煤礦采空區(qū)氣體在線監(jiān)測技術(shù)研究與應(yīng)用

寧濤

（晉能控股煤業(yè)集團(tuán) 同地鑫泰建井有限公司，山西 大同 037100）

0 引 言

煤炭自然發(fā)火是礦井的重大災(zāi)害之一。目前礦井安全監(jiān)控系統(tǒng)雖然具有監(jiān)測和報警功能，但由于受傳統(tǒng)傳感器黑白元件性能的制約，煤礦企業(yè)依據(jù)常規(guī)方法無法對采空區(qū)密閉墻內(nèi)標(biāo)志性氣體（瓦斯、一氧化碳） 及溫度等進(jìn)行長期、實時、準(zhǔn)確的監(jiān)測。目前，環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)的應(yīng)用只有傳統(tǒng)的技術(shù)，根本解決不了問題。使用載體催化原理的甲烷傳感器，必須每隔15 d 調(diào)校1 次，熱導(dǎo)元件的傳感器誤差較大，不適于對低濃度氣體進(jìn)行監(jiān)測，且2 種元件都存在易中毒、選擇性差、需頻繁校準(zhǔn)和易誤報等缺點。2 種傳感器技術(shù)不適用于采空區(qū)密閉內(nèi)氣體監(jiān)測。因此升級并應(yīng)用新型高靈敏度、高可靠性、校正周期長的采空區(qū)氣體監(jiān)測技術(shù)，對于提高采空區(qū)內(nèi)標(biāo)志性氣體和溫度預(yù)警系統(tǒng)的可靠性具有重要意義。

1 綜合在線監(jiān)測預(yù)警技術(shù)

通過分析麻家梁礦井采空區(qū)煤層自燃前期狀態(tài)，環(huán)境瓦斯氣體及溫度變化趨勢，研究科學(xué)、經(jīng)濟、有效的全光纖瓦斯、溫度、一氧化碳采空區(qū)綜合在線監(jiān)測預(yù)警技術(shù)。

該技術(shù)應(yīng)用于麻家梁礦采空區(qū)內(nèi)部環(huán)境溫度、一氧化碳和瓦斯?jié)舛鹊谋O(jiān)測預(yù)警。把傳感器布設(shè)到采空區(qū)內(nèi)，能將系統(tǒng)中采空區(qū)內(nèi)相關(guān)位置的實時溫度、一氧化碳和瓦斯?jié)舛蕊@示出來，并連接到火災(zāi)報警信息網(wǎng)，同時利用綜合參數(shù)的檢測能力，建立礦井采空區(qū)監(jiān)測數(shù)據(jù)庫，進(jìn)而為采空區(qū)內(nèi)環(huán)境監(jiān)控實現(xiàn)自動化和實時反應(yīng)綜合監(jiān)控提供重要的科學(xué)基礎(chǔ)，由于系統(tǒng)應(yīng)用國際先進(jìn)的光纖傳感技術(shù)，其性能本質(zhì)安全、不受磁場干擾、數(shù)據(jù)穩(wěn)定準(zhǔn)確實時、傳輸距離遠(yuǎn)，從根本填補目前其他檢測手段無法監(jiān)測采空區(qū)內(nèi)部溫度變化及環(huán)境狀態(tài)的空白。應(yīng)用光纖技術(shù)對采空區(qū)內(nèi)溫度、一氧化碳和瓦斯進(jìn)行實時在線監(jiān)測預(yù)警，對采空區(qū)內(nèi)發(fā)火趨勢采取及時有效監(jiān)測和預(yù)警。

