分布式激光系統(tǒng)在煤礦行業(yè)的應(yīng)用研究

金祥

（鐵峰煤業(yè)有限公司，山西 朔州 037200）

隨著我國(guó)煤礦開(kāi)采深度的增加，煤的自燃發(fā)火災(zāi)害呈現(xiàn)出逐年顯著增加的趨勢(shì)。礦井火災(zāi)是一種突發(fā)性災(zāi)害，它帶來(lái)的影響不容小覷，會(huì)給單位和個(gè)人造成不可挽回的財(cái)產(chǎn)經(jīng)濟(jì)損失和生命損失。盡管當(dāng)前礦井防滅火技術(shù)有了技術(shù)突破，但是礦井火災(zāi)時(shí)有發(fā)生，尤其是近幾年，各地礦井重大火災(zāi)事故時(shí)有發(fā)生，不僅給煤炭企業(yè)帶來(lái)難以估量的社會(huì)負(fù)面影響和嚴(yán)重的經(jīng)濟(jì)損失，也危害了人民的生命安全。由于缺少有效的技術(shù)手段，火災(zāi)事故仍是目前煤礦安全中尚難以有效解決的災(zāi)害。本項(xiàng)目利用分布式激光系統(tǒng)，在南陽(yáng)坡礦8702、增子坊8306綜采工作面進(jìn)行火災(zāi)防治的工作。

1 常用的火災(zāi)監(jiān)測(cè)方法

目前礦井企業(yè)常用的火情監(jiān)測(cè)方法有三種：氣相色譜法、激光火情氣體監(jiān)測(cè)法、光纖測(cè)溫法等。其中氣相色譜儀是比較傳統(tǒng)的火情監(jiān)測(cè)方法。而采用激光氣體監(jiān)測(cè)技術(shù)，是當(dāng)前國(guó)內(nèi)外較為領(lǐng)先的火情監(jiān)測(cè)技術(shù)。它在線監(jiān)測(cè)采空區(qū)的各種氣體成分濃度，同時(shí)又利用光纖測(cè)溫法實(shí)時(shí)對(duì)采空區(qū)進(jìn)行測(cè)溫。

而分布式激光火情監(jiān)測(cè)系統(tǒng)與傳統(tǒng)火情監(jiān)測(cè)系統(tǒng)相比，克服了預(yù)警慢、無(wú)法定位等缺陷，具有自動(dòng)化程度高、實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)、定位準(zhǔn)確等優(yōu)勢(shì)。

2 分布式激光系統(tǒng)的組成部分

本項(xiàng)目的激光火災(zāi)監(jiān)控系統(tǒng)包括井下監(jiān)測(cè)設(shè)備、數(shù)據(jù)傳輸網(wǎng)絡(luò)和地面設(shè)備三部分組成，其中：井下火災(zāi)監(jiān)測(cè)設(shè)備主要由激光氣體檢測(cè)主機(jī)、分布式光纖測(cè)溫控制柜、氣體采樣泵和過(guò)濾器等組成，由多個(gè)相鄰的區(qū)域組成一個(gè)火災(zāi)檢測(cè)單元，通過(guò)在礦井井下部署火災(zāi)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)設(shè)備，實(shí)現(xiàn)煤礦火災(zāi)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)的取氣和氣體分析自動(dòng)化以及被監(jiān)測(cè)區(qū)域的分布式實(shí)時(shí)溫度測(cè)量。

數(shù)據(jù)傳輸網(wǎng)絡(luò)包括兩部分：井下數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)和地面數(shù)據(jù)傳輸網(wǎng)絡(luò)。技術(shù)人員為了提高數(shù)據(jù)傳輸?shù)乃俣?，利用太網(wǎng)光纖環(huán)網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)作為數(shù)據(jù)傳輸網(wǎng)絡(luò)，利用南陽(yáng)坡、增子坊原有的以太網(wǎng)，實(shí)現(xiàn)基于以太網(wǎng)的火災(zāi)監(jiān)測(cè)參數(shù)與地面火災(zāi)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的高速通信。

