煤礦火災分布式光纖溫度監測預警系統

顏試

（淮南礦業集團，安徽淮南232007）

煤礦火災分布式光纖溫度監測預警系統

顏試

（淮南礦業集團，安徽淮南232007）

煤礦火災嚴重威脅煤礦安全生產，通過對現有礦井火災預測預報技術的分析，提出了采用分布式光纖測溫技術進行井下溫度監測，并與其他監測參數結合，對礦井火災進行預警，對保證煤礦安全生產具有重要意義。

煤礦火災；分布式光纖傳感器；溫度監測；預警

我國煤礦安全生產危險源多、災害嚴重的形勢非常嚴峻，礦井火災是直接威脅礦井安全生產的主要災害之一。礦井火災中，煤炭自燃導致的內因火災占相當大的比例。“十五”期間，全國657處重點煤礦中，有煤層自然發火傾向的礦井占54.9%，每年自燃形成的火災近400次，煤自燃氧化形成火災隱患近4000次，僅我國北方煤田累計已燒毀煤炭達42億t以上。內因火災作為煤礦生產安全的一大隱患，對其進行早期探測預警尤為重要[1]。

1.礦井火災預測預報技術

根據煤礦井下自燃發火的早期特征，其探測和判別方法有多種。常采用的有測溫法、氣體分析法等，也可以通過紅外圖象識別的方法來進行自燃發火的早期識別。

1.1 氣體分析法的監測手段主要有檢知管、氣體傳感器、便攜儀表及色譜分析儀等。檢知管操作手段落后，自動化程度低；氣體傳感器具有體積小、電信號輸出、使用方便等特點，但多數氣體傳感器的穩定性、靈敏度和壽命尚有不盡人意的地方；色譜分析法是氣體分析的最精確、穩定和可靠的方法。

1.2 測溫法也是煤自然發火監測的常用方法，主要用于煤層巷道異常點溫度的監測。溫度監測用的傳感器主要有熱電偶、測溫電阻、半導體測溫元件、集成溫度傳感器、熱敏材料、光纖、紅外線、激光及雷達波等。其中熱電偶、測溫電阻、半導體元件、熱敏材料和便攜式激光測溫儀表得到較廣泛的普及，而紅外熱成像、雷達探測等因受穿透距離、地質構造等因素的影響應用受到一定限制。

以上單個探測方法所測得的結果只能反映煤炭發生自燃某一個方面指標的變化，所獲得的信息片面，容易引起誤報或漏報。目前通過研究提出較為先進的預測預報技術是結合多種監測參數，以影響煤炭自燃的主要因素及不同探測方法所獲信息的互補性作為研究基礎，借助模糊推理在大量模糊和非模糊的信息下進行問題求解判斷和煤礦內因火災的早期預報，以提高預報的準確性。

1.3 溫度信息在礦井火災的預測預報中起很重要的作用，是多參數識別預警系統中不可缺少的參數。但常用的溫度檢測手段存在很多不足，嚴重影響火災預警的準確性。如：溫度傳感器需要電源供電、安裝位置受到限制；傳輸的信號是電信號，需要的電纜接線較多，信號傳輸距離短難以滿足大范圍長距離監測需要；手持移動設備檢測方便，但不能滿足長期實時在線監測等問題。分布式光纖測溫利用光信號在光纖中傳輸進行溫度的測量，本質安全，傳感一體，一根光纖即可完成溫度測量和數據傳輸，結構簡單，布設方便；測量光纖的長度可達到幾十公里，足以滿足井下大范圍長距離實時在線溫度監測的需要；光纖沿線測量的溫度數據連續，精度高，不存在盲點。這些優點正好滿足礦井大范圍長期溫度監測的需要，應用前景非常廣闊。本文介紹一種自行研制的分布式光纖測溫系統的原理和結構以及其在煤礦溫度監測中的應用。

2.分布式光纖測溫系統原理和結構

2.1 基本原理分布式光纖測溫系統是利用在光纖中傳輸的高功率光脈沖與光纖分子作用產生拉曼（Raman）散射光譜信號，溫度信號對散射光譜信號中的反斯托克斯（Anti-Stocks）散射光強度進行調制，反斯托克斯散射光攜帶散射區的溫度信息，用光時域反射（OTDR）技術獲取沿光纖長度方向的拉曼散射信息，從而實現分布式的光纖溫度傳感。實際測量中，利用瑞利（Rayleigh）散射光作為解調器，對反斯托克斯拉曼散射光進行解調就可以得到所需要的溫度信號[2]。

利用瑞利散射光功率曲線的解調方法是：首先測出整段傳感光纖在溫度T＝T0時的反斯托克斯拉曼散射光功率曲線和瑞利散射光功率曲線，即：

將式（1）和（2）作比較得：

然后在任意溫度T時測得反斯托克斯拉曼散射光功率曲線和瑞利散射光功率曲線，即：

將式（4）和（5）作比較得：

再將T0和T時根據式（6）得出的結果作比較可得：

由式（7）可反算得溫度分布曲線，即：

式中，PR(T)，PAS(T)，——分別為后向瑞利散射光和后向反斯托克斯拉曼散射光的光功率；ν——光在光纖中的傳輸速度；E0——泵浦光脈沖的能量；h，κ，——普朗克常數和玻爾茲曼常數；△ν——光纖的拉曼頻移量；，ΓR，ΓAS——分別為光纖中單位長度上的后向瑞利散射光和后向反斯克斯拉曼散射光的散射系數；，α0，αAS——分別為入射泵浦光(后向瑞利散射光)和后向反斯托克斯拉曼散射光在光纖中單位長度上的損耗系數；L——對應光纖上某一測量點到測量起始點的距離；T——該測量點處的絕對溫度；T0——已知的參考溫度值。