2 技術(shù)創(chuàng)新點

2.1 新技術(shù)工作原理

采用先進(jìn)的光纖光柵溫度傳感技術(shù)，具有耐高壓、不受電磁干擾、本質(zhì)安全、長期可靠、易擴展等特點。

工作時，由安設(shè)在變電所分站光源發(fā)出的連續(xù)的寬帶光信號，經(jīng)傳輸光纜傳送到采空區(qū)的傳感器來監(jiān)測現(xiàn)場。傳感器內(nèi)的光纖光柵對寬帶光有選擇地反射回一窄帶光，經(jīng)同一傳輸光纜回送到系統(tǒng)的礦用光纖光柵解調(diào)儀，測定出窄帶光中心波長的位移變化，在經(jīng)過軟件的解調(diào)與分析便確定出現(xiàn)場的氣體以及溫度，可實現(xiàn)各類信息變化率分析，危險報警，歷史數(shù)據(jù)保存等功能。

2.2 采用光纖傳感器采集數(shù)據(jù)

光纖傳感器與常規(guī)電子類設(shè)備的對比。

（1） 光纖傳感器探頭無需供電，本質(zhì)安全，因而適于在煤礦其它化工行業(yè)進(jìn)行對安全和生產(chǎn)狀態(tài)參數(shù)的監(jiān)測。

（2） 經(jīng)過特殊封裝后，光纖傳感器具有很強的耐高壓性能，因而適于高壓等危險場合對安全和生產(chǎn)狀態(tài)參數(shù)的監(jiān)測。

（3） 光纖傳感器由玻璃纖維制成，通過光信號工作，傳輸光纜完全不帶電，因此具有本質(zhì)安全，特別適合用于在天然氣、煤礦、軍火、化工、石油等易燃易爆環(huán)境進(jìn)行安全狀態(tài)參數(shù)監(jiān)測。

（4） 光纖材料的絕緣性能非常優(yōu)良，可以在高壓等強電場環(huán)境對電力設(shè)備作各種測量。

（5） 利用光波作為傳感信號，測量不受外界電磁場干擾，長期漂移小，可以可靠地進(jìn)行長期、連續(xù)在線檢測。

（6） 光纖傳感器的體積小、重量輕，因此廣泛用于掩埋在混凝土或纖維增強型復(fù)合材料或結(jié)構(gòu)內(nèi)進(jìn)行長期監(jiān)測內(nèi)部的應(yīng)力、溫度變化，以提高工程結(jié)構(gòu)的安全性。

（7） 由于井下環(huán)境惡劣，光纖傳感器采用金剛砂和分子篩雙重粉塵、潮濕過濾技術(shù)，解決傳感器在井下惡劣環(huán)境下的長期穩(wěn)定性問題。為了從根本上解決粉塵對測量的影響，粉塵造成傳感器效率的減少，通過可調(diào)激光器波長掃描得到補償。

（8） 校準(zhǔn)周期長，節(jié)約人力物力成本。

2.3 所有傳感器的信號均通過光纜傳輸

針對麻家梁礦采區(qū)空環(huán)境，全光纖綜合在線監(jiān)測技術(shù)有如下技術(shù)優(yōu)勢。

（1） 用光纖光柵物理量變化，絕緣性能強，穩(wěn)定性高。

（2） 信息通過光信號傳輸，傳輸距離遠(yuǎn)，不失真不受電磁干擾，防潮濕。

（3） 響應(yīng)時間更短、測量精度更精確、24 h不間斷巡檢。

（4） 所有數(shù)據(jù)信息只需1 根光纜便可傳到地上監(jiān)控中心，系統(tǒng)實施簡單，可靠耐用。

（5） 實時的數(shù)據(jù)采集、分析、在線顯示所測信息。

（6） 光波不怕電磁干擾，能夠在極其惡劣的地質(zhì)環(huán)境下，實現(xiàn)對溫度、振動等參數(shù)的精確測量，通過光電或電光轉(zhuǎn)換，易與高度發(fā)展的現(xiàn)代電子裝置和計算機相匹配。光纖工作頻帶寬，動態(tài)范圍大，適合于遙測遙控，是一種優(yōu)良的低損耗傳輸線；在一定條件下，光纖特別容易接受被測量場的加載，是一種優(yōu)良的敏感元件。