地面設(shè)備由一個(gè)以太網(wǎng)的數(shù)據(jù)主機(jī)聯(lián)系，通過(guò)分析地下的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)來(lái)監(jiān)測(cè)井下的溫度和氣體濃度。

3 分布式激光系統(tǒng)在工作面火災(zāi)中的工作原理

3.1 分布式激光系統(tǒng)的創(chuàng)新點(diǎn)

分布式激光系統(tǒng)的創(chuàng)新點(diǎn)有六點(diǎn)：快速抽氣自動(dòng)切換技術(shù)；抽氣管路診斷監(jiān)測(cè)技術(shù)；煤自燃發(fā)火預(yù)警模型技術(shù)；煤礦火災(zāi)監(jiān)測(cè)預(yù)警系統(tǒng)技術(shù)；利用TDLAS 波長(zhǎng)調(diào)制吸收光譜技術(shù)連續(xù)監(jiān)測(cè)采空區(qū)CH4/CO/O2/C2H4/C2H2/CO2/N2等氣體濃度；利用光纖傳感技術(shù)實(shí)現(xiàn)采空區(qū)分布式長(zhǎng)距離連續(xù)測(cè)溫。

TDLAS 技術(shù)在行業(yè)里被稱為可調(diào)諧半導(dǎo)體激光吸收光譜技術(shù)，它利用長(zhǎng)光程反射結(jié)構(gòu)結(jié)合波長(zhǎng)調(diào)制和二次諧波檢測(cè)技術(shù)對(duì)含不同濃度CH4/CO/O2/C2H4/C2H2/CO2/N2等 氣 體（100ppm、200ppm、400ppm、600ppm）進(jìn)行試驗(yàn)，研究不同溫度和不同壓強(qiáng)下，CH4/CO/O2/C2H4/C2H2/CO2/N2等氣體的濃度。基于TD?LAS技術(shù)的激光發(fā)生裝置，包括主控單元、調(diào)制信號(hào)發(fā)生單元、鋸齒波信號(hào)發(fā)生單元、信號(hào)疊加單元、電壓電流轉(zhuǎn)換單元以及激光器。TDLAS檢測(cè)裝置的設(shè)置，可以提高采空區(qū)火情氣體濃度的測(cè)量精度，減小采空區(qū)的低頻噪聲干擾。

為了提高實(shí)時(shí)檢測(cè)的準(zhǔn)確性，本項(xiàng)目將采空區(qū)分為若干個(gè)防火分區(qū)，每個(gè)分區(qū)長(zhǎng)度約為100m，若干個(gè)分布式光纖傳感器均勻分布在這幾個(gè)防火分區(qū)里，每個(gè)傳感器之間間隔一定數(shù)量的距離。整個(gè)采空區(qū)防火分區(qū)共用一根分布式感溫光纖。在一定范圍內(nèi)形成一定量的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)點(diǎn)，并通過(guò)一根特定長(zhǎng)的傳輸光纜對(duì)整個(gè)采空區(qū)區(qū)域的傳感系統(tǒng)進(jìn)行監(jiān)測(cè)。

3.2 分布式激光系統(tǒng)的裝置原理

分布式激光系統(tǒng)裝置，由兩臺(tái)測(cè)量計(jì)算機(jī)主機(jī)和配套的光纖技術(shù)監(jiān)測(cè)探頭和TDLAS 波長(zhǎng)調(diào)制吸收光譜技術(shù)裝置組成。測(cè)量主機(jī)分別裝置在地上控制室和地下采空區(qū)區(qū)域。地下的監(jiān)測(cè)探頭安裝在采空區(qū)各個(gè)需要監(jiān)測(cè)火情氣體濃度的地點(diǎn)。裝置利用最先進(jìn)的TDLAS波長(zhǎng)光譜技術(shù)，對(duì)各個(gè)分布的光纖實(shí)現(xiàn)激光的復(fù)用。

