分布式光纖傳感測(cè)溫技術(shù)在煤礦的應(yīng)用研究

宋兆國(guó) 徐召棟 王清彥

（1.山東東山王樓煤礦有限公司，山東 濟(jì)寧 272065； 2.山東鼎安檢測(cè)技術(shù)有限公司，山東 濟(jì)南 250000）

隨著煤礦開采深度的增加，地?zé)崮苤饾u地顯現(xiàn)出來。防治采煤工作面自然發(fā)火危害是煤礦安全生產(chǎn)的重點(diǎn)，如何有效地實(shí)時(shí)監(jiān)控采煤工作面溫度成為預(yù)防火災(zāi)的重點(diǎn)工程?，F(xiàn)階段，大量煤礦采取了人工直接檢測(cè)手段以及間接氣體采集分析手段[1]。直接法不但容易造成人為誤差，而且浪費(fèi)大量的人力以及物力。檢測(cè)氣體法，不能保證實(shí)時(shí)檢測(cè)，實(shí)驗(yàn)室誤差也成為了不可避免的問題。

分布式光纖傳感測(cè)溫監(jiān)測(cè)系統(tǒng)采用嵌入式技術(shù)設(shè)計(jì)，具有良好的性能指標(biāo)和系統(tǒng)穩(wěn)定性。感溫光纜本身作為溫度傳感器，可實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)距離不間隔監(jiān)測(cè)溫度，并適應(yīng)礦井惡劣的地質(zhì)環(huán)境，具有火災(zāi)智能監(jiān)測(cè)預(yù)警定位功能，能夠有效地監(jiān)測(cè)預(yù)警采煤工作面溫度，極大地降低了煤礦工作面火災(zāi)的發(fā)生幾率。

1 光纖溫度傳感器原理

分布式光纖傳感測(cè)溫系統(tǒng)如圖1。該測(cè)溫系統(tǒng)總共由五部分組成，首先由激光器發(fā)射激光脈沖，傳至耦合器，實(shí)現(xiàn)信號(hào)的接收，感溫光纖感知溫度通過后將散射信號(hào)傳至定標(biāo)光纖（控溫裝置），耦合信號(hào)所接收到的信號(hào)傳至分光器實(shí)現(xiàn)信號(hào)處理，最后達(dá)到報(bào)警控制、信號(hào)解調(diào)、光纖通訊、光纖傳感等功能。

該系統(tǒng)可完成遠(yuǎn)距離傳輸，以光纖為介質(zhì)，最后傳至信號(hào)處理模塊，完成光譜分析。具體實(shí)現(xiàn)過程如圖2。

圖 1 光纖溫度傳感器測(cè)溫流程

以光纖為介質(zhì)，提升了光信號(hào)在其傳播的效率，光信號(hào)在光纖中以反射的過程快速傳輸，在反射的過程中，光信號(hào)只會(huì)出現(xiàn)方向的改變，而大部分光信號(hào)波長(zhǎng)以及頻率不會(huì)發(fā)生改變，保證了信號(hào)的準(zhǔn)確性。極少數(shù)的光信號(hào)會(huì)發(fā)生頻率以及波長(zhǎng)的變化，此時(shí)會(huì)導(dǎo)致光量改變，此時(shí)的改變實(shí)現(xiàn)了能量的交換，這一過程定義為拉曼散射。散射過程中，若出現(xiàn)頻率及波長(zhǎng)的削弱，最終出現(xiàn)的光信號(hào)定義為斯托克光，反之稱之為反斯托克光。

圖2 激光散射光譜分析原理

分布式光纖測(cè)溫是基于反斯托克光對(duì)溫度敏感性為基礎(chǔ)實(shí)現(xiàn)的。隨著礦井溫度的升高，感溫光纖會(huì)即刻感知，反斯托克光隨著溫度的提升迅速增強(qiáng)，以其為信號(hào)通道。以斯托克光及反斯托克光比值很好地抵消了其余因素的干擾，最終得到需要的溫度數(shù)據(jù)，精確地測(cè)量礦井溫度的增減[2]。

光信號(hào)在光纖的傳播過程中，不可避免地會(huì)因?yàn)楣饫w材質(zhì)的差異出現(xiàn)背向散射，導(dǎo)致光信號(hào)的折射率發(fā)生改變，進(jìn)而光信號(hào)波長(zhǎng)及頻率會(huì)發(fā)生改變。入射光經(jīng)過背向散射返回到光纖入射端所需時(shí)間為t，激光脈沖在光纖中所走過的路程為 L，即有：

