分布式光纖測溫系統在塔山煤礦的應用

赫庭玉

（大同煤礦集團有限責任公司安全管理監察局，山西省大同市，037003）

分布式光纖測溫系統在塔山煤礦的應用

赫庭玉

（大同煤礦集團有限責任公司安全管理監察局，山西省大同市，037003）

介紹了塔山煤礦先進的分布式光纖測溫設備及技術，利用該系統本質安全性、多通道、數據實時性等優點，實現對礦井采空區內溫度環境的實時在線監測。

分布式光纖 采空區 溫度監測 塔山煤礦

塔山礦在開采石炭二疊紀特厚煤層過程中，由于煤層厚度較大，采用放頂煤開采過程中，不可避免地會在采空區留有余煤。在工作面停采撤退后，工作面密閉質量的好壞會對后續工作面的開采造成很大的影響，應用分布式光纖溫度監測技術對采空區內的溫度參數進行實時監測，保證采空區內溫度實時在線監測，對防止采空區遺煤自然發火等事故發生具有重要意義。由于系統采用國際先進的光纖傳感技術，以其性能本質安全，不受磁場干擾，數據穩定準確，傳輸距離遠，從根本上填補了目前其他檢測手段無法監測采空區環境狀態的技術空白。

1　系統介紹

分布式光纖溫度監測傳感技術以其對沿光纖分布的溫度場可連續實時測量的特點而成為光纖傳感技術中較為引人矚目的一項新技術，它具有無動力、抗干擾強等特點，研究分布式光纖溫度監測傳感技術在實際中的應用具有重要的意義。

1.1系統原理

分布式光纖監測系統的主要工作依據是光時域反射原理和光纖的后向拉曼散射（Raman Backscattring）溫度效應，當主處理機中的激光光源向光纖注入905 nm的光脈沖后，由于光的散射會引起能量的損耗，脈沖大部分能傳到光纖末端并消失，但一小部分（攜帶了有用信息）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，很容易將拉曼散射光與其他后向散射光區分開，由于拉曼散射光與溫度有著密切的關系，對這部分拉曼散射光進行DSP處理，從而提供有關溫度等參數信息，來實現對光纖周圍環境的溫度實時監測。

1.2系統特點

（1）實時性。可對溫度進行實時監控，做到早期預警。

（2）分布式。系統可實時監測并傳輸感溫光纖周圍環境溫度變化。連續監測信號，任意溫度點報警。

（3）先進性。分布式光纖溫度監測系統是在線監測的有效手段，在國外已經取代傳統的線性感溫材料，在技術上已非常成熟。

（4）準確性。終端機內的激光發射裝置每秒會發射上萬次的光脈沖，并將取樣溫度的平均值輸出到顯示系統，基本消除誤差；可設置多級定溫報警，并且可以根據環境不同進行修正；定溫報警的同時，還可以設定差溫報警，基本消除誤報。

系統核心部件采用先進的半導體激光器、高靈敏度的光電探測器和光纖濾波器，增加了原始信號幅度自動調整技術，進而根據需要實現自動調整，克服因光學器件工作時間長造成的信號偏移，使系統的可靠性和測量準確度大幅度提高。

（5）靈活性。可根據現場要求對測量時間、報警閥值等進行調整，針對環境變化設置多個不同報警控制區域，報警控制區可編程，每個單獨的報警區域可設置不同的報警值。

（6）安全性。感溫光纖本質安全，采用光信號，不會與動力電纜之間產生相互電磁干擾。遠程診斷功能可通過局域網由工程師提供實時的系統遠程診斷，如果光纖受損，系統可以即時定位受損點，并通過光纖熔接機對其進行熔接，無需停止測量。

（7）自動溫度校準。保證長期溫度的準確性，節約了后期維護成本。

1.3礦井采空區內溫度實時監控應用

1.3.1采空區光纜布置

采用直徑為8 mm的測溫光纜從停采線開始敷設，進風巷和回風巷各一條，回風巷光纜延伸至工作面停采支護位置，如圖1所示，用接線盒共同接入分站；敷設時把光纜固定在巷道側壁的預留掛鉤上，掛鉤距離地面約1.6 m，間隔2 m。

