纤芯和包层的光纤界面时，在光束入射角大于临界角情况下，入射光束将不发生折射，全部沿着光纤纤芯反射向前传播。光纤按传输模式分为单模光纤（纤芯中只传输一种模式的光波）和多模光纤（纤芯中传输多种模式的光波）。光纤能把以光波形式出现的电磁波能量利用全内反射的原理将其约束限制在光纤纤芯内，并引导光波沿着光纤轴线的方向向前传播。四、开采环境光纤光栅感知技术4.1.2光纤光栅耦合模理论耦合模理论是由Yariv应用于光波导分析而开发出来的，后经Mizrahi和Erdogan等学者的改进，将其成功地应用于FBG的理论分析。四、开采环境光纤光栅感知技术四、开采环境光纤光栅感知技术四、开采环境光纤光栅感知技术四、开采环境光纤光栅感知技术四、开采环境光纤光栅感知技术四、开采环境光纤光栅感知技术4.1.3光纤光栅传输矩阵理论在光纤光栅的实际测量中，往往会处于非均匀的应变场，而且，为了实现某种功能，也会采用周期不均匀的光纤光栅。对于此类光纤光栅，原本均匀一致的周期和相位将不复存在，导致耦合模方程不再是常系数一阶微分方程，使得求解更加复杂，很难直接求出解析解。问题Yamada提出了传输矩阵法将一个均匀或非均匀周期的布拉格光纤光栅看成是由一系列小的均匀周期的布拉格光纤光栅串联而成，这样，只要将每一小段的均匀周期光纤光栅的传输矩阵相乘，即可以得到整个布拉格光纤光栅的传输矩阵，所以非常适用于非均匀周期的光纤光栅或均匀的光纤布拉格光栅受非均匀应力应变作用等情况。四、开采环境光纤光栅感知技术将长度为L的非均匀周期光纤光栅或多周期的均匀光纤光栅近似地看做由m段均匀的周期光纤光栅的串联叠加而成，每一段光纤光栅传输特性用一个2×2的传输矩阵表示。由耦合模理论可以得到每小段光纤光栅的耦合模方程解析解，然后将各个传输矩阵一次相乘就是光纤光栅的传输光谱，利用传输矩阵理论分析方法为非均匀光纤光栅及均匀周期光纤光栅受非均匀应力应变作用下的光谱传输特性提供理论依据。coupled

mode

theorycoupled

mode

theory四、开采环境光纤光栅感知技术四、开采环境光纤光栅感知技术四、开采环境光纤光栅感知技术参数取值/m-1参数取值/m-1b0.01b0.1b0.03b-0.06b0.06b-0.1

应变函数参量b的取值方案非均匀应变的光纤光栅反射图谱四、开采环境光纤光栅感知技术4.2光纤光栅传感原理与特征参数光纤光栅制作和写入技术有：相位掩模板技术、全息成栅技术、振幅掩模技术、在线写入技术和逐点写入技术等。4.2.1光纤光栅制作通过压制紫外光束的衍射光，有效利用±l阶衍射光束通过相位掩模板形成的空间干涉条纹照射掺锗的光纤，光纤纤芯经过一定时间的照射后，纤芯内的折射率便会发生永久性的改变，形成了永久性的周期性折射率调制四、开采环境光纤光栅感知技术4.2.2光纤光栅传感原理光纤光栅结构及传感原理图，(a)光纤束，(b)光纤横截面，(c)光纤光栅结构，(d)光纤光栅传感原理四、开采环境光纤光栅感知技术光纤布拉格光栅反射波长的基本关系式为：其中：为光纤布拉格光栅反射后的中心峰值波长，通常在1510~1590nm；为光纤传播时纤芯的有效折射率通常取1.33~1.55；为相邻光栅之间的栅距，称作光纤光栅周期。四、开采环境光纤光栅感知技术4.2.3光纤光栅主要特征参数

在进行光纤光栅传感器设计研制时，光纤光栅是决定传感器性能优良的重要环节，可以通过其主要特征参数进行评价。名称单位参数中心波长nm1510~1590光栅长度mm10反射率%≥90反射带宽nm≤0.3边模抑制比dB≥15光栅阵列波长间隔nm5四、开采环境光纤光栅感知技术4.3光纤光栅传感特性4.3.1光纤光栅应变传感特性

