采空區(qū)綜合環(huán)境光纖監(jiān)測(cè)系統(tǒng)在塔山礦的應(yīng)用

韓鼎業(yè)，侯利飛，劉宏杰

(晉能控股煤業(yè)集團(tuán)塔山煤礦公司 山西大同037003)

1 應(yīng)用背景

采空區(qū)綜合環(huán)境光纖監(jiān)測(cè)系統(tǒng)是一種可以同時(shí)進(jìn)行采空區(qū)內(nèi)溫度、頂板礦壓、頂板離層、水位和瓦斯等參數(shù)的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)綜合安全信息系統(tǒng)。同時(shí)利用上述參數(shù)對(duì)工作面采空區(qū)內(nèi)瓦斯、水位、溫度、礦壓等數(shù)據(jù)綜合分析密閉效果及煤柱留設(shè)合理性等，建立煤礦采空區(qū)環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫，進(jìn)而為采空區(qū)內(nèi)環(huán)境監(jiān)控實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化和高速反應(yīng)綜合監(jiān)控提供重要的科學(xué)依據(jù)，由于系統(tǒng)“采用國際先進(jìn)的光纖傳感技術(shù)，以其性能本質(zhì)安全，不受磁場(chǎng)干擾，數(shù)據(jù)穩(wěn)定準(zhǔn)確，傳輸距離遠(yuǎn)”[1]，從根本上填補(bǔ)了目前其他檢測(cè)手段無法監(jiān)測(cè)采空區(qū)環(huán)境狀態(tài)的技術(shù)空白。

2 采空區(qū)環(huán)境綜合光纖監(jiān)測(cè)系統(tǒng)原理

2.1 系統(tǒng)介紹

采空區(qū)綜合環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)可以對(duì)采空區(qū)內(nèi)瓦斯、溫度、水位、礦壓、頂板離層等數(shù)據(jù)進(jìn)行檢測(cè)報(bào)警，利用光纖通過光信號(hào)傳輸，不帶電，傳輸距離長，信號(hào)衰減小的特點(diǎn)，使其環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)數(shù)據(jù)穩(wěn)定準(zhǔn)確，不受磁場(chǎng)干擾，傳輸距離遠(yuǎn)，確保性能達(dá)到本質(zhì)安全，并對(duì)采空區(qū)進(jìn)行連續(xù)監(jiān)測(cè)，為采空區(qū)內(nèi)水、火、瓦斯、礦壓提供詳實(shí)數(shù)據(jù)。

本系統(tǒng)主要包括以下五個(gè)子系統(tǒng)：采空區(qū)光纖瓦斯在線監(jiān)測(cè)子系統(tǒng)、采空區(qū)光纖溫度在線監(jiān)測(cè)子系統(tǒng)、采空區(qū)光纖巷道頂板礦壓在線監(jiān)測(cè)子系統(tǒng)、采空區(qū)光纖透水在線監(jiān)測(cè)預(yù)警子系統(tǒng)、采空區(qū)光纖頂板沉降離層在線監(jiān)測(cè)預(yù)警子系統(tǒng)。

通過本項(xiàng)目的實(shí)施，可對(duì)采空區(qū)達(dá)到如下監(jiān)測(cè)：

（1）實(shí)現(xiàn)采空區(qū)內(nèi)實(shí)時(shí)環(huán)境溫度與瓦斯?jié)舛取⒒饏^(qū)溫度和火區(qū)位置的實(shí)時(shí)在線監(jiān)測(cè)。

（2）分析確認(rèn)采空區(qū)內(nèi)溫度與瓦斯氣體的變化趨勢(shì)，火災(zāi)發(fā)生范圍及預(yù)測(cè)未來火區(qū)發(fā)展趨勢(shì)。

（3）實(shí)現(xiàn)采空區(qū)內(nèi)水位與水溫實(shí)時(shí)在線監(jiān)測(cè)與超限報(bào)警。

（4）實(shí)現(xiàn)主要監(jiān)控點(diǎn)的頂板來壓情況的實(shí)時(shí)在線監(jiān)測(cè)及異常報(bào)警。

（5）實(shí)現(xiàn)頂板沉降離層狀態(tài)預(yù)警。

（6）對(duì)采空區(qū)密閉效果進(jìn)行評(píng)價(jià)。

圖1 采空區(qū)綜合環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)示意圖

2.2 采空區(qū)環(huán)境綜合監(jiān)測(cè)傳感器安裝數(shù)量及位置

（1）礦壓傳感器6只，間隔20 m，錨桿深度2.5 m，直徑22 mm，附帶螺母；用于監(jiān)測(cè)頂板壓力，其中一只已經(jīng)封在第一道密閉墻里面；

