基于光纖測溫系統(tǒng)的礦井采空區(qū)“三帶”研究*

程根銀 唐晶晶 曹 健 牛振磊 周逸飛

(1.河北省礦井災(zāi)害防治重點實驗室，河北省三河市，065201；2.華北科技學(xué)院研究生處，河北省三河市，065201)

★ 煤礦安全 ★

基于光纖測溫系統(tǒng)的礦井采空區(qū)“三帶”研究*

程根銀1唐晶晶2曹 健2牛振磊2周逸飛2

(1.河北省礦井災(zāi)害防治重點實驗室，河北省三河市，065201；2.華北科技學(xué)院研究生處，河北省三河市，065201)

針對束管測溫系統(tǒng)存在的不足，利用光纖傳感技術(shù)的優(yōu)勢，將光纖分布式測溫系統(tǒng)應(yīng)用于煤礦采空區(qū)，以便及時監(jiān)測采空區(qū)內(nèi)溫度變化，準(zhǔn)確預(yù)報采空區(qū)自然發(fā)火前期表象，將自然發(fā)火抑制在早期階段。通過理論分析、試驗測試和現(xiàn)場工程實踐，表明光纖測溫系統(tǒng)可以對高溫點進(jìn)行連續(xù)監(jiān)測和定位，使定位精度誤差控制在 ±1 m。同時，對監(jiān)測數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，劃分采空區(qū)“三帶”范圍，符合礦井實際情況，為煤礦井下安全生產(chǎn)提供依據(jù)，對認(rèn)識煤礦災(zāi)害形成機(jī)理和重大災(zāi)害的預(yù)測預(yù)報技術(shù)的發(fā)展有很大的促進(jìn)作用。

光纖傳感 煤礦采空區(qū) 火災(zāi)監(jiān)測 自然發(fā)火 “三帶” 測溫系統(tǒng)

隨著煤礦開采深度逐年延伸，自然發(fā)火災(zāi)害愈加嚴(yán)重。自然發(fā)火不但導(dǎo)致煤礦生產(chǎn)接續(xù)緊張，而且對職工的生命安全構(gòu)成嚴(yán)重威脅，因此，一直困擾和制約著煤礦生產(chǎn)的發(fā)展和經(jīng)濟(jì)效益的提高。煤的自燃發(fā)展過程，實質(zhì)是其自身氧化速度加速的過程，其氧化速度之快，以致產(chǎn)生的熱量來不及向外界放散而導(dǎo)致了自燃。煤的氧化進(jìn)程既可在常溫下發(fā)生，也可在高溫下進(jìn)行，伴隨氧化過程的發(fā)展，其周圍空氣中的氧氣含量必然降低，周圍的溫度升高。在工作面回采過程中，對工作面進(jìn)巷、回風(fēng)巷及切眼位置進(jìn)行溫度監(jiān)測，及時發(fā)現(xiàn)溫度異常，將煤自燃抑制在早期階段，對控制預(yù)防采空區(qū)(工作面)自然發(fā)火具有重要意義。

目前，各個煤礦為監(jiān)測采空區(qū)自然發(fā)火情況，一般均采用束管監(jiān)測系統(tǒng)。束管監(jiān)測系統(tǒng)主要利用紅外技術(shù)對井下氣體成分進(jìn)行分析，實現(xiàn)CO、CO2、CH4、O2、N2(計算值)等氣體含量的監(jiān)測，對其含量變化情況進(jìn)行預(yù)測。雖然束管監(jiān)測系統(tǒng)取得了較好的效果，然而相比于光纖測溫系統(tǒng)，仍表現(xiàn)出許多劣勢，兩系統(tǒng)部分對比如表1所示。

表1 分布式光纖測溫系統(tǒng)與束管監(jiān)測系統(tǒng)對比

通過對比分布式光纖測溫系統(tǒng)與束管監(jiān)測系統(tǒng)，可以看出光纖測溫系統(tǒng)具有獨特的優(yōu)點：不帶電本質(zhì)安全、適用于煤礦井下易燃、易爆環(huán)境；光纖傳輸損耗小、距離遠(yuǎn)、不受電磁場干擾和溫度濕度影響，傳輸可靠性高；光纖傳感監(jiān)測系統(tǒng)容量大、易于實現(xiàn)多點多參數(shù)在線監(jiān)測，大大減少設(shè)備的種類和數(shù)量，系統(tǒng)配置簡單，便于維護(hù)；光纖傳感器具有分布式監(jiān)測的獨特優(yōu)勢，可以實現(xiàn)對光纖沿線各個點的溫度應(yīng)變在線監(jiān)測，在對較大空間范圍的連續(xù)監(jiān)測方面，具有獨特的應(yīng)用價值。

