分布式光纖傳感系統(tǒng)在煤礦采空區(qū)火災監(jiān)測中的應用

程根銀，曹 健，唐晶晶，牛振磊，周逸飛

(華北科技學院 安全工程學院，北京 東燕郊 101601)

分布式光纖傳感系統(tǒng)在煤礦采空區(qū)火災監(jiān)測中的應用

程根銀，曹 健，唐晶晶，牛振磊，周逸飛

(華北科技學院 安全工程學院，北京 東燕郊 101601)

為彌補束管監(jiān)測系統(tǒng)存在的不足，利用光纖傳感技術的優(yōu)勢，將分布式光纖傳感系統(tǒng)應用于煤礦采空區(qū)，對采空區(qū)內溫度進行實時在線監(jiān)測。理論分析及現(xiàn)場實踐表明，此系統(tǒng)可以對高溫點進行連續(xù)監(jiān)測和定位，且具有本質安全、遠程、分布式連續(xù)測量等特點。同時，對監(jiān)測數(shù)據(jù)及數(shù)值模擬結果進行對比分析，結果表明光纖光柵技術能夠精確、連續(xù)測試采空區(qū)內溫度變化，可為清晰分析和判斷采空區(qū)自然發(fā)火規(guī)律提供良好數(shù)據(jù)資料，有效地彌補了現(xiàn)有檢測技術所存在的弊端。光纖傳感技術在煤礦安全上的研究應用對認識煤礦災害形成機理和重大災害預測預報技術的發(fā)展起到促進作用。

分布式光纖傳感系統(tǒng)；煤礦采空區(qū)；火災監(jiān)測；數(shù)值模擬

0 引言

煤炭行業(yè)是一個高危行業(yè)，安全生產是其集約高效發(fā)展的前提。隨著現(xiàn)代傳感技術的發(fā)展，煤礦安全檢測系統(tǒng)的應用為煤礦安全生產提供了技術保障[1]。在各種事故原因中，火災事故占了事故總量的絕大部分，因而火災事故狀態(tài)監(jiān)測及預警對煤礦安全生產有著非常重要的意義，本文利用分布式光纖傳感技術對煤礦安全生產中的火災狀態(tài)進行檢測，以達到事故預警的目的。

對于采空區(qū)火災，目前是采用束管抽氣[2]，然后通過對氣體成份進行分析，間接地進行火災預警。但受到束管埋設地點限制，這種方法的局限性很大。由于采空區(qū)中無法進行人工維護，目前尚未有合適的溫度監(jiān)測方法來對采空區(qū)火災進行預警。

光纖傳感器的應用范圍很廣，尤其可以安全有效地在惡劣環(huán)境中使用，解決了許多行業(yè)多年來一直存在的技術難題。分布式光纖溫度傳感器是近幾年發(fā)展起來的一種用于實時測量空間溫度場分布的高新技術，分布式光纖溫度傳感系統(tǒng)不僅具有普通光纖傳感器的優(yōu)點，還具有對光纖沿線各點的溫度的分布式傳感能力，利用這種特點可以連續(xù)實時測量光纖沿線幾公里內各點的溫度，非常適用于大范圍多點測溫的應用場合[3-4]。

1 分布式光纖傳感技術

分布式光纖傳感器測量是利用光纖的一維特性進行測量的技術，可以同時獲得被測物理量及其時間和空間分布，可以用一條光纖來取代傳統(tǒng)的數(shù)百個點陣組成的傳感器陣列，從而降低了系統(tǒng)復雜度[5]。當激光脈沖射入傳感用的光纖中，在光脈沖向前的傳播過程中，由于光纖的密度、應力、材料組成、溫度和彎曲變形等原因發(fā)生散射現(xiàn)象，有一部分的散射光會按照入射光相反的方向傳播，稱之為后向散射光[6]。如圖1所示。

圖1 光纖后向散射光圖

返回的后向散射光包括：瑞利(Rayleigh)散射，由光纖折射率的微小變化引起，其頻率與入射光脈沖一致；拉曼(Raman)散射，由光子與光聲子相互作用引起，其頻率與入射光脈沖相差幾十太赫茲，拉曼散射分斯托克拉曼散射和反斯托克拉曼散射；布里淵(Brillouin)散射，由光子與光纖內彈性聲波場低頻聲子相互作用引起，其頻率與入射光脈沖相差幾十吉赫茲。

圖2 光纖后向散射光頻率分布圖

采用拉曼散射原理和光時域反射技術可以實現(xiàn)溫度和距離的測定。拉曼散射是依據(jù)光在光纖中傳播過程中，產生后向拉曼散射光譜的溫度效應。當入射的光量子與光纖物質分子產生碰撞時，產生彈性碰撞和非彈性碰撞。彈性碰撞時，光量子和物質分子之間沒有能量交換，光量子的頻率不發(fā)生任何改變，表現(xiàn)為瑞利散射光保持與入射光相同的波長；在非彈性碰撞時，發(fā)生能量交換，光量子可以釋放或吸收聲子，表現(xiàn)為產生一個波長較長的斯托克斯光和一個波長較短的反斯托克斯光。由于反斯托克斯光受溫度影響比較敏感，系統(tǒng)采用以斯托克斯光通道作為參考通道，反斯托克斯光通道作為信號通道，兩者的比值可以消除光源信號波動、光纖彎曲等非溫度因素，實現(xiàn)對溫度信息的采集[7]。