（2）頂板離層傳感器4只，間隔25 m，錨固段深度5 m，每只附帶貓爪及鋼絲繩5.5 m，用于檢測(cè)頂板的離層狀況；

（3）溫度傳感器24只，每兩只傳感器之間用鋼管保護(hù)，共使用23鋼管；用于檢測(cè)采空區(qū)內(nèi)溫度情況;

（4）水位傳感器1只。用于檢測(cè)采空區(qū)內(nèi)水位情況；

（5）瓦斯傳感器2只，用于檢測(cè)采空區(qū)內(nèi)瓦斯?fàn)顩r，其中一只已經(jīng)封在第一道密閉墻里面；

（6）礦區(qū)局域網(wǎng)內(nèi)電腦輸入http://10.25.23.15可以實(shí)時(shí)查看監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)。

3 采空區(qū)環(huán)境綜合監(jiān)測(cè)系統(tǒng)應(yīng)用及分析

3.1 采空區(qū)環(huán)境綜合監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的應(yīng)用

（1）8105工作面采空區(qū)光纖瓦斯在線監(jiān)測(cè)子系統(tǒng)

本系統(tǒng)包括YGXJ220（A）礦用光纖甲烷調(diào)儀1臺(tái)礦用光纖瓦斯傳感器3只，安裝方法如下：

解調(diào)儀的安裝：YGSJ220（A）礦用光纖甲烷解調(diào)儀放置于井上監(jiān)控中心，使用220 V交流電源供電，通過RS232與系統(tǒng)工控主機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，通過工業(yè)工業(yè)環(huán)網(wǎng)中通訊光纜的3芯光纖與井下延伸到8105密閉墻外的礦用通信光纜相接，在8105密閉墻內(nèi)的礦用通訊光纜通過三芯光纖與采空區(qū)內(nèi)布設(shè)的3個(gè)礦用光纖瓦斯傳感器相連接。

傳感器的安裝：3只礦用瓦斯傳感器安裝于8105采空區(qū)的密閉墻內(nèi)，按照以往多數(shù)自燃帶的劃分范圍，此次將前兩個(gè)瓦斯傳感器安裝于前100 m范圍內(nèi)，安裝地點(diǎn)分別距離密閉墻為30 m、90 m和180 m。傳感器可懸掛于采空區(qū)內(nèi)側(cè)壁上，離地高度在150 cm左右即可。傳感器尾纖分別通過留在相應(yīng)位置的光纖分線盒與礦用通信光纜相連接。

（2）8105工作面采空區(qū)光纖溫度在線監(jiān)測(cè)子系統(tǒng)

本系統(tǒng)包括YGSJ660（A）礦用光纖光柵解調(diào)裝置1臺(tái)礦用光纖溫度傳感器24只，安裝方法如下：

解調(diào)儀的安裝：YGSJ660（A）礦用光纖光柵解調(diào)裝置安裝于井下變電所內(nèi)，作用是將“多種傳感器返回的光信號(hào)解調(diào)為監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)”[2]，并在當(dāng)?shù)剡M(jìn)行顯示，設(shè)備使用660 V動(dòng)力電源或127 V照明電源供電，通過工業(yè)環(huán)網(wǎng)的通訊光纜中的一芯光纖將數(shù)據(jù)傳輸至井上光端機(jī)中，再通過井上的光端機(jī)將信號(hào)進(jìn)行轉(zhuǎn)換并傳輸至工控主機(jī)。

傳感器的安裝：礦用光纖光柵溫度傳感器用尾纖為φ6 mm的光纜串聯(lián)，傳感器每隔5 m～6 m布設(shè)一點(diǎn)，傳感器之間的焊點(diǎn)用焊點(diǎn)保護(hù)管（圖2）保護(hù)，選15 cm～20 cm長的塑料管，沿軸向剪開管子，并將傳感器通過此軸向的開口套入塑料管（圖3），傳感器所在部位用膠帶扎緊，尾纖在塑料管內(nèi)保留一定的冗余，并在塑料管的兩端用膠帶將尾纖扎緊，使之不能被拽動(dòng)，以防在后期施工時(shí)拉壞傳感器。