（7） 光纖本身具有不帶電、體積小、質(zhì)量輕、易彎曲、抗電磁干擾、抗輻射、無能量輻射、隱蔽性強等優(yōu)點，特別適合于易燃、易爆、空間受嚴(yán)格限制、強電磁干擾等惡劣環(huán)境和保密場合下使用。因此，光纖傳感技術(shù)一問世就受到極大重視，幾乎各個領(lǐng)域都在進(jìn)行研究與應(yīng)用，產(chǎn)業(yè)得到蓬勃發(fā)展。

2.4 技術(shù)優(yōu)勢對比

針對束管監(jiān)測系統(tǒng)，該采空區(qū)監(jiān)測技術(shù)的優(yōu)勢對比見表1。

2.5 采用新型綜合在線監(jiān)測預(yù)警系統(tǒng)

該技術(shù)作為溫度、瓦斯、一氧化碳監(jiān)測的最新技術(shù)手段，把光纖監(jiān)測主機放置于井下采區(qū)變電所內(nèi)與井下環(huán)網(wǎng)相連接，以實現(xiàn)系統(tǒng)集中的傳輸和管理。把光纜從監(jiān)測主機敷設(shè)到采空區(qū)的工作面頂部位置，共計2 條線路，分別是由采區(qū)變電所自采空區(qū)進(jìn)、回風(fēng)巷道兩條。施工完成后，可以幫助企業(yè)建立起統(tǒng)一、高效、實時在線的防范安全管理體系，通過網(wǎng)絡(luò)化集中管理的運行模式，把井下各部門貫穿起來，從而對井下采空區(qū)實現(xiàn)實時在線的監(jiān)測預(yù)警。

針對麻家梁礦采空區(qū)情況，全光纖綜合在線監(jiān)測技術(shù)功能如下。

（1） 實現(xiàn)采空區(qū)發(fā)火實時在線監(jiān)測預(yù)警。

（2） 實現(xiàn)在線定溫定位報警，溫差報警及溫升速率的報警。

（3） 實現(xiàn)采空區(qū)在封閉后的一氧化碳、瓦斯?jié)舛惹闆r的實時在線監(jiān)測預(yù)警。

（4） 實現(xiàn)部門間業(yè)務(wù)協(xié)同、信息共享、多維分析，改善日常管理工作模式、流程及效果。

（5） 采空區(qū)在線檢測預(yù)警系統(tǒng)支持TCP/IP 接口，可以并入集團(tuán)環(huán)網(wǎng)和數(shù)字化礦山相結(jié)合提高網(wǎng)絡(luò)資源使用率，表現(xiàn)更加直觀。

表1 技術(shù)優(yōu)勢對比Table 1 Comparison of the advantages for beam tube monitoring system

2.6 搭建工業(yè)以太環(huán)網(wǎng)

煤礦井下工業(yè)以太環(huán)網(wǎng)需要經(jīng)過特別設(shè)計，才能提供工業(yè)級的可靠性和穩(wěn)定性，以滿足長期連續(xù)運行的需求。煤礦綜合自動化網(wǎng)絡(luò)平臺可以采用設(shè)備層+控制層+信息層三層結(jié)構(gòu)模式，如圖1 所示。

圖1 三層網(wǎng)絡(luò)示意Fig.1 Three-layer network

綜合信息自動化控制平臺的主干網(wǎng)結(jié)構(gòu)采用環(huán)形工業(yè)以太網(wǎng)，主干網(wǎng)傳輸介質(zhì)為光纖，采用工業(yè)以太網(wǎng)交換機進(jìn)行數(shù)據(jù)交換。地面、井下連接成一個光纖環(huán)網(wǎng)，在控制中心機房通過高性能的工業(yè)級核心交換機連接起來，構(gòu)成一個統(tǒng)一的礦井監(jiān)控信息子網(wǎng)，該子網(wǎng)運行在一個相對獨立的網(wǎng)段中，通過隔離網(wǎng)閘與以后建立的礦企業(yè)網(wǎng)（也即是信息網(wǎng)絡(luò)） 隔離。