2L=V ×T

V=C/n

式中：V 為光在光纖中傳輸速度；C 為真空中的光速；n 為光纖折射率。

2 光纖測(cè)溫系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與布置

分布式光纖測(cè)溫監(jiān)測(cè)系統(tǒng)在王樓煤礦27304 采煤工作面進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)。該分布式測(cè)溫系統(tǒng)由測(cè)溫光纜（傳感器）、分布式測(cè)溫分站、以太網(wǎng)交換機(jī)、地面數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)等組成，所采用的測(cè)溫主機(jī)選用嵌入式、高性能處理器作為控制單元，用來感知光纖波長(zhǎng)變化。首先，將感溫光纜懸掛于27304 工作面進(jìn)風(fēng)巷以及回風(fēng)巷，感溫光纜的另一端接于分布式測(cè)溫分站，分布式測(cè)溫分站在接收到信號(hào)后，由井下以太網(wǎng)交換機(jī)通過井下環(huán)網(wǎng)傳出地面，最終由地面數(shù)據(jù)處理中心完成數(shù)據(jù)的整理與收集。具體的實(shí)現(xiàn)路線如圖3。

圖 3 測(cè)溫系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)路線圖

該系統(tǒng)核心參數(shù)見表1。

表 1 分布式光纖測(cè)溫系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)參數(shù)

布置測(cè)溫光纜選擇路線為27304 進(jìn)風(fēng)—綜采面—回風(fēng)—三號(hào)聯(lián)絡(luò)巷。分布式測(cè)溫分站置于三號(hào)聯(lián)絡(luò)巷內(nèi)。

圖4 多模測(cè)溫光纜與彈簧護(hù)管布置示意圖

系統(tǒng)采用的多模測(cè)溫光纖可分為上順槽測(cè)溫光纖、下順槽測(cè)溫光纖、工作面測(cè)溫光纖。其中工作面測(cè)溫光纖均勻分布在采空區(qū)內(nèi)，可根據(jù)需要增加或減少檢測(cè)線路的數(shù)量。工作面測(cè)溫光纖隨著液壓支架的推進(jìn)及時(shí)鋪設(shè)在采空區(qū)中。多模測(cè)溫光纖在鋪設(shè)時(shí)為防止頂板垮落砸斷光纖，將光纖入彈簧護(hù)管中再進(jìn)行鋪設(shè)（如圖4 所示）。若因采空區(qū)頂板垮落出現(xiàn)測(cè)溫光纖斷裂的情況，將測(cè)溫光纖在液壓支架后方剪斷，將光纖盤上的測(cè)溫光纖從支架后方拉到回風(fēng)大巷重新接入光纖分纖箱繼續(xù)測(cè)量，使得原測(cè)溫光纜變成兩個(gè)新的測(cè)溫光纖，使得采空區(qū)內(nèi)的溫度測(cè)量保持完整。

3 現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)結(jié)果分析

通過對(duì)王樓煤礦27304 采煤工作面進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)，并記錄了回風(fēng)巷16 d 的數(shù)據(jù)，根據(jù)具體數(shù)據(jù)繪制了圖表如圖5。

圖5 現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試結(jié)果

由圖5 可知，隨著監(jiān)測(cè)時(shí)間持續(xù)，溫度是不斷地增長(zhǎng)的，最高溫度出現(xiàn)在監(jiān)測(cè)的最后一天，距離采煤工作面89 m 距離處，溫度達(dá)到41.5 ℃。

在工作面上，由于采動(dòng)的原因，頂板會(huì)出現(xiàn)坍塌現(xiàn)象，極其容易觸碰光纜。在接觸到光纜后，由于頂板巖層溫度較低，使得光纜溫度驟降，適應(yīng)環(huán)境后，又逐步地恢復(fù)到正常溫度。因此，應(yīng)該采取一定的措施充分保障熱傳遞效應(yīng)。

由上述測(cè)試結(jié)果可以得出，分布式光纖測(cè)溫系統(tǒng)可以很好地實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)采煤工作面溫度，且實(shí)現(xiàn)綜合監(jiān)測(cè)預(yù)警，為遏制煤礦采煤工作面發(fā)火提出了一種新的方法。

4 結(jié) 論

基于煤礦傳統(tǒng)測(cè)溫技術(shù)的不足，提出利用光纖傳感技術(shù)對(duì)煤礦采煤工作面溫度進(jìn)行監(jiān)測(cè)，能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)采煤工作面溫度的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。在王樓煤礦試驗(yàn)結(jié)果良好，能夠很好地運(yùn)用在其他煤礦。

綜上所述，可得到如下結(jié)論：分布式光纖測(cè)溫系統(tǒng)采用嵌入式技術(shù)設(shè)計(jì)，具有良好的性能指標(biāo)和系統(tǒng)穩(wěn)定性；感溫光纜本身作為溫度傳感器，可實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)距離不間隔監(jiān)測(cè)溫度，并適應(yīng)礦井惡劣的地質(zhì)環(huán)境；具有火災(zāi)智能監(jiān)測(cè)預(yù)警定位功能，能夠有效地監(jiān)測(cè)預(yù)警采煤工作面溫度，對(duì)監(jiān)測(cè)預(yù)警煤礦采煤工作面火災(zāi)具有重大研究意義。