分布式光纖測溫系統在塔山礦的應用

張 慧

（1.太原理工大學采礦工藝研究所，太原 030024；2.大同煤礦集團大唐塔山煤礦公司,山西 大同 037001）

分布式光纖測溫系統在塔山礦的應用

張 慧1，2

（1.太原理工大學采礦工藝研究所，太原 030024；2.大同煤礦集團大唐塔山煤礦公司,山西 大同 037001）

煤礦開采過程中的火災事故，與井下不同空間位置溫度的高低有關。為了實現在礦井不同位置對溫度實時在線快速監測，應用分布式光纖測溫系統監測井下溫度變化與分布情況，力圖快速準確的判斷各點的溫度變化趨勢，進而評判發生火災事故的可能性。實踐表明，分布式光纖測溫系統的使用可為礦井的防火減災工作提供重要的決策依據。

分布式；光纖測溫系統；實時監測

上世紀七十年代開始，光纖通信技術飛速發展，隨后逐步衍生發展出光纖傳感技術。其核心載體為光波，光纖作為傳輸媒質，測量被測空間、環境實際參數信號的新傳感技術[1]。參數信號的載體光波以及媒質光纖本身具有較多其它傳輸載體與媒質所不具備的優點[2]。

作為載體的光波不受電磁干擾，在極其惡劣的地質環境下，能夠實現對溫度、振動等參數的精確測量，通過光-電信號轉換，將數據傳輸至PC機，運用精確算法進行數據處理。光纖的工作頻帶寬，動態監測范圍大，適合于較大范圍的遙測遙控，是目前最好的的低能耗傳輸方式。在大多數條件下，光纖有較高的測量加載敏感度，是目前敏感度較高的傳感元件。

光纖測量技術是光纖領域重要的發展方向之一。因光纖具有電絕緣性好、耐腐蝕、柔性彎曲（可撓）性好、測量范圍大、敏感度高、體積小、重量輕等特點，對傳統溫度傳感器能起到擴展提高的作用，完成傳統溫度傳感器很難完成、甚至不能完成的任務。光纖傳感技術應用于溫度測量方面，還具有準確性高、實時性好、頻帶寬、防爆、阻燃、抗干擾等優點，因此光纖溫度傳感技術受各國科研人員高度重視并對其進行完整深入的研究。它可用于礦山、電力、冶金、化工等領域，解決環境惡劣場所的溫度測量與控制問題[3]。

分布式光纖測溫技術以光波為載體、光纖為媒質對沿光纖分布的溫度場可連續實時測量，可以連續地測量沿其分布的溫度場的實時信息，這對現代化大型煤礦十到幾十平方千米范圍內火災監測與防治決策，具有實際應用價值。為此，對該系統在大同塔山礦的測溫系統布置及其應用，開展了多方面的實用研究，以下是通過監測溫度來評價礦井火災威脅程度的研究成果總結[4]。

1 光纖測溫報警系統工作原理與功能介紹

1.1 光纖測溫報警系統工作原理

分布式光纖測溫報警系統主要工作原理是依靠光纖的后向拉曼散射溫度效應和光時域反射計原理。

分布式光纖測溫報警系統是利用拉曼散射效應進行溫度測量，利用OTDR技術進行溫度點定位。當主處理器中的激光源向光纖發射905 nm的光脈沖后，由于光的散射會引起光波的能量損耗，光脈沖大部分能傳到光纖末端并消失，而小部分（攜帶有用溫度信息）后向散射光會沿著光纖反射回來，對這一后向散射光進行過濾分析，將拉曼散射光與其他后向散射光進行區分，由于拉曼散射光攜帶著溫度信息，然后通過上位機對這部分拉曼散射光進行DSP處理，從而可以提取出所需要的環境溫度的信息。

1.2 測溫系統的主要功能

1）礦井巷道與工作面場所溫度的實時監控。在礦井內，設計并安裝布置分布式光纖測溫系統，實現巷道與工作面各點（位置）溫度的實時監控，做到早期預警。2）利用光纖的長度，實現溫度的分布式測定。DTS系統實時顯示每隔1 m距離的各點溫度變化，并能連續監測溫度信號，對任意溫度點實現溫度超限報警。

1.3 分布式光纖的安裝

感溫光纖直接在皮帶中心底部直線敷設1根光纜。約每隔1 m使用捆扎帶或細鋼絲將光纜固定在底架上，以保證良好的溫度傳導。

2 塔山礦光纖測溫系統實測布置與測試結果分析

2.1 塔山礦光纖測溫系統的布置

在塔山煤礦，分布式光纖測溫系統的布置測試方案見圖1。主要測試運煤皮帶運行過程中的升溫變化情況，對膠帶的溫度與膠帶起燃點的溫度臨界值相互比較，并進行溫度預警，保證皮帶的安全正常運行。監測涉及的運輸膠帶機有7001、7002、8101和8102膠帶運輸機，同時還有5個精煤倉的溫度變化，監測散體精煤的溫升，確保其不發生自燃。