目前各种光纤光栅传感器基本上都是通过被测量来直接或间接改变光纤光栅反射中心波长，达到被测物理量感测的目的。光纤光栅解调仪

研究光纤布拉格光栅的应变感知模型及传感特性、温度感知模型及传感特性、应变感知的温度补偿以及应变-温度交叉敏感耦合效应等是研究开发光纤布拉格光栅传感器的基础。直接间接中心波长物理量四、开采环境光纤光栅感知技术

当温度保持恒定时，光纤光栅只受到轴向应力应变情况下，中心波长将会跟着发生漂移变化，研究光纤光栅应变感知特性之前，做如下假设：（1）在研究的应力应变范围内，假定光纤光栅看作为理想的弹性体，遵循胡克定律，且在其内部不发生剪切应力应变；（2）假定折射率变化在光纤光栅横截面均匀分布，且这种折射率变化对光纤本身材料特性及各向同性特点不产生影响。

基于以上两点假设，建立光纤布拉格光栅的应力应变感知模型四、开采环境光纤光栅感知技术四、开采环境光纤光栅感知技术四、开采环境光纤光栅感知技术中心波长取1550nm，光栅长度为10mm，光栅周期为527.9nm，轴向应变分别为2000με、1000με、0με、-1000με、-2000με时的反射光谱从图中可以看出对于均匀周期光纤光栅，在其受静态应变时，光纤光栅的反射光谱只是整体波长发生偏移，而其光谱形状并不发生改变。四、开采环境光纤光栅感知技术光纤光栅中心波长（nm）每微应变下波长变化（pm）15401.201215451.205115501.20915551.212915601.216815651.2207取中心波长为1540nm、1545nm、1550nm、1555nm、1560nm、1565nm，可计算得每微应变导致的波长变化

可见，对于1550nm的光波波段，单位微应变导致的反射中心波长变化约为1.2pm，即光纤光栅应变灵敏度为1.2pm/με。中心波长变化不大时，光纤光栅应变灵敏度相差不大，但是由于实际应用中采用的光纤不同、写入光栅的工艺方法不同以及退火工艺的差别，导致不同光纤光栅的传感灵敏度会有差异，因此不同的光纤光栅必须经过标定才能用作实际测量。四、开采环境光纤光栅感知技术4.3.2光纤光栅温度传感特性

当光纤光栅处于不受外力作用的自由状态时，如果温度发生改变，光纤自身材料如热光效应、热膨胀效应会引起光纤光栅反射中心波长发生漂移。光纤材料的热光效应使光纤光栅的折射率发生改变，热膨胀效应会使光栅的周期发生改变。为了得到光纤光栅温度感知特性，作以下假设：（1）假定光纤光栅处于均匀的温度场中，不考虑光栅不同位置的温差效应，同样忽略光纤光栅不同位置温差引起的热应力效应；（2）假定光纤光栅处于光纤材料的线性热膨胀范围，不考虑温度的变化对热膨胀系数的影响，即认为在测量范围内的热膨胀系数保持不变；（3）假定光纤光栅反射中心波长在其波长变化范围内，光纤材料的热光系数保持不变。四、开采环境光纤光栅感知技术四、开采环境光纤光栅感知技术

可以看出当光纤光栅材料确立之后，光纤光栅对温度的灵敏度系数基本上是一个常数，这就从理论上保证了采用光纤光栅作为温度传感器进行温度感知测量时可以得到很好的线性输出。四、开采环境光纤光栅感知技术光纤光栅中心波长（nm）每单位温度波长变化（pm）154011.627154511.665155011.701155511.74156011.778156511.816可见，对于1550nm的光波波段，单位温度变化导致的光纤光栅反射中心波长变化约为11.7pm，即光纤光栅温度灵敏度为11.7pm/℃。中心波长变化不大时，光纤光栅温度灵敏度相差不大。四、开采环境光纤光栅感知技术4.3.3光纤光栅应变-温度交叉传感特性

根据以上的分析，光纤光栅是一种对应变和温度都同时敏感的传感元件，仅测量单个的光纤光栅中心波长漂移量，很难区别出应变和温度分别造成的波长变化，由前两节的应变和温度感知模型分析可知，对于中心波长在1550nm的波段，其应变灵敏度约为1.2pm/με，温度灵敏度约为11.7pm/℃，温度灵敏度相当于应变灵敏度的10倍，因此当温度变化较大的环境中使用光纤光栅做传感器件必须考虑温度的影响，需要剔除应变-温度耦合感知的作用，否则会因为温度变化导致测量精度的不准确。应变单独引起的波长漂移为：