利用分布式光纖測(cè)溫的特點(diǎn)，拉曼散射信號(hào)相對(duì)容易獲?。ㄒ?jiàn)圖1），所以，在采空區(qū)，每個(gè)防火區(qū)的信號(hào)就容易被獲取。原理是利用各個(gè)采空區(qū)的煤壁上的光纖，將地下監(jiān)測(cè)到的溫度數(shù)據(jù)和空氣氣體濃度的數(shù)據(jù)，利用光纖環(huán)網(wǎng)將這些實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)傳送到地面控制室的主機(jī)，再用大數(shù)據(jù)等高新技術(shù)對(duì)收集來(lái)的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理分析，并將這些數(shù)據(jù)收錄到數(shù)據(jù)庫(kù)平臺(tái)。一旦收錄來(lái)的數(shù)據(jù)超過(guò)了平臺(tái)設(shè)定的數(shù)據(jù)值，系統(tǒng)就會(huì)自動(dòng)報(bào)警，并及時(shí)采取滅火等措施，最終起到一定的預(yù)警作用。

圖1 三種散射光的反射光強(qiáng)度和反射光波長(zhǎng)的關(guān)系

4 現(xiàn)場(chǎng)具體應(yīng)用

4.1 采空區(qū)火災(zāi)檢測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

南陽(yáng)坡礦8702煤礦的采空區(qū)光纖分布式測(cè)溫系統(tǒng)由以下六部分組成：一個(gè)計(jì)算機(jī)客戶端、幾個(gè)數(shù)據(jù)服務(wù)器、一個(gè)分布式光纖測(cè)溫主機(jī)、數(shù)個(gè)光纖接續(xù)盒、一定長(zhǎng)度的傳感光纖和一個(gè)光纖裝置。分布式光纖測(cè)溫主機(jī)負(fù)責(zé)整個(gè)南陽(yáng)坡礦8702的光脈信號(hào)的發(fā)生和光電信號(hào)的收集處理分析。通過(guò)光開(kāi)關(guān)的開(kāi)合實(shí)現(xiàn)測(cè)溫系統(tǒng)的光路處理。

4.2 傳感光纖

傳感光纖是放入礦井采空區(qū)內(nèi)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)溫度的傳感器。由于采空區(qū)內(nèi)時(shí)常有石塊重物等尖銳物體的下落和沖擊，有時(shí)候還會(huì)有水透現(xiàn)象出現(xiàn)，因此，傳感光纖的選擇除了易于搬運(yùn)之外，還要有一定延展性、防滲透性和抗沖擊性。

4.3 現(xiàn)場(chǎng)設(shè)計(jì)

由于煤礦采空區(qū)進(jìn)出不方便，無(wú)法對(duì)采空區(qū)的光纖進(jìn)行及時(shí)的人工維護(hù)和檢修，為了避免因光纖在采空區(qū)內(nèi)被煤矸石砸斷或者因光纖滲透老化而導(dǎo)致系統(tǒng)失效，要對(duì)光纖進(jìn)行必要的防護(hù)措施。

光纖的防護(hù)遵循三個(gè)原則：一是松、二是準(zhǔn)、三是穿?！八伞敝傅氖枪饫|要保持松弛狀態(tài)，不可緊繃。地下光纜的鋪設(shè)是沿著采空區(qū)的地下巷道的煤壁展開(kāi)，在大約離底板1m 左右的地方開(kāi)始鋪設(shè)，每隔1m 工作人員需要用堅(jiān)固的包扎帶把光纖固定在防護(hù)網(wǎng)上，固定時(shí)不可把光纖繃直，要保持一定的松弛度?！皽?zhǔn)”指的是工作面外面的部分光纖需沿著通信線纜掛鉤的位置鋪設(shè)到每個(gè)分站位置，并且單獨(dú)在一處，不得與高壓電纜捆綁在一起。切記所有鋪設(shè)的光纖光纜都應(yīng)保持適中的松弛度，防止任何外力因素?fù)p傷光纖。“穿”指的是光纜在鋪設(shè)過(guò)程中如果遇到磚墻、石頭墻等堅(jiān)硬物體時(shí)，需將膠管用壁紙刀割開(kāi)，套到光纜外面以保護(hù)光纜，避免光纖被尖銳物體擠斷。

