0.   引言

煤炭安全高效开采的发展方向和必然趋势是实现智能化，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、自动执行的煤矿智能化体系^[1]。智能感知是智能化开采的首要环节，获取煤矿开采过程中必要的基础信息，为智能决策与自动换行提供数据支持^[2]。由于煤矿井下开采环境复杂多变，感知设备的长期稳定性、抗腐蚀性、精度、可靠性等均面临严峻考验。

基于光纤传感技术开发的传感器具有体积小、造价低、本质安全、抗电磁干扰、灵敏度高、耐腐蚀等优点，被广泛应用于工程监测领域^[3]。Chen Ningning等^[4]基于NET技术和C/S架构，采用光纤光栅倾角传感器与光纤光栅压力传感器构建了液压支架姿态监测信息平台；A. Klar等^[5]在捕捉岩层变化的实验室试验装置中使用分布式光纤传感技术来量化锚杆对岩层的影响；柴敬等^[6]基于光纤传感技术构建了平硐围岩变形监测系统；李虎威等^[7]基于光纤光栅技术提出了围岩应力监测系统，实现了围岩应力的实时在线长期监测；朱鸿鹄等^[8]采用光纤光栅技术监测滑坡变形行为；李延河等^[9]基于弱光纤光栅传感技术监测围岩变形情况；刘统玉等^[10]研究了光纤传感技术在煤矿瓦斯监控、智能防火、安全监测预警等方面的典型应用；Song Yang等^[11]为提高刮板输送机光纤光栅曲率传感器的精度，提出了基于旋转误差角的精度补偿模型；张平松等^[12]采用光纤传感技术研究了煤层变形破坏过程中的应变参数；侯公羽等^[13]以锚杆、锚索为固定点布设光缆，根据顶板光纤的应变变化实现了对煤矿巷道顶板状态的分布式监测；Fang Xinqiu等^[14]提出了一种以光纤光栅传感为主、振弦式传感为辅的井壁变形与损伤多模式组合传感系统，实现了对井壁变形的监测；王德堂等^[15]设计了一种光纤光栅传感器，用于监测矿井提升机钢丝绳张力变化；Liang Minfu等^[16]建立了光纤光栅应变−压力转换模型，并采用膜片和悬臂梁作为压力传感器的传感单元，提高了测量灵敏度和精度。

光纤传感技术精度高、抗干扰能力强，经合理封装可达到很强的环境耐受能力，且组网复用方式灵活多样^[17]。笔者在提出无人工作面开采技术体系后^[18-19]，对光纤传感技术在煤矿开采中的应用进行了研究，从光纤传感技术基础原理和感知信息传感原理研究，到光纤光栅传感器开发，再到智能感知体系和决策平台搭建，相关研究成果已在全国40余座矿井应用。本文围绕上述3个方面，介绍光纤传感技术在煤矿井下开采信息智能感知方面的研究与应用，对推动煤矿开采智能化发展，实现煤矿开采减人、少人乃至无人的目标具有积极意义。

1.   光纤传感理论

1.1   理论基础

光纤光栅是光纤传感技术的核心元件。在光纤上特定区域写入光栅，改变原光纤层的折射率。入射光在光纤中传输至光栅处会出现光波的选择效应，透射光波的光谱图上出现窄带频谱缺失现象^[20]。

入射光在光栅处产生光波选择效应时，其反射光的中心波长为

式中：${n_{{\rm{eff}}}}$为光纤的有效折射率；Λ为栅距，即光栅周期。

1.2   感知信息传感原理

光纤光栅纤细质脆、易损，应用在感知方面需采取可靠的保护措施，以保证感知精度，且能在复杂的煤矿开采环境中长期稳定工作。笔者所在团队研究了基材与光纤光栅应变之间感知信息的传递规律，详细分析了光纤光栅感知信息传递效率的影响因素，建立了光纤光栅感知信息传递的力学模型；基于该模型，针对煤矿应用场景特征提出了表面粘贴式、刻槽填埋式、表面粘贴基片式3种光纤光栅封装技术^[21-24]，如图1所示；搭建了不同封装技术的光纤光栅−基材感知信息传递试验测试系统，验证了每种封装技术中光纤光栅−基材感知信息的传递规律，并给出了采用每种封装技术时需考虑的参数及推荐数值。