光時域反射技術(即OTDR原理)是對空間分布的溫度實現(xiàn)空間測量的理論基礎[8]。激光脈沖在光纖中傳輸時，在時域里，入射光經(jīng)過背向散射返回到光纖入射端所需時間為t，激光脈沖在光纖中所走過的路程為2L，有：

2L=V·t

(1)

(2)

式中，V為光在光纖中傳輸速度；C為真空中的光速；n為光纖折射率。

圖3 光纖后向散射原理示意圖

2 現(xiàn)場應用

2.1 采空區(qū)火災檢測系統(tǒng)設計

(1) 選取蒙西地區(qū)某煤礦進行現(xiàn)場實踐。多通道煤礦采空區(qū)光纖分布式溫度監(jiān)測系統(tǒng)結構如圖4所示。

多通道煤礦采空區(qū)光纖分布式溫度監(jiān)測系統(tǒng)包括：用戶終端、數(shù)據(jù)服務器、分布式光纖測溫主機、光纖接續(xù)盒、傳感光纖和導纖裝置。分布式光纖測溫主機由激光光源、光電檢測和處理模塊、光學系統(tǒng)、數(shù)據(jù)處理模塊組成，負責光脈信號的發(fā)生和光電信號的采集處理。系統(tǒng)通過光開關實現(xiàn)多通道的光路處理。

圖4 系統(tǒng)結構框圖

(2) 傳感光纖

傳感光纖是放入采空區(qū)內監(jiān)測溫度的傳感器。由于采空區(qū)內有煤矸石等重物，還可能受到采空區(qū)內頂板落物的沖擊，因此，傳感光纖除了易于生產和施工之外，還要能夠承受一定拉伸力和沖擊力。

1—涂覆層，2—鎧裝層，3—抗拉層，4—光纖圖5 傳感光纖結構圖

傳感光纖的結構如圖5所示。涂覆層是傳感光纖的第一層保護層，可以承受一定的沖擊力，鎧裝層是光纖的第二層保護層，鎧裝層與涂覆層間有一定的間隙形成緩沖區(qū)，可以進一步降低外部沖擊和拉伸力?？估瓕邮箓鞲泄饫w能夠承受一定的拉力，使之在受到浮煤的壓力后從導線裝置中順利拉出，而不至損壞。

2.2 現(xiàn)場設計

采空區(qū)內無法人工維護，為了避免由于光纖在采空區(qū)內被煤矸石砸斷而導致系統(tǒng)失效，采用三路光纖對蒙西地區(qū)某煤礦采空區(qū)內的溫度分布情況進行檢測。其中在16401運輸順槽1路，另兩路布設到了16401回風。布設之時，16401巷道長約1050 m。

光纜沿巷道煤壁鋪設，高度離底板一米左右，每隔一米用扎帶固定在防護網(wǎng)上，固定時要使光纜保持松弛；工作面外面的部分沿通信線纜掛鉤鋪設到分站位置，不得與高壓電纜綁在一起，鋪設的光纜應有適當?shù)乃沙诙?，防止意外受力或自由墜落時損傷光纜。光纜經(jīng)過磚墻、石頭墻及封堵密閉墻時，將膠管用壁紙刀割開套到光纜外以起到保護光纜的作用，避免被石頭擠斷。

采用光纖分布式測溫技術，將鎧裝測溫光纜預先沿兩順槽布設好，對采空區(qū)、采煤工作面、順槽等地點的環(huán)境溫度變化實現(xiàn)實時在線監(jiān)測。分布式光纖溫度監(jiān)測系統(tǒng)的感溫光纜，具有無源、不帶電、感溫精度高，監(jiān)測距離遠、施工方便等優(yōu)勢。感溫光纜可以沿井下采空區(qū)巷道敷設至采空區(qū)工作面，實時監(jiān)測沿途環(huán)境溫度分布趨勢，采空區(qū)溫度升高時可以發(fā)出預警信息，便于生產管理者及時做出檢查、治理等指導決策。

3 數(shù)據(jù)分析

表1列舉了16401工作面采空區(qū)內光纖測點距離開切眼10～174 m范圍的溫度記錄值。為了觀察方便，將表1中的溫度情況繪制成分布圖，如圖7所示。

圖6 16401工作面采空區(qū)溫度監(jiān)測系統(tǒng)框架示意圖

表1 距離開切眼10～174 m溫度記錄表

續(xù)表

圖7 采空區(qū)內光纖測點溫度分布圖

根據(jù)16401工作面及采空區(qū)的實際情況，選擇工作面、工作面運輸順槽、工作面回風順槽、采空區(qū)構建物理模型，進行數(shù)值模擬。建模過程中，考慮工作面、采空區(qū)物理條件非常復雜，影響因素繁多，為便于研究，做以下假設：

