YWG—127礦用隔爆光纖測(cè)溫系統(tǒng)的推廣與應(yīng)用

彭大恒

【摘 要】為提高煤炭開發(fā)的安全性，國(guó)家安監(jiān)部門提出“科技興安”，充分發(fā)揮科技的支撐和引領(lǐng)作用，加快科技研發(fā)與成果的推廣應(yīng)用，不斷提升煤礦安全保障能力，在此政策的引領(lǐng)下，我們對(duì)礦用隔爆光纖測(cè)溫系統(tǒng)開展了技術(shù)攻關(guān)。

【關(guān)鍵詞】隔爆；光纖；測(cè)溫

火災(zāi)是我國(guó)煤炭安全生產(chǎn)中的五大災(zāi)害之一。礦井一旦發(fā)生火災(zāi)，火勢(shì)發(fā)展的速度快，控制比較復(fù)雜，影響的范圍也比較廣，極易造成人員傷亡和財(cái)產(chǎn)損失，甚至引起煤塵、瓦斯爆炸，釀成更大的災(zāi)害。煤礦火災(zāi)分為內(nèi)因火災(zāi)和外因火災(zāi)。外因火災(zāi)，又稱外源火災(zāi)。違章在井下吸煙，在井下拆卸礦燈、放明炮、電焊、氣焊等都可能引起井下火災(zāi)。內(nèi)因火災(zāi)，又稱煤炭自燃。有的煤炭由于自身的物理化學(xué)性質(zhì)具有自燃性，與空氣接觸后能氧化生熱，如果散熱條件不好，就會(huì)自燃。內(nèi)因火災(zāi)主要發(fā)生在采空區(qū)、冒頂處和壓酥的煤柱中。采空區(qū)中，尤其采用回采率低的采煤方法時(shí)，采空區(qū)中遺留的煤炭多，最容易引起煤的自燃。井下火災(zāi)事故僅排在瓦斯、透水和冒頂事故之后，成為煤礦事故的主要原因之一。在2011年12月07日，國(guó)家安監(jiān)總局公布的“煤礦安全生產(chǎn)十二五規(guī)劃”中，明確提出：進(jìn)一步加大火災(zāi)成因機(jī)理分析、火災(zāi)預(yù)防、監(jiān)測(cè)預(yù)警和災(zāi)害發(fā)生后滅火處理與應(yīng)急救援的技術(shù)裝備研究力度；有效防范和及時(shí)消除煤礦電纜、皮帶、電氣、可燃材料支護(hù)等存在的外因火災(zāi)隱患。

1.光纖測(cè)溫原理

光纖的溫度傳感原理的主要依據(jù)是光纖的光時(shí)域反射OTDR 原理以及光纖的背向拉曼散射溫度效應(yīng)。當(dāng)一個(gè)光脈沖從光纖的一端射入光纖時(shí)這個(gè)光脈沖會(huì)沿著光纖向前傳播，由于光纖由SIO2 分子組成，如果光照射在這些分子上，光粒子和這些分子的電子之間會(huì)發(fā)生相互作用。當(dāng)處于基態(tài) 的分子被入射光激發(fā)到虛態(tài)然后回到激發(fā)態(tài) 時(shí)會(huì)產(chǎn)生能量會(huì)產(chǎn)生頻率 這種光稱為斯托克斯（Stokes）光；處于振動(dòng)基態(tài) 的分子被入射光 激發(fā)到虛態(tài)然后回到振動(dòng)激發(fā)態(tài) 產(chǎn)生的頻率為 的光，這種光稱為反斯托克斯（Anti-Stokes）光。這種現(xiàn)象稱為拉曼散射效應(yīng)；有的光頻率不發(fā)生變化，這種效應(yīng)稱為瑞利散射。

拉曼散射過(guò)程中的能級(jí)

拉曼散射光譜示意圖

由上圖可以看到斯托克斯線和反斯托克斯線對(duì)稱地分布于瑞利線的兩側(cè)。反斯托克斯光的強(qiáng)度和溫度有關(guān)，斯托克斯光和溫度無(wú)關(guān)。使用光纖內(nèi)一點(diǎn)的反斯托克斯光和斯托克斯光強(qiáng)度的一種關(guān)系式，可得到這一點(diǎn)的溫度。