图  1  光纤光栅封装技术

Figure  1.  Fiber grating packaging technologies

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1.3   光谱重构与温度补偿

煤矿井下开采环境具有复杂性、多变性、多因素干扰性，磁场、振动、温度、湿度等均会影响光纤光栅传感器在煤矿井下工作的精度、稳定性、长期性与可靠性。为此，对光纤光栅的光谱重构模型进行了研究，采用仿真试验对均匀应变函数和一次函数、二次函数应变条件下的光谱重构效果进行验证，如图2所示^[25-26]。可看出重构光谱形态几乎与目标光谱重合，表明光谱重构模型具备较高的重构精度。

图  2  动态应变条件下光纤光栅光谱重构效果

Figure  2.  Spectrum reconstruction effects of fiber grating under dynamic strain conditions

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光纤光栅具有温度传感特性。针对该特性，笔者所在团队分别对温度、应变−温度对光纤光栅感知信息传递的影响进行了研究^[27-29]，通过数学公式解释温度−应力应变耦合效应，并结合煤矿特殊应用场景，提出了实用的温度补偿技术及实现方法。

2.   光纤光栅传感器开发

在煤矿开采智能化建设过程中，需要感知的环境与设备状态信息呈现多监测点与多指标参数的特点，单一指标参数监测已难以满足智能决策与智能控制的需求，因此，基础信息的智能感知向多源异构实时在线精准感知方向发展是必然趋势^[29]，以实现工作面开采状态信息的全方位、实时获取，为智能决策与智能控制提供基础保障。

为应对煤矿井下开采过程中复杂多变的应用场景，传感器必须具备本质安全、性能稳定、精度高、抗干扰能力强、便于安装、维护方便等特点。针对该特点，笔者所在团队在光纤传感理论研究基础上,设计并验证了高精度光纤光栅传感器，进一步完善了煤矿智能感知系统的首要环节。

2.1   井下开采环境智能感知传感器

煤矿井下开采环境智能感知的主要对象是巷道围岩应力、锚杆杆体受力状态、锚杆支护结构的受力状态、巷道顶板位移、采空区温度，在综合分析感知对象的特点与感知方法原理上，研发了光纤光栅钻孔应力传感器^[7]、光纤光栅锚杆应力传感器^[30-31]、光纤光栅锚杆测力传感器^[26,32]、光纤光栅顶板离层传感器^[33]、光纤光栅温度传感器，如图3所示。

图  3  煤矿开采环境感知传感器

Figure  3.  Coal mining environment sensing sensors

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光纤光栅钻孔应力传感器由锥形防滑套、光纤光栅应变元件、光纤尾纤、尾部导向杆、光纤接线头组成。核心元件是多组光纤光栅，分别用于感知因围岩应力引起的应变及温度引起的应变。该传感器整体结构紧凑、简单，具有性能稳定、易于安装等优点，可实现井下巷道围岩应力的实时在线监测。

光纤光栅锚杆应力传感器主要由锚杆杆体、光纤、光纤光栅串、螺母、托盘组成，用于监测锚杆在工作过程中杆体的受力状况，实时获取锚杆自身受力的分布特征，提高锚固工程的安全性。

光纤光栅锚杆测力传感器由活塞、油缸、油管、压力环、压力表、光纤连接头、光纤尾纤、光纤光栅压力计等组成。光纤光栅压力计是该传感器的核心元件，采用膜片式结构设计，壳体内为不锈钢材质封装的应变光纤光栅。该传感器量程为60 MPa，结构设计合理、简单，便于井下安装，提供现场直接读数和在线远程监测2种功能，可实时监测锚杆支护结构的受力状态，实用性强。

光纤光栅顶板离层传感器基于矩形弹性梁元件与光纤光栅感知元件进行结构设计，由金属固定管、锚爪、钢丝绳、钢丝绳挡卡、锚头、光纤光栅、光纤尾纤、光纤、封装盒外壳、刻度尺、光栅−机械传递体、横托管等组成，可实现巷道顶板离层信息的实时在线感知。

光纤光栅温度传感器基于光纤光栅的温度应变特性设计，可单独作为煤矿井下的温度感知器件，也可辅助其他监测系统进行光纤光栅传感器温度补偿，由光纤光栅元件将被测温度信号转换为光信号输出，信号传输到解调仪显示温度值。