采用光纖分布式測(cè)溫技術(shù)，對(duì)煤礦的每個(gè)特定區(qū)域都能進(jìn)行實(shí)時(shí)的溫度檢測(cè)。感溫光纜的好處，在于不導(dǎo)電、感知度高、監(jiān)測(cè)距離遠(yuǎn)、施工方便等。

4.4 數(shù)據(jù)分析

2019年1月18日～6月18日光纖測(cè)量的溫度曲線見(jiàn)圖2。

圖2 光纖傳感技術(shù)測(cè)量溫度的歷史節(jié)點(diǎn)

光纖測(cè)量的溫度數(shù)據(jù)及結(jié)合束管檢測(cè)的時(shí)間以及束管抽氣口切換時(shí)間綜合分析后發(fā)現(xiàn)，氣體監(jiān)測(cè)值發(fā)生變化的時(shí)間，與抽采管切換抽氣口的時(shí)間一致，此時(shí)我們發(fā)現(xiàn)氣體監(jiān)測(cè)值突變的原因與礦井采空區(qū)抽采及火情監(jiān)測(cè)束管在附近時(shí)的氣體流場(chǎng)有關(guān)。當(dāng)抽采管的管口直徑變大時(shí)，抽采流量會(huì)變快。

當(dāng)?shù)V井采空區(qū)內(nèi)側(cè)的瓦斯抽采口關(guān)閉，并打開(kāi)上邊角落里的一個(gè)側(cè)下一個(gè)瓦斯抽采口，此時(shí)光纖測(cè)溫的抽采口可以向外切換，束管吸氣口會(huì)逐步遠(yuǎn)離抽采口。當(dāng)測(cè)溫距離抽采口超過(guò)一定距離時(shí)，基本不再受抽采影響，所抽取的火情氣樣的溫度與現(xiàn)場(chǎng)位置的氣樣相似。

根據(jù)以上數(shù)據(jù)的分析，分布式激光系統(tǒng)的光纖測(cè)溫技術(shù)的有效性受采管影響。為最小限度地降低抽采口對(duì)束管取樣的影響，應(yīng)將束管及測(cè)溫光纖布置在無(wú)抽采管道或不受抽采管道影響的位置。這樣做的好處就是提高數(shù)據(jù)的科學(xué)性、精準(zhǔn)性和實(shí)效性。

4.5 經(jīng)濟(jì)效益

（1）是防滅火監(jiān)測(cè)技術(shù)方面的革命性變革，氣體組分分析具有科學(xué)性、精確性、時(shí)效性，能夠?yàn)榉罍缁鸸ぷ魈峁┛茖W(xué)、可靠、精準(zhǔn)的數(shù)據(jù)分析來(lái)源；

（2）潛在經(jīng)濟(jì)效益明顯，節(jié)約了人力資源成本，減少了人工取樣程序、提高了設(shè)備使用效率；

（3）每年可節(jié)約傳統(tǒng)束管監(jiān)測(cè)系統(tǒng)維修、束管及配件費(fèi)用8萬(wàn)元；

（4）初期投入成本低，后期維護(hù)簡(jiǎn)單、方便。

5 結(jié)論

現(xiàn)在的系統(tǒng)較原來(lái)的束管系統(tǒng)抽氣距離短，能連續(xù)不間斷抽取采空區(qū)氣樣并實(shí)時(shí)分析數(shù)據(jù)，光纖傳感技術(shù)能實(shí)現(xiàn)采空區(qū)長(zhǎng)距離連續(xù)測(cè)溫，地面監(jiān)測(cè)臺(tái)能及時(shí)地顯示數(shù)據(jù)變化，并發(fā)出預(yù)警；是防滅火監(jiān)測(cè)技術(shù)方面的革命性變革，值得推廣應(yīng)用。