按照各部分在系統(tǒng)體系所處的層次，該監(jiān)測系統(tǒng)模塊可劃分為4 個子系統(tǒng)。①光纖傳感器子系統(tǒng)；②數(shù)據(jù)采集子系統(tǒng)；③數(shù)據(jù)傳輸子系統(tǒng)；④數(shù)據(jù)處理。

各系統(tǒng)間通過網(wǎng)絡(luò)有機的聯(lián)系起來，系統(tǒng)整體架構(gòu)如圖2 所示。

圖2 系統(tǒng)整體架構(gòu)Fig.2 Overall structure of the system

2.7 系統(tǒng)設(shè)備

所需系統(tǒng)設(shè)備少、方便維護(hù)，系統(tǒng)設(shè)備見表4。

3 應(yīng)用實踐

（1） 該項技術(shù)已實際應(yīng)用于麻家梁礦井下14201 采空區(qū)密閉墻內(nèi)的標(biāo)志性氣體和溫度監(jiān)測，且系統(tǒng)運行穩(wěn)定。同時，結(jié)合麻家梁礦的安全預(yù)防需求，運用此項技術(shù)，實時動態(tài)監(jiān)測井下14201 采空區(qū)內(nèi)沿光纖區(qū)域的溫度、一氧化碳和瓦斯?jié)舛鹊淖兓?guī)律，為麻家梁礦采空區(qū)溫度和標(biāo)志性氣體災(zāi)害預(yù)測預(yù)報提供所需的可靠數(shù)據(jù)，為掌握采空區(qū)自然發(fā)火規(guī)律提供有效的技術(shù)手段。該項技術(shù)為麻家梁礦采空區(qū)預(yù)測預(yù)報方面減少人工、構(gòu)筑和注漿成本共140 萬元。

（2） 通過該項監(jiān)測技術(shù)在麻家梁礦14201 采空區(qū)密閉墻內(nèi)的應(yīng)用，成功指導(dǎo)了實踐，將危險隱患消除在萌芽狀態(tài)，保證了礦井的安全生產(chǎn)。為下一步全礦井乃至集團(tuán)公司其它礦井采空區(qū)氣體監(jiān)測提供了有力的技術(shù)依據(jù)，為采空區(qū)密閉墻內(nèi)氣體的預(yù)測預(yù)報信息采集方面的推廣奠定了堅實的基礎(chǔ)。

表4 系統(tǒng)設(shè)備Table 4 System equipment

4 結(jié) 論

該技術(shù)雖在14201 采空區(qū)密閉內(nèi)氣體預(yù)測預(yù)報方面使用效果良好，但在日常運行中仍存在不足。

（1） 由于使用光纖直接將傳感器接入采空區(qū)密閉墻內(nèi)，光纖鋪設(shè)線路長，日常維護(hù)不方便。

（2） 傳感器直接進(jìn)入采空區(qū)內(nèi)，如果出現(xiàn)數(shù)據(jù)不準(zhǔn)或故障，無法更換、維修。

（3） 地面主機監(jiān)控數(shù)據(jù)未接入礦井安全監(jiān)控系統(tǒng)，不能實時比照環(huán)境內(nèi)傳感器監(jiān)測數(shù)據(jù)進(jìn)行區(qū)域分析。

今后將在傳感器和光纖的維護(hù)方面以及監(jiān)測數(shù)據(jù)的融合分析方面開展進(jìn)一步的研究，進(jìn)行礦井采空區(qū)內(nèi)氣體、溫度及其它危險因素的準(zhǔn)確監(jiān)測，為礦井安全生產(chǎn)提供有效準(zhǔn)確的技術(shù)支持。