(1) 采空區(qū)內煤炭、冒落巖石與空氣等混合物視為各向同性的多孔介質層；

(2) 忽略工作面巷道內的設備、管線的影響；

(3) 不考慮各巷道沿傾斜或者走向的坡度變化；

(4) 在氣流中不存在熱源、熱匯，氣流各組份之間沒有化學反應；

(5) 粘性阻力系數(shù)和內部阻力系數(shù)在采高方向不發(fā)生變化。

計算模型及網(wǎng)格分布如圖8所示。進而利用CFD軟件Ansys Fluent求解數(shù)學模型，完成采空區(qū)溫度場計算內容。

將數(shù)值模擬結果與實測結果進行對比，如圖9所示。

通過對比，可以看出實測值和計算值的分布規(guī)律存在差異，但變化趨勢是一致的。出現(xiàn)差異的原因主要是實際工作面的情況較為復雜，計算過程中假設經(jīng)過防滅火技術的綜合作用下多數(shù)漏風源得到很好地防堵，但實際生產中漏風量高于計算時的情況，致使實測時受到風速的影響大，帶走熱量更多，所以溫升較慢一些。隨著工作面推進，實測情況下，漏入采空區(qū)的空氣多，氧氣較充分，采空區(qū)煤炭氧化釋放的熱量也多，所以溫升高于計算值。

4 結語

(1) 分布式光纖傳感系統(tǒng)的傳感介質為光纖，通過光纖光學特性的改變產生傳感量，在測量過程中只有光信號產生。系統(tǒng)容量大，易于實現(xiàn)多點多參數(shù)在線監(jiān)測；系統(tǒng)配置簡單，便于維護；具有自定位功能，故障點查找方便；真正意義上的線性監(jiān)測系統(tǒng)，可以實現(xiàn)對光纖沿線各個點的溫度應變在線監(jiān)測，在對較大空間范圍的連續(xù)監(jiān)測方面，具有獨特的應用價值。

(2) 基于光纖技術的采空區(qū)分布式溫度在線監(jiān)測系統(tǒng)，在16401工作面應用以來，對采空區(qū)內溫度進行了實時在線監(jiān)測，獲取了大量一手數(shù)據(jù)，同時積累了豐富的現(xiàn)場實踐經(jīng)驗。利用分布式光纖測溫系統(tǒng)，可監(jiān)測光纖光纜沿線的溫度分布，通過軟件可以實時定位、顯示采空區(qū)的溫度分布情況，為采空區(qū)內自然發(fā)火情況進行了有效監(jiān)控，為煤礦井下防火安全提供了依據(jù)。

(3) 綜合分析光纖測溫系統(tǒng)實測數(shù)據(jù)及數(shù)值模擬結果，掌握了采空區(qū)溫度分布及自然發(fā)火情況，表明光纖光柵技術能夠精確、連續(xù)測試采空區(qū)溫度變化，可以為清晰分析和判斷采空區(qū)自然發(fā)火規(guī)律提供良好數(shù)據(jù)資料。光纖傳感技術在煤礦安全上的研究應用將對認識煤礦災害形成機理和重大災害的預測預報技術的發(fā)展起到巨大的促進作用。

圖8 計算模型及網(wǎng)格劃分

圖9 模擬結果與實測結果對比

[1] 陸偉,胡千庭,等. 煤自燃逐步自活化反應理論[J].中國礦業(yè)大學學報,2007,36(1):111-115.

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Application of distributed optical fiber sensing system in fire monitoring in the goaf of coal mine

CHENG Gen-yin，CAO Jian，TANG Jing-jing，NIU Zhen-lei，ZHOU Yi-fei

(SafetyEngineeringCollege,NorthChinaInstituteofScienceandTechnology,Yanjiao, 101601,China)

In order to make up for the shortcomings of the beam tube monitoring system, the distributed optical fiber sensing system is applied to the goaf of coal mine by using the advantages of optical fiber sensing technology. Theoretical analysis and field practice show that the system can monitor and locate the high temperature point continuously, and has the characteristics of intrinsic safety, remote and distributed continuous measurement. At the same time, according to the analysis of monitoring data and the results of numerical simulation, the results show that optical fiber grating technology can accurately and continuously test the air temperature change in the goaf of coal, and provide good data that can clearly analyze and judge the goaf spontaneous combustion rule, and effectively compensate for the drawbacks of the existing detection technology. The research and application of optical fiber sensing technology in coal mine safety plays an important role in understanding the formation mechanism of coal mine disasters and the development of weighty disaster prediction technology.according to the analysis of monitoring data and the results of numerical simulation

distributed optical fiber sensing system; goaf of coal mine; fire detection; numerical simulation

2017-01-03

中央高?；究蒲袠I(yè)務費資助項目(3142015110)；國家自然科學基金資助項目(U1361130)

程根銀(1968-)，男，安徽安慶人，博士，教授，華北科技學院職業(yè)健康協(xié)同創(chuàng)新中心主任，長期從事安全工程專業(yè)教學、科研與管理工作。E-mail：gycheng@ncist.edu.cn

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1672-7169(2017)02-0001-06