2.2   采煤工作面装备姿态感知传感器

智能化采煤工作面是以感知功能为基础、自主决策为技术手段、自动控制为目的的智能系统，以期实现工作面作业工序协同控制的开采目标^[34]，对工作面装备状态的智能精准感知是基础环节。根据智能化采煤工作面建设的要求，基于光纤传感技术开发了用于感知液压支架姿态的光纤光栅支架倾角传感器^[35]、光纤光栅支架压力传感器^[36]，用于感知刮板输送机直线度的光纤光栅曲率传感器^[37]，如图4所示，为智能化采煤工作面建设提供了一套基于光纤传感技术的智能感知设备。

图  4  采煤工作面装备姿态感知传感器

Figure  4.  Equipment posture sensing sensors in coal mining face

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光纤光栅支架倾角传感器由摆杆、重球、悬臂梁、光纤光栅元件、传感器外壳等构成，为双悬臂梁结构。该传感器采用表贴式光纤光栅元件，能灵敏感知设备因运动姿态改变而产生的倾角变化量，实现液压支架位姿感知。

光纤光栅支架压力传感器主要由光纤光栅压力传感单元、压力显示表、压力传感通道、固定挂钩、三通阀、光纤接口等组成，采用膜盒式包装制成，核心元件为基于光纤光栅元件研制的膜片−接连杆式光纤光栅压力传感单元，其量程为0~40 MPa，既能在现场直接读取液压支架压力值，又能实现远程在线监测。

光纤光栅曲率传感器主要由光纤光栅串、双芯跳线、多芯光缆、胶管、胶管接头、U型卡、护套等组成，应变传感单元为光纤光栅串，通过正交布置的2根光纤光栅感知刮板输送机水平和竖直方向上的弯曲曲率，利用微分几何思想实现对刮板输送机状态的三维弯曲形态精准感知。

2.3   矿用光纤光栅传感器标定工作台

考虑煤矿井下条件非常复杂，笔者所在团队在研究矿用光纤光栅传感器的同时，开发了光纤光栅传感器标定工作台^[21]，提出了相应的传感器标定方法，对开发的传感器精度进行标定，提升了光纤光栅传感器的可靠性。

矿用光纤光栅传感器标定工作台主要由供液系统、液压站、高精度压力显示表、操作箱、控制板、电磁控制器等构成，如图5所示。采用该工作台与光纤光栅解调仪、计算机等设备，可对光纤光栅钻孔应力传感器、光纤光栅锚杆应力传感器、光纤光栅锚杆测力传感器、光纤光栅顶板离层传感器、光纤光栅支架压力传感器等进行标定。

图  5  光纤光栅传感器标定装置

Figure  5.  Calibration device for fiber grating sensors

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3.   光纤光栅智能感知体系

为保障煤矿开采环境与工作面装备姿态信息的准确获取，笔者所在团队长期从事煤矿开采过程中多参量多尺度信息的高精度智能协同感知与多源感知参数表征方法的研究，提出了煤矿开采环境与工作面装备姿态多参量光纤光栅智能感知体系（图6）^{[29, 38]}，实现了巷道、采空区、工作面装备姿态实时在线智能感知，为煤矿智能化体系中的智能感知提供了一种高可靠性、抗干扰、低延时、低功耗的实时在线监测方法。

图  6  煤矿开采多参量光纤光栅智能感知体系

Figure  6.  Intelligent multi-parameter sensing system based on fiber grating for coal mining

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3.1   煤矿开采环境信息智能感知系统

煤矿开采环境下的事故具有隐蔽性，如巷道顶板冒落、采空区火灾等前期不易察觉，往往以突发形式出现。为实现煤矿开采环境信息在线感知，及早发现潜在危险，基于自主研制的高灵敏度、高可靠性光纤光栅传感器，组建了煤矿开采环境光纤光栅智能感知系统（图7）^[39]，实时感知巷道顶板离层信息、巷道围岩应力波动状态、锚杆支护结构受力变化情况、锚杆在支护时杆体各部分的应力分布及巷道与采空区温度，通过实时获取的开采环境状态信息，为井下安全生产提供基础保障。

图  7  煤矿开采环境光纤光栅智能感知系统

Figure  7.  Intelligent coal mining environment sensing system based on fiber grating

