Использование оптического волокна G-652 для контроля горного массива угольных шахт

Abstract

Введение. Актуальность использования волоконно-оптических датчиков для контроля геомеханического состояния массива горных выработок угольных шахт Карагандинского угольного бассейна крайне высока, потому как они относятся к сверхкатегоричным и опасным по внезапному взрыву угольной пыли и газа метана при проведении горных работ в опасных условиях шахт. Волоконно-оптические датчики обладают рядом достоинств: взрывобезопасностью, высокой точностью, скоростью измерения и имеют хорошую линейность характеристик. Цель исследования. Использование оптического волокна стандарта ITU-T G.652.D как датчика для контроля геомеханического состояния массива горных выработок угольных шахт, что является весьма перспективным в плане создания распределенной системы мониторинга, способной своевременно сигнализировать персонал об опасности внезапного обрушения выработки. Материалы и методы. Для отработки методов контроля и измерения геотехнических параметров выработок был разработан имитационный лабораторный стенд на основе волоконно-оптических датчиков. Авторами использовалось кварцевое одномодовое оптическое волокно 9/125 мкм (OS2) Corning SMF-28e+®. В статье предложены системы в двух вариантах исполнения в зависимости от поставленных задач и функциональности. В первом варианте используется известный метод оптической рефлектометрии OTDR (Optical time domain reflectometer). Во втором варианте контролируются значения дополнительных потерь, вызванные механическим воздействием на оптическое волокно. Результаты. При механическом воздействии на оптическое волокно возникают микротрещины, приводящие к изменению свойств света и увеличению дополнительных потерь световой волны, проходящей по нему. Указанные потери можно измерить и установить значения давления на оптическое волок- но, также можно определить величину смещения. Заключение. Использование оптического волокна стандарта ITU-T G.652.D для контроля геомеханического состояния массива горных выработок угольных шахт является весьма перспективным, так как разработанные на его основе волоконно-оптические датчики обладают достаточно высокой точностью, скоростью измерения и имеют хорошую линейность характеристик. Introduction. The relevance of using fiber-optic sensors to monitor the geomechanical state of the mine workings of coal mines of the Karaganda coal-mining field is extremely high, because they are super-categorical and dangerous in a sudden explosion of coal dust and methane gas during mining operations in hazardous mines. Fiber optic sensors have several advantages: explosion safety, high accuracy, measurement speed and have good linearity of characteristics. Aim. The use of optical fiber of the ITU-T G.652.D standard as a sensor for monitoring the geomechanical state of an arКраткие сообщения Bulletin of the South Ural State University. Ser. Computer Technologies, Automatic Control, Radio Electronics. 2020, vol. 20, no. 1, pp. 144–153 152 ray of coal mines, which is very promising in terms of creating a distributed monitoring system capable of timely signaling to personnel about the danger of a sudden collapse of a mine. Materials and methods. To develop methods for monitoring and measuring the geotechnical parameters of the workings, a simulation laboratory bench based on fiber-optic sensors was developed. The authors used a quartz single-mode optical fiber 9/125 μm (OS2) Corning SMF-28e + ®. The article proposes systems in two variants, depending on the tasks and functionality. In the first variant, the well-known method of optical reflectometry OTDR (Optical time domain reflectometer) is used. In the second variant, the values of the additional losses caused by the mechanical action on the optical fiber are controlled. Results. During mechanical action on an optical fiber microcracks occur, leading to a change in the properties of light and an increase in additional losses of the light wave passing through it. Conclusion. The use of ITU-T G.652.D standard optical fiber for monitoring the geomechanical state of an array of coal mine workings is very promising, since the VODs developed on its basis have sufficiently high accuracy, measurement speed and good linearity of characteristics.