分布式光纖檢測系統(tǒng)在采空區(qū)的研究和應用

陳芳

摘要：煤炭自燃一直是煤炭開采防滅火管理的重點，必須采取有效的預測預報手段預防煤炭自燃發(fā)火。本文結合某礦140205回收工作面的特點，提出分布式光纖檢測系統(tǒng)在采空區(qū)的應用方案，實現了地面監(jiān)控室對采空區(qū)溫度的實時連續(xù)檢測，降低了采空區(qū)自燃發(fā)火的風險。

Abstract： Coal spontaneous combustion has always been the focus of fire prevention and management in coal mining. Effective prediction and prediction methods must be adopted to prevent spontaneous combustion of coal. Based on the characteristics of 140205 recovery face in a mine， the application of distributed optical fiber detection system in goaf is put forward， which realizes the real-time continuous detection for the temperature of the goaf in the ground monitoring room， and reduces the risk of spontaneous combustion in the goaf.

關鍵詞：分布式光纖檢測；回收工作面；采空區(qū)

Key words： distributed optical fiber detection；recovery of working face；goaf

中圖分類號：TD75+2 文獻標識碼：A 文章編號：1006-4311（2018）28-0166-03

1 概述

目前，我國60%以上的礦井所開采的煤層均具有自燃傾向。近年來隨著開采強度的增大，高產高效新技術的發(fā)展，礦井的不斷延深和深部開拓特別是近距離煤層開采帶來的問題，以及通風系統(tǒng)的復雜化加劇，使得煤層自燃危險性有明顯增大的趨勢，特別是回收工作面采空區(qū)自然發(fā)火。

2 分布式光纖檢測系統(tǒng)應用方案

2.1 總體思路

根據某煤礦140205工作面采空區(qū)的特點，我們采用KJ711分布式光纖檢測系統(tǒng)對其進行全面溫度檢測，在工作面采空區(qū)內按照一定的規(guī)律敷設多條感溫光纖，并沿著機巷將感溫光纖按照一定的巷道走向敷設至KJ711檢測主機放置處與之連接，并通過井下環(huán)網將檢測數據傳送至地面控制平臺，從而實現地面監(jiān)控室對工作面采空區(qū)溫度的實時連續(xù)檢測。

2.2 具體配置方案

2.2.1 140205工作面采空區(qū)的配置方案

根據某煤礦140205工作面二煤“三帶”（窒息帶、氧化升溫帶、散熱帶）劃分的結果，從而制定針對性的防范措施，保證工作面在收尾期間不發(fā)生自燃發(fā)火事故，工作面從收尾停采到回收結束封閉，針對不同時期的防滅火特點，共敷設4條感溫光纖，分別距離停采線110m、90m、60m、20m，如圖1所示。

2.2.2 機巷至980變電室的配置方案

根據某煤礦140205巷道的具體情況，按照如圖2線路進行光纜敷設（具體走向查看預期效果圖）。

2.2.3 +980變電室至地面的配置方案

KJ711分布式光纖檢測系統(tǒng)檢測主機放置在+980變電室，通過通訊光纜連接到井下防爆交換機，利用井下環(huán)網將檢測數據上傳到地面，地面工控機同樣接入環(huán)網與井下檢測主機通訊。分區(qū)配置方案如下：根據某煤礦140205工作面采空區(qū)“三帶”劃分及光纜敷設情況，將整條敷設光纜分成如表1幾個區(qū)。

2.3 安裝與敷設方法

①主機的安裝。

根據現場需要敷設檢測光纜，KJ711主機放置在+980m變電所，將光纜其中一端與KJ711-F檢測分站的2個光纜通道連接；將光纖收發(fā)器的RX、TX分別與KJ711-F檢測分站代表TX和RX的通信光纜連接；將光纖收發(fā)器的網絡接口與計算機通訊的網絡接口連接在一起；KJ711-F檢測分站電源輸入127-220V/AC。

②感溫光纖的安裝。

根據140205工作面采空區(qū)“三帶”劃分規(guī)律，采用蛇形敷設方式在距離停采線20m、60m、90m、110m處敷設4條感溫光纜。光纜采用牽引拉拽的方式從采空區(qū)頂端敷設到底端，在機頭和機尾處穿硬管進行保護，中間段安裝1m的U型保護槽進行保護；在感溫光纖走向改變或轉角處，必須滿足感溫光纖最小半徑要求（感溫光纜半徑的20倍），并預留大約5-10m的光纜；在光纜引致+980配電所時，遇到障礙物時應穿過障礙物（如立柱、支架、套管、風門等），防止感溫光纖被砸斷并保證定位的準確性；接入主機的感溫光纖宜留10m長的余量并妥善放置，并掛標識牌進行區(qū)分；光纖尾段用高溫加熱后封死，用電工膠帶纏繞，之后將檢測光纜纏繞在電纜尾端（約10m），用膠帶固定在電纜上。

