分布式激光系統在煤礦行業的應用研究

金祥

（鐵峰煤業有限公司，山西 朔州 037200）

隨著我國煤礦開采深度的增加，煤的自燃發火災害呈現出逐年顯著增加的趨勢。礦井火災是一種突發性災害，它帶來的影響不容小覷，會給單位和個人造成不可挽回的財產經濟損失和生命損失。盡管當前礦井防滅火技術有了技術突破，但是礦井火災時有發生，尤其是近幾年，各地礦井重大火災事故時有發生，不僅給煤炭企業帶來難以估量的社會負面影響和嚴重的經濟損失，也危害了人民的生命安全。由于缺少有效的技術手段，火災事故仍是目前煤礦安全中尚難以有效解決的災害。本項目利用分布式激光系統，在南陽坡礦8702、增子坊8306綜采工作面進行火災防治的工作。

1 常用的火災監測方法

目前礦井企業常用的火情監測方法有三種：氣相色譜法、激光火情氣體監測法、光纖測溫法等。其中氣相色譜儀是比較傳統的火情監測方法。而采用激光氣體監測技術，是當前國內外較為領先的火情監測技術。它在線監測采空區的各種氣體成分濃度，同時又利用光纖測溫法實時對采空區進行測溫。

而分布式激光火情監測系統與傳統火情監測系統相比，克服了預警慢、無法定位等缺陷，具有自動化程度高、實時監測、定位準確等優勢。

2 分布式激光系統的組成部分

本項目的激光火災監控系統包括井下監測設備、數據傳輸網絡和地面設備三部分組成，其中：井下火災監測設備主要由激光氣體檢測主機、分布式光纖測溫控制柜、氣體采樣泵和過濾器等組成，由多個相鄰的區域組成一個火災檢測單元，通過在礦井井下部署火災實時監測設備，實現煤礦火災實時監測的取氣和氣體分析自動化以及被監測區域的分布式實時溫度測量。

數據傳輸網絡包括兩部分：井下數據網絡和地面數據傳輸網絡。技術人員為了提高數據傳輸的速度，利用太網光纖環網網絡作為數據傳輸網絡，利用南陽坡、增子坊原有的以太網，實現基于以太網的火災監測參數與地面火災監測系統的高速通信。

地面設備由一個以太網的數據主機聯系，通過分析地下的實時數據來監測井下的溫度和氣體濃度。

3 分布式激光系統在工作面火災中的工作原理

3.1 分布式激光系統的創新點

分布式激光系統的創新點有六點：快速抽氣自動切換技術；抽氣管路診斷監測技術；煤自燃發火預警模型技術；煤礦火災監測預警系統技術；利用TDLAS 波長調制吸收光譜技術連續監測采空區CH4/CO/O2/C2H4/C2H2/CO2/N2等氣體濃度；利用光纖傳感技術實現采空區分布式長距離連續測溫。

TDLAS 技術在行業里被稱為可調諧半導體激光吸收光譜技術，它利用長光程反射結構結合波長調制和二次諧波檢測技術對含不同濃度CH4/CO/O2/C2H4/C2H2/CO2/N2等 氣 體（100ppm、200ppm、400ppm、600ppm）進行試驗，研究不同溫度和不同壓強下，CH4/CO/O2/C2H4/C2H2/CO2/N2等氣體的濃度。基于TD?LAS技術的激光發生裝置，包括主控單元、調制信號發生單元、鋸齒波信號發生單元、信號疊加單元、電壓電流轉換單元以及激光器。TDLAS檢測裝置的設置，可以提高采空區火情氣體濃度的測量精度，減小采空區的低頻噪聲干擾。

為了提高實時檢測的準確性，本項目將采空區分為若干個防火分區，每個分區長度約為100m，若干個分布式光纖傳感器均勻分布在這幾個防火分區里，每個傳感器之間間隔一定數量的距離。整個采空區防火分區共用一根分布式感溫光纖。在一定范圍內形成一定量的監測數據點，并通過一根特定長的傳輸光纜對整個采空區區域的傳感系統進行監測。