通过公式就可以实现温度的补偿，另外，在同一个温度场中，可以使用一个光纤光栅温度传感器实现多个光纤光栅应变的温度补偿，进而消除应变-温度耦合感知效应。四、开采环境光纤光栅感知技术4.3.4光纤光栅准分布式传感特性光纤光栅准分布感知模型四、开采环境光纤光栅感知技术4.4光纤光栅传感关键理论及技术4.4.1光纤光栅应变传递机制目前传感用的光纤光栅多为石英光纤写入制作，其主要成分为二氧化硅，是一种脆性材料，而且光纤光栅纤细、易损、脆弱，抗剪切能力较差，直接应用的存活率极低，因此在实际工程应用中必须涂覆封装成光纤光栅传感器，将光纤光栅传感器安装被测基体上，从而获取被测基体的应力应变信息。四、开采环境光纤光栅感知技术

光纤光栅传感器感应到的应变是基体通过封装材料传递给传感元件的应变，使光纤光栅和基体之间形成一个涂覆层和粘结层，其物理力学特性与光纤光栅存在较大差异，以致光纤光栅传感器的测量应变和被测基体的真实应变不一致，二者之间的差别也就是光纤光栅感知测量误差，误差主要来源有基体材料、封装材料以及感知元件之间的应变传递。四、开采环境光纤光栅感知技术4.4.1.1应变传递模型及基本假定基体表贴光纤光栅感知传递模型：(a)三维模型，(b)俯视图，(c)正视图，(d)侧视图四、开采环境光纤光栅感知技术（1）假设光纤的纤芯和包层这两个具有相同的物理力学特性和材料属性，并将两者看作一个整体。实际上这两者力学特性会有不同，如光纤纤芯的折射率较大，而且由于在光纤纤芯内要进行激光写入光栅，但这些对纤芯的物理力学特性改变不大。为了本论文力学推导的方便，将纤芯和包层看作为一个整体。（2）基体结构、胶结层、光纤纤芯和光纤包层物理性质上都为均匀各向同性，且都处于线弹性范围状态，不考虑塑性变形状态。四、开采环境光纤光栅感知技术（3）基体结构与胶结层、胶结层与光纤的接触面之间保持完整的接触面，保证各层之间结合紧密，没有相对滑移甚至脱落。（4）整个模型只有基体结构受沿光纤轴向方向的均匀应变，不考虑径向应变，胶结层和光纤的两端和自由面不直接受力，都是通过层间的剪应力应变进行传递。（5）各层内的剪切应力应变线性分布，且各层同步变形，具有相同的应变梯度。（6）胶结层受力作用之后后同样反作用于基体结构。（7）不考虑环境温度、湿度效应的影响。四、开采环境光纤光栅感知技术4.4.1.2应变传递理论分析

将光纤光栅粘贴于基体结构表面时，作为传感元件，粘贴式光纤光栅本身并未受到外力的作用，基体材料的变形通过粘接剂传递到光纤光栅传感元件，使其产生伸长或缩短，进而导致光纤光栅传感元件的反射光波长发生改变。而实际上，光纤感知到的应变为胶结层内表面的应变，与实际的基体结构应变并不相同。因此，为了搞清楚实际的基体结构应变，需要对基体结构、胶结层和光纤三者之间力学关系进行详细分析。四、开采环境光纤光栅感知技术四、开采环境光纤光栅感知技术四、开采环境光纤光栅感知技术四、开采环境光纤光栅感知技术四、开采环境光纤光栅感知技术四、开采环境光纤光栅感知技术四、开采环境光纤光栅感知技术

由图可以看出，由于胶结层的存在，使基体的应变和光纤的应变不相同，在基体结构表面粘贴长度范围内，感知传递最大的部位在中间位置（x=0的点）。

通过上述分析可知，基体结构表面粘贴光纤光栅时，光纤光栅感知的轴向应变并不是均匀分布的，而沿轴向方向呈现中间大、两边小的“倒盆形”分布规律。四、开采环境光纤光栅感知技术