2.技術(shù)攻關(guān)的系列光纖測(cè)溫產(chǎn)品

2.1光纖測(cè)溫儀

YWG-127礦用隔爆光纖測(cè)溫儀通過(guò)采用光纖測(cè)溫這項(xiàng)新技術(shù)來(lái)作為井下火災(zāi)預(yù)警的新手段，通過(guò)感溫光纖在井下火災(zāi)易發(fā)生區(qū)域的敷設(shè)，測(cè)取易燃點(diǎn)的實(shí)時(shí)溫度來(lái)實(shí)現(xiàn)火災(zāi)預(yù)警的目的。產(chǎn)品嚴(yán)格按照GB3836.1、GB3836.2進(jìn)行防爆設(shè)計(jì)，防爆型式為礦用隔爆型。測(cè)溫儀由防爆外殼和光纖測(cè)溫機(jī)芯以及輔助設(shè)備組成。防爆外殼由防爆腔和接線腔組成，光纖測(cè)溫儀放在防爆腔里面，測(cè)溫光纖通過(guò)光纖穿墻端子引入接線腔。

YWG-127礦用隔爆光纖測(cè)溫儀實(shí)現(xiàn)了：（1）礦用隔爆型，適合井下絕大部分場(chǎng)合使用。通常是井下一個(gè)采區(qū)變電所或者一個(gè)工作面變電所放置一臺(tái)測(cè)溫儀，實(shí)現(xiàn)對(duì)一定區(qū)域火災(zāi)預(yù)警；（2）取樣間隔0.4米，每0.8米報(bào)告一個(gè)溫度值；（3）溫度分辨率0.1℃，測(cè)溫精度為±1℃，溫度測(cè)量范圍大，可達(dá)-40℃-+300℃（取決于感溫光纖材質(zhì)）；（4）運(yùn)用光的時(shí)域反射技術(shù)，能對(duì)光纖進(jìn)行精確定位，定位精度可達(dá)±0.4米；（5）一臺(tái)主機(jī)可帶8個(gè)通道的光纜，每通道測(cè)量距離遠(yuǎn)達(dá)8公里，單通道最短測(cè)量時(shí)間2s；（6）傳感器由標(biāo)準(zhǔn)的礦用測(cè)溫光纖構(gòu)成，成本低，穩(wěn)定可靠；（7）測(cè)溫儀整體結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，安裝費(fèi)用低，后期維護(hù)成本低；（8）抗電磁干擾和各種振動(dòng)沖擊，本征無(wú)源，防雷防爆；（9）主機(jī)帶有豐富通訊接口，能夠接入井下工業(yè)以太網(wǎng)，實(shí)現(xiàn)地面遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)；主機(jī)帶有繼電器報(bào)警輸出接口，可外接聲光報(bào)警裝置，實(shí)現(xiàn)本地聲光報(bào)警；（10）有溫升報(bào)警和閾值報(bào)警等多種方式，支持多達(dá)500個(gè)報(bào)警分區(qū)，每個(gè)分區(qū)的報(bào)警閾值可獨(dú)立設(shè)置；（11）使用壽命長(zhǎng)，可達(dá)20年。

2.2測(cè)溫光纜

測(cè)溫光纜內(nèi)部采用普通標(biāo)準(zhǔn)的多模光纖，專門連接高性能的礦用隔爆光纖測(cè)溫儀實(shí)現(xiàn)分布式溫度測(cè)量。用戶可根據(jù)需求選擇50/125μm和62.5/125μm的兩種光纖。探測(cè)光纜本身就是傳感器，性能穩(wěn)定可靠、不受各種電磁干擾，具有很好的熱傳導(dǎo)性，可以在惡劣環(huán)境下長(zhǎng)期生存和工作。Sensor-Ⅰ探測(cè)光纖內(nèi)部為不銹鋼軟管，彎曲性能、抗壓能力良好，適合機(jī)電設(shè)備和采空區(qū)測(cè)溫。Sensor-Ⅱ探測(cè)光纖內(nèi)部為無(wú)縫不銹鋼管護(hù)套，防水性能好，適合皮帶機(jī)、巷道等潮濕環(huán)境下使用。

3.光纖測(cè)溫系統(tǒng)的應(yīng)用對(duì)象

3.1皮帶機(jī)溫度監(jiān)測(cè)