1 分布式光纖測溫系統(tǒng)

1.1 光纖分布式測溫系統(tǒng)

光纖分布式測溫系統(tǒng)由光信號發(fā)射模塊、光信號接收模塊、光波分復(fù)用模塊、DSP數(shù)據(jù)處理模塊以及定標(biāo)控溫模塊五大組成部分。此系統(tǒng)集光纖傳感、光纖通訊、信號解調(diào)、報警控制等功能于一體。典型的光纖分布式溫度傳感器系統(tǒng)能在整個連續(xù)的光纖長度上以距離的連續(xù)函數(shù)形式測量出光線長度變化上各點的溫度值。分布式光纖溫度傳感器的工作機(jī)理是基于光纖內(nèi)部光的散射現(xiàn)象的溫度特性，利用光時域反射測試技術(shù)(OTDR)，將較高功率窄帶光脈沖送入光纖，將返回的散射光強隨時間的變化探測出來。分布式光纖測溫原理如圖1所示。

1.2 分布式溫度監(jiān)測系統(tǒng)測試

采用對比方法對光纖光纜測溫效果進(jìn)行實驗室測試，測試過程如圖2所示。

圖1 分布式光纖測溫原理圖

1-PC機(jī);2-RS232接口;3-監(jiān)測系統(tǒng);4-1號、2號光纖光纜;5-水銀溫度計;6-水槽;7-傳感器圖2 光纖測溫系統(tǒng)實驗室測試示意圖

將在煤礦采空區(qū)現(xiàn)場敷設(shè)用的測溫光纖光纜任取2 m放入水槽，在水槽中加入熱水，每10 min用水銀溫度計測量一次水槽內(nèi)溫度并記錄，將記錄的溫度數(shù)據(jù)與光纖測溫系統(tǒng)軟件在該時間內(nèi)記錄的數(shù)據(jù)進(jìn)行比較。具體測量數(shù)據(jù)如表2所示。

經(jīng)水銀溫度計測定數(shù)據(jù)與軟件測試數(shù)據(jù)進(jìn)行的對比分析，考慮到光纜導(dǎo)熱有延遲及現(xiàn)場環(huán)境溫度影響等因素，1號光纖光纜與實際值均差3℃，2號光纖光纜與實際值均差4℃，把光纖測溫系統(tǒng)監(jiān)測數(shù)據(jù)系數(shù)重新修正，標(biāo)定后數(shù)據(jù)誤差在±2℃以內(nèi)。標(biāo)定后測量誤差在采空區(qū)溫度測量誤差范圍內(nèi)。

表2 分布式光纜測溫試驗數(shù)據(jù)

2 采空區(qū)遺煤溫度與“三帶”的關(guān)系

采空區(qū)劃分自燃“三帶”有3種標(biāo)準(zhǔn)：按照采空區(qū)內(nèi)漏風(fēng)風(fēng)速劃分；按照采空區(qū)內(nèi)部氧氣濃度劃分；按照采空區(qū)內(nèi)溫升率指標(biāo)劃分。前二者都是以采空區(qū)內(nèi)漏風(fēng)流情況為劃分“三帶”的依據(jù)，在采空區(qū)內(nèi)測量漏風(fēng)風(fēng)速是比較難做到的，而測量氧氣濃度相對容易些，但也面臨著采空區(qū)內(nèi)傳感器安裝、保護(hù)以及數(shù)據(jù)傳送等問題。

隨著分布式測溫技術(shù)在采空區(qū)試驗研究及應(yīng)用，行業(yè)內(nèi)提出通過溫升率指標(biāo)直接來判斷劃分采空區(qū)“三帶”。溫升率變化是指所監(jiān)測采空區(qū)內(nèi)溫度隨時間變化一直升高，當(dāng)變化率達(dá)到2℃/d，可判斷采空區(qū)內(nèi)發(fā)生自然氧化，采空區(qū)內(nèi)氧氣濃度高低只能說明有無氧化的必備條件，不能說明有無積熱條件，而溫升速度及變化能夠說明采空區(qū)內(nèi)浮煤氧化積熱的全過程，所以升溫率指標(biāo)作為劃分可能自燃帶的依據(jù)較為合理。