③針對采空區(qū)的敷設及防砸設計。

采空區(qū)由于面積較寬，采用蛇形敷設的方式對整個區(qū)域進行全面的檢測，對于采空區(qū)的特點，該面共敷設4條光纜即距離停采線20m、60m、490m、110m。感溫光纜敷設在采空區(qū)，面臨著被掉下的矸石砸斷的可能，對此采用3種辦法減少被砸斷的可能，一是采用環(huán)形檢測。如圖3所示，設備運用2個通道連接成一個環(huán)形對整個采空區(qū)進行檢測，當采空區(qū)的光纜被掉落的矸石砸成A1、A2兩段時，KJ711主機通過通道1檢測A1段；通道2檢測A2段，從而對整個采空區(qū)進行檢測，不會出現砸斷后的盲區(qū)。二是增加外護U型槽。為了更加有效的防止光纜在采空區(qū)被砸斷的可能，在采用環(huán)形檢測的方式外，同時光纜外層每1米增加一個U型護槽（不銹鋼材質），防止掉落物直接砸在光纜上，減少被砸斷的可能，具體布置如圖4所示。三是采用定制的感溫光纜。感溫光纜敷設在采空區(qū)時常面臨被落的下矸石砸斷的可能，針對這一情況，采用專門定制的感溫光纜，此種光纜增加了芳綸紗的股數，加強了光纜的抗拉力；同時采用螺紋鋼管結構增強了光纜的抗壓力，此種結構在光纜被砸時能提供一個回旋力，防止光纖一次性全部被砸斷，并且螺紋結構具有伸縮性，在光纜被砸時能進行有效的緩沖，減小被砸斷的可能。

2.4 光纖檢測系統(tǒng)的應用測試試驗

2.4.1 室溫實驗：實驗目的是檢驗探測器對溫度的探測性能

實驗方法：將探測光纖中任意抽取3段3m光纖卷成圈（圈直徑大于10cm）放入水中，使探測器處于正常監(jiān)視狀態(tài)，然后對其進行加熱至報警預設值溫度，直至探測器發(fā)生報警，記錄探測器發(fā)生報警時的溫度，多次測試并記錄。實驗結果表明，當溫箱溫度達到探測器設定的溫度閾值時，探測器發(fā)生定溫報警。

2.4.2 差溫實驗：實驗目的是檢測探測器對溫度變化的探測性能

實驗方法：將探測光纖中任意抽取3段3m光纖卷成圈（圈直徑大于10cm）放入熱水中（熱水溫度接近于預設溫度），使探測器處于正常監(jiān)視狀態(tài)，然后對其進行加熱至報警預設溫度，直至探測器發(fā)生報警，記錄探測器發(fā)生報警時的溫度和響應時間，多次測試并記錄。實驗結果表明，當溫升速率到達探測器設定的差溫報警閾值時，就會發(fā)生報警，且滿足國標中的測試要求。測得的實驗結果如表3。

2.4.3 響應一致性：實驗目的是檢測探測器響應溫度的一致性

實驗過程：在探測器處于正常監(jiān)視狀態(tài)時，分別將感溫光纖上任意選定的3個探測單元，放入一定溫度的水中，同時開始計時，直到探測器動作發(fā)出報警信號，記錄探測器的各次響應溫度。實驗結果：3個探測單元報警時的溫度都在設定報警溫度值左右，且偏差都在1℃以內。

2.4.4 高低溫試驗：實驗目的是檢測探測器在高溫和低溫環(huán)境下工作是否正常。

實驗過程：一是將探測器整體處在50℃±3℃的環(huán)境中，在此條件下穩(wěn)定16h，觀察期運行狀況。二是將探測器整體處在0℃±3℃的環(huán)境中，在此條件下穩(wěn)定16h，觀察期運行狀況。實驗結果表明，在此運行期間，探測器正常工作，且無報警現象發(fā)生。

2.4.5 報警定位實驗：實驗目的是檢測探測器的報警定位性能

實驗過程：在探測光纖上取任意3m的探測單元，將此探測單元放入熱水中，然后以20℃/min的升溫速率升至式樣動作（對水進行加熱），記錄該探測單元的編號和報警定位長度指示值，如此重復多次實驗，記錄報警定位長度是否與實際相符合。

3 結論

本文結合某煤礦140205工作面采空區(qū)的特點，提出了KJ711分布式光纖檢測系統(tǒng)在煤礦應用的總體設計思路和具體配置方案，并針對該系統(tǒng)在采空區(qū)敷設過程中存在的防護難題進行了優(yōu)化設計?，F場應用測試試驗表明，分布式光纖檢測系統(tǒng)在預防煤礦自然發(fā)火方面具有顯著優(yōu)勢，能夠實現地面監(jiān)控室對工作面采空區(qū)溫度的實時連續(xù)檢測，極大地提高了煤礦安全保障能力。

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