在基体表贴光纤光栅的实际感知测量时，沿粘贴长度方向每一点处的应变值不可能得到，而且光纤光栅所感知的应变是整个胶结长度有效范围内的平均应变值，因此必须求得基体结构与光纤光栅的平均应变感知传递率（平均应变感知传递因子），而平均应变感知传递率才是最能够反映出基体结构真实的变形状态。在整个胶结长度范围内光纤与基体结构之间的平均应变感知传递因子为：

由平均应变感知传递因子公式（7-76）可知，基体结构表面粘贴光纤光栅胶结长度范围内平均应变传递因子主要取决于胶结长度Lg和感知滞后因子k，而感知滞后因子由光纤、胶结层和基体的物理参数决定。四、开采环境光纤光栅感知技术4.4.1.3应变传递影响因素分析（1）胶结层长度（光纤粘贴长度）的影响

从图可以看出，随着胶结层长度的增加，基体结构表面粘贴光纤光栅的平均应变感知传递因子逐渐增大，传递效率达到95%以上，即表示应变感知传递变得更加充分，但变化幅度越来越平稳，即表示长度增加到一定程度后，传递效率趋于平稳，因此在实际的光纤光栅封装时，要尽可能的增加胶结长度来满足更高的应变感知传递效率。四、开采环境光纤光栅感知技术

但是在实际工程应用时，不可能一味的增加其长度，还要考虑过长会影响测量点的精准度，另外对于被测基体结构较小或者光纤光栅传感器的安装空间不大时，又希望光纤光栅传感器的长度尽可能小。为了兼顾上述两个方面，需要选择合适的胶结层长度，据此提出基体结构表贴光纤光栅的有效感知长度（EffectiveSeningLength，ESL），定义光纤光栅传感器在至少一半的粘接长度范围内，应变感知传递因子不小于90%的粘贴长度为有效感知长度。在此范围内，基体结构的应变能够得到充分的感知传递，即(7-77)由上式可解得表贴光纤光栅的有效感知长度为：

(7-78)四、开采环境光纤光栅感知技术（2）胶结层宽度的影响

从图可以看出，随着胶结层宽度的增加，平均应变感知传递因子逐渐增大，传递效率能够达到92%以上，但变化幅度并不大，说明胶结层宽度对平均应变传递的影响不大，因此在实际的光纤光栅封装时，在保障光纤光栅-基体之间粘贴牢固情况下，可以适当增加胶结层宽度，但宽度过大会对传感器布置工艺及基体结构的应力场分布产生影响，综合考虑胶结层宽度一般取1~3mm，本文理论分析时取2mm。四、开采环境光纤光栅感知技术（3）胶结层厚度的影响从图可以看出，平均应变感知传递因子随胶结层厚度的增大而变小，即厚度越大，感知传递越不充分，因此在保证基体-光纤光栅牢固情况下，胶结层越薄应变传递感知越充分，综合考虑本论文选取胶结层厚度为1mm。四、开采环境光纤光栅感知技术（4）胶结层弹性模量的影响

从图中可以看出，胶结层弹性模量越大，平均应变感知传递因子越小，但从平均应变感知传递因子的变化范围来看，胶结层的弹性模量对传递效率的影响不大。（5）胶结层泊松比的影响

从图7-18可以看出，平均应变感知传递因子几乎不受泊松比的影响，因此在实际封装应用中可以忽略胶结层泊松比对应变感知传递效率的影响。四、开采环境光纤光栅感知技术（6）基体剪切模量的影响

从图可以看出，随着基体剪切模量（弹性模量）的增大，平均应变感知传递因子越高，但是变化幅度越来越趋于平稳，当剪切模量达到一定值（4GPa）之后，基体剪切模量对平均应变感知传递因子的影响可以不用考虑。因此当基体结构的剪切模量相对于光纤光栅传感器较高时，这种剪切模量的影响可以忽略，不过如果被测基体结构的剪切模量与光纤光栅传感器相接近或者更低时，这种影响将不能忽略，否则会给平均应变感知传递效率的计算带来很大的误差。四、开采环境光纤光栅感知技术

通过以上分析，胶结层的长度和厚度是影响光纤光栅平均应变感知传递的两个重要参数，这两者对应变传递影响的三维图如图所示