采空區綜合環境光纖監測系統在塔山礦的應用

韓鼎業，侯利飛，劉宏杰

(晉能控股煤業集團塔山煤礦公司 山西大同037003)

1 應用背景

采空區綜合環境光纖監測系統是一種可以同時進行采空區內溫度、頂板礦壓、頂板離層、水位和瓦斯等參數的實時監測綜合安全信息系統。同時利用上述參數對工作面采空區內瓦斯、水位、溫度、礦壓等數據綜合分析密閉效果及煤柱留設合理性等，建立煤礦采空區環境監測系統數據庫，進而為采空區內環境監控實現自動化和高速反應綜合監控提供重要的科學依據，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”[1]，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。

2 采空區環境綜合光纖監測系統原理

2.1 系統介紹

采空區綜合環境監測系統可以對采空區內瓦斯、溫度、水位、礦壓、頂板離層等數據進行檢測報警，利用光纖通過光信號傳輸，不帶電，傳輸距離長，信號衰減小的特點，使其環境監測系統數據穩定準確，不受磁場干擾，傳輸距離遠，確保性能達到本質安全，并對采空區進行連續監測，為采空區內水、火、瓦斯、礦壓提供詳實數據。

本系統主要包括以下五個子系統：采空區光纖瓦斯在線監測子系統、采空區光纖溫度在線監測子系統、采空區光纖巷道頂板礦壓在線監測子系統、采空區光纖透水在線監測預警子系統、采空區光纖頂板沉降離層在線監測預警子系統。

通過本項目的實施，可對采空區達到如下監測：

（1）實現采空區內實時環境溫度與瓦斯濃度、火區溫度和火區位置的實時在線監測。

（2）分析確認采空區內溫度與瓦斯氣體的變化趨勢，火災發生范圍及預測未來火區發展趨勢。

（3）實現采空區內水位與水溫實時在線監測與超限報警。

（4）實現主要監控點的頂板來壓情況的實時在線監測及異常報警。

（5）實現頂板沉降離層狀態預警。

（6）對采空區密閉效果進行評價。

圖1 采空區綜合環境監測系統示意圖

2.2 采空區環境綜合監測傳感器安裝數量及位置

（1）礦壓傳感器6只，間隔20 m，錨桿深度2.5 m，直徑22 mm，附帶螺母；用于監測頂板壓力，其中一只已經封在第一道密閉墻里面；

（2）頂板離層傳感器4只，間隔25 m，錨固段深度5 m，每只附帶貓爪及鋼絲繩5.5 m，用于檢測頂板的離層狀況；

（3）溫度傳感器24只，每兩只傳感器之間用鋼管保護，共使用23鋼管；用于檢測采空區內溫度情況;

（4）水位傳感器1只。用于檢測采空區內水位情況；

（5）瓦斯傳感器2只，用于檢測采空區內瓦斯狀況，其中一只已經封在第一道密閉墻里面；

（6）礦區局域網內電腦輸入http://10.25.23.15可以實時查看監測數據。

3 采空區環境綜合監測系統應用及分析

3.1 采空區環境綜合監測系統的應用

（1）8105工作面采空區光纖瓦斯在線監測子系統

本系統包括YGXJ220（A）礦用光纖甲烷調儀1臺礦用光纖瓦斯傳感器3只，安裝方法如下：

解調儀的安裝：YGSJ220（A）礦用光纖甲烷解調儀放置于井上監控中心，使用220 V交流電源供電，通過RS232與系統工控主機進行數據傳輸，通過工業工業環網中通訊光纜的3芯光纖與井下延伸到8105密閉墻外的礦用通信光纜相接，在8105密閉墻內的礦用通訊光纜通過三芯光纖與采空區內布設的3個礦用光纖瓦斯傳感器相連接。

傳感器的安裝：3只礦用瓦斯傳感器安裝于8105采空區的密閉墻內，按照以往多數自燃帶的劃分范圍，此次將前兩個瓦斯傳感器安裝于前100 m范圍內，安裝地點分別距離密閉墻為30 m、90 m和180 m。傳感器可懸掛于采空區內側壁上，離地高度在150 cm左右即可。傳感器尾纖分別通過留在相應位置的光纖分線盒與礦用通信光纜相連接。