圖2 焊點(diǎn)保護(hù)管

圖3 鋼筒傳感器裝入剪開的塑料管

每12只傳感器共用一芯光纖，將熔接成串的礦用光纖溫度傳感器固定于信號(hào)傳輸主光纜上，并每隔1 m～2 m用膠帶固定一次，每個(gè)傳感器的鋼筒都要與主光纜固定，傳感器的尾纖不可固定得太緊，以防尾纖拉傷；最后將主光纜使用掛鉤懸掛于采空區(qū)的側(cè)壁上，每隔10 m左右布設(shè)一懸掛點(diǎn)即可。

（3）8105工作面采空區(qū)巷道光纖頂板形變?cè)诰€監(jiān)測(cè)子系統(tǒng)

本系統(tǒng)包括YGSJ660（A）礦用光纖光柵解調(diào)裝置1臺(tái)礦用光纖壓力傳感器6只，安裝方法如下：

解調(diào)儀的安裝：本子系統(tǒng)與采空區(qū)光纖溫度在線監(jiān)測(cè)子系統(tǒng)共用一臺(tái)YGSJ660（A）礦用光纖光柵解調(diào)裝置，在此不再多述；

傳感器的安裝：6個(gè)礦用光纖壓力傳感器在180 m長的距離內(nèi)平局分布，每隔30 m布設(shè)一只傳感器，主要安裝在采空區(qū)的頂板上，首先在監(jiān)測(cè)地點(diǎn)打180 cm深的孔，將孔的表面處理平滑，然后將預(yù)埋錨桿放入，澆注水泥砂漿，待水泥砂漿徹底固化后，然后將礦壓傳感器安裝上，將預(yù)緊螺栓擰緊，最后將傳感器的尾纖通過在布設(shè)點(diǎn)預(yù)留的分光盒連接到通訊光纜上，并將光纖尾纖用塑料膠管保護(hù)好，防止拉斷。

圖4 礦壓傳感器安裝圖

（4）8105工作面采空區(qū)光纖透水在線監(jiān)測(cè)預(yù)警子系統(tǒng)

采空區(qū)密閉墻設(shè)一用于抽水的“U”型管道，將一只水位傳感器在密閉墻外部從頂部抽水管道中伸入，放到U型管底部；另一只水位傳感器在密閉墻的內(nèi)部，放于“U”型管的另一端，在密閉墻內(nèi)部的一段“U”型管需在底部大直徑1 cm左右的空若干，以使采空區(qū)內(nèi)的水可流入“U”型管內(nèi)。通過計(jì)算U型管底部與地面的高度差和測(cè)得的水位高度之和即為采空區(qū)內(nèi)水位。

圖5 水位傳感器施工簡圖

3.2 采空區(qū)環(huán)境綜合監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的分析

通過8105工作面采空區(qū)進(jìn)行環(huán)境綜合監(jiān)測(cè)應(yīng)用，實(shí)時(shí)有效掌握了采空區(qū)內(nèi)部的瓦斯、溫度、水位、礦壓、頂板離層等數(shù)據(jù)，通過數(shù)據(jù)的整理分析，對(duì)所監(jiān)測(cè)出的異常數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)警，解決采空區(qū)綜合環(huán)境監(jiān)測(cè)的盲區(qū)，具體數(shù)據(jù)如下圖：

圖6 實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)查詢界面

圖7 瓦斯?jié)舛仍诰€監(jiān)測(cè)系統(tǒng)

圖8 報(bào)警事件查詢界面

4 結(jié)語

光纖監(jiān)測(cè)技術(shù)集傳感與傳輸于一體，傳輸距離長，信號(hào)衰減小可實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離測(cè)量與監(jiān)控，在采空區(qū)綜合環(huán)境監(jiān)測(cè)中的應(yīng)用可以對(duì)采空區(qū)內(nèi)瓦斯、溫度、水位、礦壓、頂板離層等數(shù)據(jù)進(jìn)行連續(xù)性監(jiān)測(cè)，有效報(bào)警，解決了我們目前面臨的采空區(qū)密閉后內(nèi)部綜合環(huán)境監(jiān)測(cè)的盲區(qū)，為采空區(qū)的治理提供了可靠的數(shù)據(jù)支撐，為研究煤柱優(yōu)化提供了基礎(chǔ)資料。