3 光纖測溫系統(tǒng)在煤礦中的應(yīng)用

3.1 7331工作面概況

徐莊煤礦7331工作面位于II(3)采區(qū)，地面標(biāo)高+32.20 m，東北部為井田邊界，西部為7234、7235工作面采空區(qū)以及II(3)采區(qū)上山，北部為未開采區(qū)域，南部為F14正斷層。走向長度754 m，傾向長度188 m。煤層厚4.0～5.8 m，平均厚度5.3 m，煤層傾角7°～13°，平均10°；工作面標(biāo)高 -510.8～ -603.5 m；容重1.37 t/m3，工作面儲量102.8萬t，回采率85%，回采煤量87.4萬t。工作面內(nèi)無鉆孔。

7331綜采工作面現(xiàn)采深為-550 m，一次采全高，采面地表溫度在26℃左右。對于綜采工作面最為突出的問題是采空區(qū)及材料巷、膠運巷、聯(lián)絡(luò)巷、開切眼的自然發(fā)火，因此布置測溫光纜選擇路線為開切眼——采空區(qū)——材料巷——II(3)上部變電所以及開切眼——膠運巷——II(3)上部變電所。

3.2 現(xiàn)場實施工藝

采用光纖分布式測溫技術(shù)，將鎧裝測溫光纜預(yù)先沿7331工作面進(jìn)風(fēng)巷和回風(fēng)巷兩巷道布設(shè)好，對采空區(qū)、采煤工作面、巷道等地點的環(huán)境溫度變化實時在線監(jiān)測，同時對高溫隱患點定位。感溫光纜沿井下7331工作面進(jìn)風(fēng)巷和回風(fēng)巷敷設(shè)至采煤工作面，實時監(jiān)測沿途環(huán)境溫度分布趨勢，待工作面開采產(chǎn)生采空區(qū)，感溫光纜即可監(jiān)測采空區(qū)內(nèi)溫度變化，溫度升高時可以發(fā)出預(yù)警信息，便于生產(chǎn)管理者及時作出檢查、治理等指導(dǎo)決策。7331工作面采空區(qū)溫度監(jiān)測系統(tǒng)框架如圖3所示。

圖3 7331工作面采空區(qū)溫度監(jiān)測系統(tǒng)框架示意圖

工作面巷道光纜沿巷道煤壁鋪設(shè)，高度離底板1 m左右，每隔1 m用扎帶固定在防護(hù)網(wǎng)上，固定時要使光纜保持松弛；工作面外面的部分沿通信線纜掛鉤鋪設(shè)到分站位置，不得與高壓電纜綁在一起，鋪設(shè)的光纜應(yīng)有適當(dāng)?shù)乃沙诙龋乐挂馔馐芰蜃杂蓧嬄鋾r損傷光纜。光纜經(jīng)過磚墻、石頭墻及封堵密閉墻時，將膠管用壁紙刀割開套到光纜外以起到保護(hù)光纜的作用，避免被石頭擠斷。

3.3 監(jiān)測結(jié)果分析

通過分布式測溫數(shù)據(jù)分析7331工作面采空區(qū)“三帶”范圍，隨機(jī)采集6月份3 d采空區(qū)190 m的數(shù)據(jù)，進(jìn)行對比分析。分析結(jié)果表明，隨著7331工作面回采完畢密閉后，采空區(qū)內(nèi)的溫度隨著離密閉墻的距離增加溫度先是減少，然后溫度相對劇升，最后趨近平穩(wěn)。溫度隨著距離的變化大致分為3個階段變化趨勢，第一階段約在0～30 m，溫度比大巷溫度稍低一些，變化相對較小些；第二階段約從30～90 m，溫度升高明顯，并且變化相對較大；第三階段從90 m往后，溫度隨距離變化不大，有下降的趨勢，接近地溫。到7月4號采空區(qū)內(nèi)部400 m溫度變化基本一致波動也不大，證明到目前采空區(qū)密閉較好無漏風(fēng)，由以上的分析及溫度變化規(guī)律初步判定出采空區(qū)的“三帶”范圍。

通過光纖分布式測溫及光纖多氣體對采空區(qū)的“三帶”范圍：散熱帶<30 m，30 m<氧化升溫帶<90 m，窒息帶>90 m。

通過對比相同開采條件下其他工作面采空區(qū)“三帶”范圍，此“三帶”范圍符合礦井實際情況。

4 結(jié)論

(1)利用分布式光纖測溫系統(tǒng)，將光纖光纜沿巷道布設(shè)于采面、采空區(qū)及巷道，可同時監(jiān)測沿線的溫度分布，通過軟件可以實時定位、顯示整個巷道的溫度分布情況，防止火災(zāi)的發(fā)生，為煤礦井下安全生產(chǎn)提供依據(jù)。