（2）8105工作面采空區光纖溫度在線監測子系統

本系統包括YGSJ660（A）礦用光纖光柵解調裝置1臺礦用光纖溫度傳感器24只，安裝方法如下：

解調儀的安裝：YGSJ660（A）礦用光纖光柵解調裝置安裝于井下變電所內，作用是將“多種傳感器返回的光信號解調為監測數據”[2]，并在當地進行顯示，設備使用660 V動力電源或127 V照明電源供電，通過工業環網的通訊光纜中的一芯光纖將數據傳輸至井上光端機中，再通過井上的光端機將信號進行轉換并傳輸至工控主機。

傳感器的安裝：礦用光纖光柵溫度傳感器用尾纖為φ6 mm的光纜串聯，傳感器每隔5 m～6 m布設一點，傳感器之間的焊點用焊點保護管（圖2）保護，選15 cm～20 cm長的塑料管，沿軸向剪開管子，并將傳感器通過此軸向的開口套入塑料管（圖3），傳感器所在部位用膠帶扎緊，尾纖在塑料管內保留一定的冗余，并在塑料管的兩端用膠帶將尾纖扎緊，使之不能被拽動，以防在后期施工時拉壞傳感器。

圖2 焊點保護管

圖3 鋼筒傳感器裝入剪開的塑料管

每12只傳感器共用一芯光纖，將熔接成串的礦用光纖溫度傳感器固定于信號傳輸主光纜上，并每隔1 m～2 m用膠帶固定一次，每個傳感器的鋼筒都要與主光纜固定，傳感器的尾纖不可固定得太緊，以防尾纖拉傷；最后將主光纜使用掛鉤懸掛于采空區的側壁上，每隔10 m左右布設一懸掛點即可。

（3）8105工作面采空區巷道光纖頂板形變在線監測子系統

本系統包括YGSJ660（A）礦用光纖光柵解調裝置1臺礦用光纖壓力傳感器6只，安裝方法如下：

解調儀的安裝：本子系統與采空區光纖溫度在線監測子系統共用一臺YGSJ660（A）礦用光纖光柵解調裝置，在此不再多述；

傳感器的安裝：6個礦用光纖壓力傳感器在180 m長的距離內平局分布，每隔30 m布設一只傳感器，主要安裝在采空區的頂板上，首先在監測地點打180 cm深的孔，將孔的表面處理平滑，然后將預埋錨桿放入，澆注水泥砂漿，待水泥砂漿徹底固化后，然后將礦壓傳感器安裝上，將預緊螺栓擰緊，最后將傳感器的尾纖通過在布設點預留的分光盒連接到通訊光纜上，并將光纖尾纖用塑料膠管保護好，防止拉斷。

圖4 礦壓傳感器安裝圖

（4）8105工作面采空區光纖透水在線監測預警子系統

采空區密閉墻設一用于抽水的“U”型管道，將一只水位傳感器在密閉墻外部從頂部抽水管道中伸入，放到U型管底部；另一只水位傳感器在密閉墻的內部，放于“U”型管的另一端，在密閉墻內部的一段“U”型管需在底部大直徑1 cm左右的空若干，以使采空區內的水可流入“U”型管內。通過計算U型管底部與地面的高度差和測得的水位高度之和即為采空區內水位。

圖5 水位傳感器施工簡圖

3.2 采空區環境綜合監測系統的分析

通過8105工作面采空區進行環境綜合監測應用，實時有效掌握了采空區內部的瓦斯、溫度、水位、礦壓、頂板離層等數據，通過數據的整理分析，對所監測出的異常數據進行預警，解決采空區綜合環境監測的盲區，具體數據如下圖：

圖6 實時數據查詢界面

圖7 瓦斯濃度在線監測系統

圖8 報警事件查詢界面

4 結語

光纖監測技術集傳感與傳輸于一體，傳輸距離長，信號衰減小可實現遠距離測量與監控，在采空區綜合環境監測中的應用可以對采空區內瓦斯、溫度、水位、礦壓、頂板離層等數據進行連續性監測，有效報警，解決了我們目前面臨的采空區密閉后內部綜合環境監測的盲區，為采空區的治理提供了可靠的數據支撐，為研究煤柱優化提供了基礎資料。