由于機(jī)頭堆煤、滿載啟動(dòng)、防滑膠磨損、滾筒軸承損壞或卡死等原因，輸送帶會(huì)與托輥摩擦產(chǎn)生高溫，尤其是下托輥，它與輸送帶接觸面最大、離巷道底板近而易被灑落的煤粉包圍，最易產(chǎn)生火災(zāi)?？稍谄л喕辖咏S承部分敷設(shè)分布式測(cè)溫光纜同時(shí)加裝保護(hù)套管，實(shí)時(shí)測(cè)量皮帶輪運(yùn)行狀況。

3.2電纜溫度測(cè)量

由于井下電纜距離長(zhǎng)，環(huán)境惡劣，尤其是一些老礦井，由于規(guī)劃不到位，井下電纜多次施工造成接口眾多，火災(zāi)隱患大，火災(zāi)隱蔽性強(qiáng)，隨機(jī)性大，極易發(fā)生電纜著火引起的火災(zāi)事故?？蓪y(cè)溫光纜與電纜一同敷設(shè)來(lái)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)電纜溫度，達(dá)到火災(zāi)預(yù)警的目的。

3.3采空區(qū)火災(zāi)預(yù)警

測(cè)溫光纜在采空區(qū)呈S形敷設(shè)于各個(gè)火災(zāi)隱患點(diǎn)，隨著煤層回踩，工作面不斷倒退，測(cè)溫光纜被永久性埋覆到采空區(qū)。

3.4電器設(shè)備測(cè)溫

隨著煤礦井下采掘機(jī)械化程度的提高、生產(chǎn)工作面不斷向前延伸、擴(kuò)大，高壓供電電纜及設(shè)備不斷深入末端，低壓系統(tǒng)一直向前延伸，星羅棋布的電網(wǎng)由變壓器、高低壓開關(guān)和磁力起動(dòng)器相連。這些供電設(shè)備和電纜安全與否，直接關(guān)系著礦井的生產(chǎn)安全，因此對(duì)煤礦供電設(shè)備的測(cè)溫具有重要的意義。

4.光纖測(cè)溫系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的功能

（1）可以對(duì)采空區(qū)內(nèi)的溫度進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，發(fā)現(xiàn)煤（下轉(zhuǎn)第73頁(yè)）（上接第70頁(yè)）炭溫度變化的趨勢(shì)，從而提前進(jìn)行煤炭自燃預(yù)警。改變了只對(duì)氣體濃度進(jìn)行監(jiān)測(cè)的這種間接監(jiān)測(cè)方式。

（2）可以實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)長(zhǎng)距離巷道、硐室內(nèi)的火災(zāi)情況，在無(wú)人監(jiān)控的區(qū)域發(fā)現(xiàn)溫度異常升高從而發(fā)布預(yù)警。

（3）可以實(shí)時(shí)在線監(jiān)測(cè)井下高壓電纜的溫度值，實(shí)時(shí)反映電纜運(yùn)行的負(fù)荷或過(guò)熱情況。

（4）數(shù)公里的監(jiān)測(cè)長(zhǎng)度上，每隔不到0.5米提供一個(gè)精確的溫度值；在發(fā)現(xiàn)溫度異常情況時(shí)，能在幾秒鐘時(shí)間內(nèi)迅速定位，定位精度在±1米的范圍。

（5）能準(zhǔn)確、可靠將實(shí)時(shí)溫度用坐標(biāo)軸的方式直觀動(dòng)態(tài)展現(xiàn)出來(lái)，以便監(jiān)視。

（6）設(shè)置溫升報(bào)警環(huán)節(jié)（本地聲光報(bào)警、計(jì)算機(jī)集中報(bào)警等）。便于及時(shí)采取措施，減少直接跳閘停電，防范于未然，減少火災(zāi)或者是設(shè)備故障停電損失。

（7）能將斷電前的最高溫度記憶儲(chǔ)存，接通控制電源時(shí)又能再現(xiàn)該溫度值，提供事故分析用。

（8）溫度作為一個(gè)重要參數(shù)通過(guò)，通信接口和FTU等遠(yuǎn)傳裝置與計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)通信從而滿足計(jì)算機(jī)室、本地監(jiān)控站等監(jiān)測(cè)記錄。 [科]

【參考文獻(xiàn)】

[1]李福勇.KJ607礦用分布式光纖溫度監(jiān)測(cè)及火災(zāi)預(yù)警系統(tǒng)在煤礦中的研究與應(yīng)用.山東煤炭科技，2013，（01）.

[2]時(shí)斌.光纖傳感器在高壓設(shè)備在線測(cè)溫系統(tǒng)中的應(yīng)用.高電壓技術(shù)，2007，（08）.