2.2 塔山礦光纖測溫系統的測試結果與分析

塔山礦井下大巷膠帶運輸機運行時，實測的溫度分布實施顯示，見圖2。

由圖2可知，塔山礦膠帶運輸機運行過程中，分布式光纖測溫系統實時在線測試顯示的皮帶運轉溫度，沿皮帶長度并非是均勻分布的，有高有低，一般的溫度為25℃～28℃，低于30℃。但在長度的個別位置或小范圍內，也有溫度超過30℃的情形，如在575 m位置，溫度32℃～33℃;在710 m位置，溫度32℃;在1 000～1 100 m位置，溫度30℃～37℃；在1 200～1 250 m位置，溫度30℃～32℃；在1 350 m位置，溫度30℃～33℃；在1 525～1 575 m位置，溫度30℃～34℃;在1 625～1 675 m位置，溫度30℃～34℃;在1 700～1 750 m位置，溫度30℃～48℃;而在2 200m位置，溫度達到38℃。

總體而言，膠帶運輸機運行過程中，實測的溫度大于36℃的較高點有3處，即1 000～1 100 m范圍（37℃），1 700～1 750 m范圍（48℃）；2 200 m位置，溫度達到38℃。此三點膠帶運行溫度較高，應下井查清其是何種原因引起，并采取措施，降低溫升，避免長時溫升引起膠帶自燃火災事故。

此外，查資料可知，一般國內生產膠帶運輸機的鋼絲芯皮帶自燃溫度為320℃～340℃[5]，因此運行溫度低于臨界自燃溫度點，膠帶運輸機使用是安全的。

3 結論

通過在塔山礦應用分布式光纖測溫度系統，測試膠帶運輸機運行溫度的防火預警研究，有如下主要結論：

1）分布式光纖測溫度系統，集傳感與傳輸于一體，可實現遠距測量與監控，適合于機電設備特別是膠帶機與煤層自燃發火的防火預警工程。

2）測溫系統的可以以較低的成本采集較大的數據信息，測量范圍寬、精度高、空間分辨率高以及抗電磁干擾性強，因此可適用于易燃爆等較為危險的場合。

3）實測膠帶運轉溫度，一般溫度為25℃～28℃，實測溫度大于36℃的較高點有3處，即1 000～1 100 m范圍（37℃），1 700～1 750 m范圍（48℃）；2 200 m位置，溫度達到38℃。應下井查清其是何種原因引起，并采取措施，降低溫升，避免長時溫升引起膠帶自燃火災事故。

4）一般國內生產膠帶運輸機的鋼絲芯皮帶自燃溫度為320℃～340℃，實測運行溫度低于臨界自燃溫度點，膠帶運輸機使用安全。

[1]于學謙.礦井運輸機械[M].徐州：中國礦業大學出版社，1998.

[2]余明高.礦井火災防治[M].北京：國防工業出版社，2013.

[3]齊冀,彭泓,王濤.基于模糊信息融合的礦井火災監測系統研究[J].煤礦機電,2009（3）：34-37.

[4]周心權，鄔燕云，朱紅青，等.煤礦災害防治科技發展現狀與對策分析[J].煤炭科學技術，2002，30（1）：1-5．

[5]戚穎敏.我國煤礦火災防治技術的現代發展與應用[J].煤，1999，8（2）：1-4．

Application of Distributed Optical Fiber Temperature System in Tashan Mine

ZHANG Hui1,2

(1.Mining Technology Institute,Taiyuan University of Technology,Taiyuan 030024,China; 2.Datang Tashan Mine,Datong Coal Mine Group,Datong 037001,China)

Fire accidents in coal mining correlate with temperature in different locations in mines. Distributed optical fiber temperature system is adopted to realize real-time and rapid monitoring of the temperature variation and distribution in order to judge the trend and to evaluate the fire accident possibility.The practice shows that the application of the system could provide an important basis for decision making in the fire prevention and control.

distributed;optical fiber temperature sensor;real-time monitoring

TM76

A

1672-5050（2015）01-0073-03

10.3969/j.cnki.issn1672-5050sxmt.2015.01.024

（編輯：武曉平）

2014-10-30

張慧（1981-），男，山西應縣人，在讀工程碩士研究生，助理工程師，從事礦井安全管理監控工作。