2.2 結構系統結構如圖1所示，反射光信號的強弱和注入光脈沖的強度有關，注入光脈沖的強度越大，產生的反射信號的強度越大，就越有利于提取有用的溫度信號。提高注入光功率的方法是采用光纖放大器。采用光通信用1550nm的高速調制半導體激光器，輸出50ns的脈沖，然后進入到光放大器進行功率提升，再通過1×3光纖耦合器入傳感光纖。這樣可以進一步縮短光脈沖的寬度，可以有效提高系統的空間分辨率。

圖1 分布式光纖溫度監測預警系統結構圖

使用光纖放大器以后，由于散射信號強度的提高，就可以不再采用輔助電路多，增益受溫度影響、不穩定的雪崩光電二極管（APD），而是采用高靈敏度寬帶PIN探測模塊，PIN模塊具有暗電流小，結電容小外圍電路簡單等優點，我們使其在恒溫條件下工作，配合優良的低噪聲放大器及高頻高精度低噪聲貼片元件，多級放大，每級低增益，分布式供電，并加以良好的屏蔽，以保證可靠性、帶寬和降低噪聲的要求。

光濾波器主要實現從光纖的后向散射光中分兩路分別濾出后向瑞利散射光和后向反斯托克斯拉曼散射光，該系統中使用的光濾波器采用多層介質膜干涉濾光片，以實現從光纖的后向散射光中分別濾出后向瑞利散射光和后向反斯托克斯拉曼散射光的功能。兩路信號經光放大電路放大處理后進入數據采集模塊，采集到的數據最后由計算機進行解調和處理。

3.感溫光纖特性、布設方式

根據分布式光纖測溫系統結構特點，將感溫光纜的一端做好插頭后插入主計算機上的光纖插口上，另一端順著巷道布設，間隔一段距離用鉚釘固定；煤層和采空區的測溫光纜，通過鉆機鉆孔后，鋪設在鉆孔中。根據溫度測量需要，可在一段范圍內鋪設多條測溫光纖，分別測量煤體、空氣溫度，提高預警的能力。

傳感光纖采用纖芯為9/125μm的單模光纖，緊包和光纜外護套材料均為PVC（聚氯乙烯）/LSZH（低煙無鹵），光纜直徑為3mm，質量為10.2 kg/km，最小彎曲半徑為60mm。系統溫度測量空間分辨率為1m，測溫精度為0.1℃，誤差范圍為±0.5℃，測量長度可達10km，測溫范圍為-45～120℃，圖2為實時監測到的巷道溫度分布圖。

圖2 巷道溫度分布圖

系統整根測線完成一次測量僅需要20秒，對溫度變化反應靈敏。系統計算機具有以下功能：（1）實時數據采集：通過光纖沿途采集的溫度信息，形成實時數據庫；（2）實時數據顯示：顯示當前采集得到的電纜實時溫度，實現準確定位；（3）超溫報警：根據不同要求設置報警和預警溫度，并可對電纜按段設置分區報警，對不同的部位進行不同標準的監控；（4）升溫速率報警：當電纜溫度達到用戶要求設定的升溫速率預定值時，可以報警、指出報警位置、數據存儲和打印；（5）歷史數據查詢：用戶可通過數據庫記錄的歷史數據查詢得到電纜某時刻、某日、某段時間的某點或某段的溫度、最高溫度等信息，并可生成表格打印；（6）特性曲線顯示：通過在歷史數據庫中選擇某種數據后，可作出數據的變化特性曲線便于分析。

4.結語

將分布式光纖測溫技術應用于煤礦火災預警的溫度監測，結構簡單，只需鋪設一根感溫光纖，傳輸的是光信號，本質安全。分布式光纖測溫作為一種新型的溫度測量技術有其明顯的特點:容易實現長距離大范圍連續的溫度測量,且測溫和定位精度高、安裝使用方便、受使用環境影響小、運行穩定可靠。系統通過實時監測溫度數據的變化結合其他監測參數對礦井火災進行預警，對保障煤礦安全生產具有積極的意義。

［1］梁運濤，羅海珠.中國煤礦火災防治技術現狀與趨勢[J].煤炭學報，2008，（2）：126-130.

［2］鄭曉亮，郭兆坤，謝鴻志，馬埒.基于分布式光纖傳感技術的凍結溫度場監測系統[J].煤炭科學技術，2009，（1）：18-21.

［3］韓遠紅，朱翔宇.分布式光纖測溫系統在煤礦火災預警中的應用[J].太原科技，2007，165（10）：91-92.

［4］馬賓，隋青美，徐健.分布式光纖傳感系統監測煤礦凍結表土段溫度[J].計量學報，2007，28（3A）：174-177.

U698.4

A

1672-0547（2010）06-0069-02

2010－09－21

顏試（1982-），男，安徽來安人，淮南礦業集團顧橋煤礦綜采三隊助理工程師。