圖1　采空區測溫光纜鋪設位置

巷道內測溫光纜敷設穿過密閉墻時，為避免光纜受密閉墻體擠壓破損，需在封堵密閉墻時為光纜套裝絕緣橡膠保護套管，起到保護光纜的作用。

1.3.2數據測試

在系統安裝完畢后進行了模擬測試，將50℃的溫水灑在毛巾上然后鋪在感溫光纜上，在地面服務器觀察系統數據。

為避免測試偏差，共進行了兩次測試，兩次測試結果均準確地反映了測溫光纜監測到的實時溫度變化情況。

1.3.3數據對比

2006年末，塔山礦引進了國際先進的束管防火監測系統，系統主要用于監測采空區及停采密閉區內防火標志性氣體濃度。經過這幾年的運行，系統有效檢測了塔山煤礦采空區標志性氣體CO濃度范圍，為礦井防滅火工作積累了寶貴的經驗。

利用束管系統分析得到的采空區標志性氣體濃度和采空區光纖測溫系統所測溫度進行了關系分析。取一周內相關參數的平均值，分析結果見表1。

表1　采空區內溫度監測值與束管CO濃度監測數據關系分析

在封閉面初期，采空區內遺煤隨時間推移逐漸氧化釋放出CO氣體和熱量，當氧氣濃度降低到一定程度后，遺煤逐漸停止氧化減少熱量釋放，所以，由表1可以看出隨時間推移采空區內部CO濃度隨溫度有基本相似的上升及回落趨勢。

通過綜合利用采空區光纖測溫及束管標志性氣體監測等多種監測手段的綜合利用，可以使塔山煤礦采空區防火監測數據更加精確，通過總結數據并對比分析，為及時準確預測預報遺煤自燃火災提供了重要的依據。

2　結論

分布式光纖監測傳感器與傳統的溫度傳感器相比具有以下優點:集傳感與傳輸于一體，可實現遠距離測量與監控，一次測定就可以獲取整個光纖區域的一維分布圖，能在一條長達數千米的傳感器光纖環路上獲得幾百甚至幾千條信息，因此單位信息成本大大降低，測量范圍寬，具有高空間分辨率和高精度。在具有強電磁干擾或易燃易爆以及其它傳感器無法接近的環境下，分布式光纖監測傳感器具有極大的優勢。

通過使用分布式光纖溫度參考文獻：

監測技術，塔山煤礦礦井采空區溫度監測的實時性大幅提高。同時，結合采空區內防火標志性氣體濃度分析，可及時發現隱患并采取有效措施，使礦井采空區自然發火的可能性降到了最低。另外，未來礦井將嘗試在采煤工作面采空區、機電設備峒室及礦井輔運大巷頂部主要供電線路鋪設等地方延伸分布式光纖測溫系統的使用范圍，利用國際先進監測手段使礦井的防火減災工作更上一個臺階。

［1］ 彭超，趙健康，苗付貴.分布式光纖測溫技術在線監測電纜溫度［J］.高電壓技術，2006（8）

［2］ 劉揚，侯思祖.基于拉曼散射的分布式光纖測溫系統的分析研究［J］.電子設計工程，2009（1）

［3］ 韓紅遠，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（10）

［4］ 韓永溫，郝文杰，張林行等.基于拉曼散射原理的分布式光纖測溫系統研究［J］.半導體光電，2013（2）

［5］ 李福勇，秦加增，玄紀軍.KJ607礦用分布式光纖溫度監測及火災預警系統在煤礦中的研究與應用 ［J］.山東煤炭科技，2013（1）

［6］ 李安安，喬熙，劉陽等.光纖光柵監測系統在鉆井井壁健康監測中的設計與應用［J］.中國煤炭，2011（9）

［7］ 李小箭.分布式光纖溫度傳感器在井下設置的要求［J］.中國煤炭，2006（6）

（責任編輯 郭東芝）

Application of distributed fiber temperature monitoring system in Tashan Coal Mine

He Tingyu
（Safety Management Department，Datong Coal Mine Group Co.，Ltd.，Datong，Shanxi 037003，China）

The distributed fiber temperature monitoring equipment and technology in Tashan Coal Mine were introduced.Based on the advantages of essential security，multichannel，realtime data and so on，the real-time on-line temperature monitoring of goaf environment were achieved.

distributed fiber，goaf，temperature monitoring，Tashan Coal Mine

TD752

A

赫庭玉（1964-），男，山西大同人，在職研究生，高級工程師，現任山西同煤集團安全管理監察局總工程師，主要從事煤礦安全管理工作。