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3.2   工作面装备姿态智能感知系统

液压支架、刮板输送机与采煤机（简称“三机”）是综采工作面的核心装备。智能化采煤工作面的建设目的是实现“三机”等综采设备的协调联动^[2]，通过先进技术在采煤工作面的不断应用，推动“三机”形成具有自主感知、自主决策和自动控制运行功能的智能系统，实现工况自适应、工序协同控制的作业方式，达到工作面减人、少人乃至无人的目标。目前进行采煤作业时仍需要经验丰富的技术人员在工作面现场观察、操作、巡视，因此需搭建“三机”实时在线感知系统代替人员进行“三机”状态检查工作。

液压支架通过完成顶板支护、煤壁护帮、刮板输送机推移等工序，为采煤机提供安全的割煤空间，推动刮板输送机前移，实现采煤工作面连续、安全推进^[40]。液压支架若出现不健康姿态，如倾斜、碰撞、顶梁斜等，将严重影响工作面推进及采煤空间安全^[41]。因此，液压支架姿态感知是智能化采煤工作面建设中的重要一环。采用自主开发的光纤光栅支架倾角传感器、光纤光栅支架压力传感器，基于液压支架姿态感知指标与运动学模型，构建了液压支架光纤光栅智能感知系统（图8）^[4]，实现对液压支架底座和连杆姿态、工作阻力、顶梁姿态的实时在线感知。

图  8  液压支架光纤光栅智能感知系统

Figure  8.  Intelligent hydraulic support sensing system based on fiber grating

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刮板输送机在液压支架的推移下沿工作面推进方向移动期间，其形态受到复杂底板条件与液压支架推移动作累计误差的影响较大。液压支架在重复循环推移动作达到一定次数后，刮板输送机机身在水平和竖直方向上均呈现不同程度的弯曲形态。为避免影响采煤作业，不得不进行人工干预。因此，刮板输送机的直线度感知有助于提前进行刮板输送机机身直线度调整控制，避免因机身弯曲程度过大导致停产。通过分析刮板输送机的运行状态及机身直线度感知难点，利用自主开发的光纤光栅曲率传感器，采用拟合递推方法在三维空间进行正交方向曲率信息曲线重建，搭建了刮板输送机直线度光纤光栅智能感知系统（图9）^[37]，实现了刮板输送机三维弯曲形态信息的实时在线获取。

图  9  刮板输送机直线度光纤光栅智能感知系统

Figure  9.  Intelligent straightness sensing system of scraper conveyor based on fiber grating

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采煤机精确定位是实现自主截割、支架移架、开采工艺决策的基础。采煤机的空间行走轨迹既反映刮板输送机的直线度，也影响液压支架推移动作执行的及时性。采煤机运行过程中面向煤壁，其工作状态与液压支架推移、刮板输送机运动之间相互制约^[41]，其摇臂截割高度也需要依据工作面地质条件的变化与采煤机位置进行调整。光纤惯性测量组件具有精度高、可靠性好、质量和体积小、抗干扰性强、可独立工作等优势，因此，笔者所在团队将光纤捷联惯导技术用于采煤机运行姿态研究，但在实际应用中精度较低。针对该问题，提出了基于光纤捷联惯导的采煤机姿态误差补偿模型（图10）^[42-43]，以解析采煤机运动状态，实时更新采煤机位置与运行姿态信息，实现多源感知信息融合的采煤机状态感知。

图  10  采煤机姿态误差补偿模型

Figure  10.  Error compensation model of shearer posture

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3.3   多参量准分布式光纤光栅智能感知系统

煤矿井下智能感知系统是具有一定规模的复杂系统，随着开采不断进行而产生海量的多源异构数据。针对煤矿井下开采环境与工作面装备状态感知信息的多源、多参量、大数据量等特点^[44]，基于光纤光栅传感网络动态解调、空分复用、波分复用等技术，提出了煤矿开采准分布式光纤光栅智能感知系统架构（图11）^[21]。该系统架构解决了煤矿井下大容量感知信息传输网络的组建问题，采用复用系统布置方法设计可靠稳定的网络拓扑结构，优化光纤光栅传感器带宽分布，系统主机的单个通道可复用多达20个光纤光栅传感器，系统组网多达几百个传感器，解决了煤矿开采过程感知数据多源异构容量大、感知设备不易复用、组建网络难等问题。