(2)煤礦安全生產(chǎn)光纖溫度在線監(jiān)測及自然發(fā)火預(yù)警系統(tǒng)采用長距離礦用鎧裝光纜作為溫度傳感器，與傳統(tǒng)的溫度傳感器相比具有本質(zhì)安全，耐腐蝕，不受電磁干擾等優(yōu)點，光纜沿走向敷設(shè)于井下巷道、工作面及采空區(qū)內(nèi)，也可直接埋設(shè)于火災(zāi)隱患的高溫區(qū)域，連續(xù)監(jiān)測長距離大范圍的環(huán)境溫度信息，為煤礦井下溫度監(jiān)測等應(yīng)用提供優(yōu)質(zhì)的溫度監(jiān)測方案。

(3)通過分析分布式光纖測溫系統(tǒng)對采空區(qū)的溫度監(jiān)測數(shù)據(jù)，進(jìn)而對采空區(qū)“三帶”進(jìn)行劃分，對比此礦井相同開采條件下其他工作面采空區(qū)“三帶”范圍，此“三帶”劃分合理，符合礦井實際“三帶”分布情況。由此可見，分布式光纖測溫系統(tǒng)可為深入研究礦井采空區(qū)自然發(fā)火預(yù)警規(guī)律提供有效技術(shù)手段，對礦井采空區(qū)災(zāi)害監(jiān)控有著重大意義。

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(責(zé)任編輯 張艷華)

《煤礦安全規(guī)程解讀》正式出版

修訂后的《煤礦安全規(guī)程》自2016年10月1日起施行。為幫助廣大煤炭企業(yè)從業(yè)人員認(rèn)真學(xué)習(xí)和貫徹落實新版《煤礦安全規(guī)程》，新版《煤礦安全規(guī)程》修訂各篇章的負(fù)責(zé)人編寫的《煤礦安全規(guī)程解讀》一書，已由煤炭工業(yè)出版社正式出版發(fā)行。

《煤礦安全規(guī)程解讀》嚴(yán)格按照新版《煤礦安全規(guī)程》和《煤礦安全規(guī)程執(zhí)行說明》的精神實質(zhì)進(jìn)行解讀，對《煤礦安全規(guī)程》修訂后有實質(zhì)性變化的條文闡明了修改原因，對具體條款制定的目的、意義進(jìn)行解釋的同時，對關(guān)鍵語句、關(guān)鍵詞、關(guān)鍵數(shù)據(jù)進(jìn)行了闡釋，并將有代表性、典型性和新近發(fā)生的事故案例融入到解讀之中。

Research on "three zone" of goaf based on optical fiber temperature measurement system

Cheng Genyin1, Tang Jingjing2, Cao Jian2, Niu Zhenlei2, Zhou Yifei2

(1. Key Laboratory of Mine Disaster Prevention and Control of Hebei Province, Sanhe, Hebei 065201, China;2. Graduate School of North China Institute of Science and Technology, Sanhe, Hebei 065201, China)

Aiming at the weaknesses of strap tube temperature measurement system, taking the advantage of optical fiber sensing technology, applying optical fiber distributed temperature measurement system into coal mine goaf in order to monitor the temperature change in gob without delay and accurately forecast the starting characteristics of spontaneous fire in gob to avoid the spontaneous fire at the very beginning. Theoretical analysis, experimental testing and field project practice indicated that optical fiber temperature measurement system could constantly monitor and locate high temperature spots and keep localization accuracy error within 1 meter. Based on the actual condition of the mine, this paper analyzed monitoring data and determined the scope of "Three Zone" to provide guidance of underground coal mine production and enhance the understanding of coal mine disaster formation mechanism and the development of prediction techniques for significant disasters.

optical fiber sensing, coal mine gob, fire disaster monitoring, spontaneous fire, "three zone", temperature measurement system

國家自然科學(xué)基金資助項目(U1361130)，中央高校基本科研業(yè)務(wù)費資助項目(3142015110)

TD75

A

程根銀(1968-)，安徽安慶人，博士，教授，長期從事安全工程專業(yè)教學(xué)、科研與管理工作。