图  11  煤矿开采准分布式光纤光栅智能感知系统架构

Figure  11.  Structure of quasi-distributed intelligent sensing system based on fiber grating for coal mining

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4.   感知信息融合与安全决策

煤矿开采过程中感知信息多源融合的研究内容具有多样性、广泛性、复杂性等特征^[21]，数据来源相对独立分散与结构复杂的特性制约了多维度感知数据的特征关联与深度融合，时效性、特征数据稀疏性、强关联性等特征使得后续有效的数据利用、新旧数据的融合挖掘、数据联合分析面临巨大困难^[44]。对此，基于快速进化遗传网络规划方法挖掘开采环境感知属性信息，分析多参量感知数据间隐含的关联规则，提高煤矿开采环境多维感知参量关联性分析效率，获取煤矿开采过程中围岩变形状态、覆岩运动状态等多源感知数据间的潜在关系与安全开采的因果关联性，有效监测开采环境信息，并对开采环境进行稳定性分析、安全性评估与灾变风险预警；基于采煤机、液压支架与刮板输送机的空间约束模型，研究智能工作面多参量感知信息融合技术，提出了基于光纤传感技术的液压支架姿态识别方法^[35]、刮板输送机直线度感知方法^[37]及采煤机运行姿态误差补偿方法^[42-43]，实现了煤矿开采“三机”装备姿态估计与准确识别，提高了“三机”装备姿态精准识别与状态评估的可靠性。

在分析工作面复杂多变的环境与综采装备数据多模态、多变量耦合及分布式特性后，根据开采环境参数与工作面“三机”设备姿态参数，研究了煤矿井下开采环境与装备姿态等多子系统感知数据的抽取与融合技术，构建大数据中心，进一步开发煤矿开采环境安全预警与装备姿态决策系统软件。软件内集成基于极速学习机、模糊优化的安全评价与决策方法^[29]和基于预警逻辑数据库和知识演化的安全预警技术，最终形成集“光纤光栅智能感知−动态响应−前兆预警−安全决策”于一体的煤矿开采安全决策平台。

5.   煤矿开采光纤传感技术存在的问题

光纤传感技术凭借自身优势已在煤矿开采中得到应用，且随着煤矿智能化建设不断推进，在煤矿开采智能感知方面的应用将更加广泛。但目前该技术在实际应用中仍存在以下问题亟需解决。

1） 多场景适用的特殊材质光纤产品匮乏。煤矿开采智能感知涉及的场景非常多，需要不同属性的光纤产品应对不同的感知场景，如监测大变形对象要求产品具有大变形属性，监测微变形对象则要求产品具有微变形属性且高敏感性。开发成熟的特殊材质光纤产品，能够减少光纤应用过程中的封装难度，拓宽光纤传感技术的应用场景。

2） 适应煤矿开采需求的封装技术有待升级。煤矿井下复杂多变的环境、机械设备生产作业、人员作业等因素对光纤光栅元件产生干扰，针对煤矿开采特殊场景开发更先进、更适用的封装技术，能增加光纤光栅传感器在应用中的存活率与安全性。

3） 光纤传感系统搭建成本高。目前光纤传感技术所涉及的解调仪硬件无法兼顾精度与成本，高成本阻碍光纤传感技术进一步研究与应用。研发兼顾成本与精度的解调仪设备，降低光纤传感技术的研究与应用门槛，有利于光纤传感技术推广。

6.   结论

1） 针对煤矿开采环境的特殊性，构建光纤光栅−基材感知信息传递模型，提出了3种光纤光栅封装技术，并进行光谱重构与温度补偿研究，保障高精度数据感知。

2） 基于光纤传感技术开发多种应用于煤矿井下的光纤光栅传感器，并搭建光纤光栅智能感知系统，构建安全决策平台，融合挖掘煤矿井下环境感知数据与工作面设备姿态感知数据，为煤矿开采智能化建设中的感知系统提供参考。

3） 光纤传感技术在煤矿开采智能化建设中已得到应用，若成功研发特殊材质的光纤产品、更成熟先进的封装技术、兼顾成本与精度的解调仪，则光纤传感技术在煤矿智能化开采方面将获得更广泛的应用。