3.2 分布式激光系統的裝置原理

分布式激光系統裝置，由兩臺測量計算機主機和配套的光纖技術監測探頭和TDLAS 波長調制吸收光譜技術裝置組成。測量主機分別裝置在地上控制室和地下采空區區域。地下的監測探頭安裝在采空區各個需要監測火情氣體濃度的地點。裝置利用最先進的TDLAS波長光譜技術，對各個分布的光纖實現激光的復用。

利用分布式光纖測溫的特點，拉曼散射信號相對容易獲取（見圖1），所以，在采空區，每個防火區的信號就容易被獲取。原理是利用各個采空區的煤壁上的光纖，將地下監測到的溫度數據和空氣氣體濃度的數據，利用光纖環網將這些實時數據傳送到地面控制室的主機，再用大數據等高新技術對收集來的數據進行處理分析，并將這些數據收錄到數據庫平臺。一旦收錄來的數據超過了平臺設定的數據值，系統就會自動報警，并及時采取滅火等措施，最終起到一定的預警作用。

圖1 三種散射光的反射光強度和反射光波長的關系

4 現場具體應用

4.1 采空區火災檢測系統設計

南陽坡礦8702煤礦的采空區光纖分布式測溫系統由以下六部分組成：一個計算機客戶端、幾個數據服務器、一個分布式光纖測溫主機、數個光纖接續盒、一定長度的傳感光纖和一個光纖裝置。分布式光纖測溫主機負責整個南陽坡礦8702的光脈信號的發生和光電信號的收集處理分析。通過光開關的開合實現測溫系統的光路處理。

4.2 傳感光纖

傳感光纖是放入礦井采空區內實時監測溫度的傳感器。由于采空區內時常有石塊重物等尖銳物體的下落和沖擊，有時候還會有水透現象出現，因此，傳感光纖的選擇除了易于搬運之外，還要有一定延展性、防滲透性和抗沖擊性。

4.3 現場設計

由于煤礦采空區進出不方便，無法對采空區的光纖進行及時的人工維護和檢修，為了避免因光纖在采空區內被煤矸石砸斷或者因光纖滲透老化而導致系統失效，要對光纖進行必要的防護措施。

光纖的防護遵循三個原則：一是松、二是準、三是穿。“松”指的是光纜要保持松弛狀態，不可緊繃。地下光纜的鋪設是沿著采空區的地下巷道的煤壁展開，在大約離底板1m 左右的地方開始鋪設，每隔1m 工作人員需要用堅固的包扎帶把光纖固定在防護網上，固定時不可把光纖繃直，要保持一定的松弛度。“準”指的是工作面外面的部分光纖需沿著通信線纜掛鉤的位置鋪設到每個分站位置，并且單獨在一處，不得與高壓電纜捆綁在一起。切記所有鋪設的光纖光纜都應保持適中的松弛度，防止任何外力因素損傷光纖。“穿”指的是光纜在鋪設過程中如果遇到磚墻、石頭墻等堅硬物體時，需將膠管用壁紙刀割開，套到光纜外面以保護光纜，避免光纖被尖銳物體擠斷。

采用光纖分布式測溫技術，對煤礦的每個特定區域都能進行實時的溫度檢測。感溫光纜的好處，在于不導電、感知度高、監測距離遠、施工方便等。

4.4 數據分析

2019年1月18日～6月18日光纖測量的溫度曲線見圖2。

圖2 光纖傳感技術測量溫度的歷史節點

光纖測量的溫度數據及結合束管檢測的時間以及束管抽氣口切換時間綜合分析后發現，氣體監測值發生變化的時間，與抽采管切換抽氣口的時間一致，此時我們發現氣體監測值突變的原因與礦井采空區抽采及火情監測束管在附近時的氣體流場有關。當抽采管的管口直徑變大時，抽采流量會變快。

當礦井采空區內側的瓦斯抽采口關閉，并打開上邊角落里的一個側下一個瓦斯抽采口，此時光纖測溫的抽采口可以向外切換，束管吸氣口會逐步遠離抽采口。當測溫距離抽采口超過一定距離時，基本不再受抽采影響，所抽取的火情氣樣的溫度與現場位置的氣樣相似。

根據以上數據的分析，分布式激光系統的光纖測溫技術的有效性受采管影響。為最小限度地降低抽采口對束管取樣的影響，應將束管及測溫光纖布置在無抽采管道或不受抽采管道影響的位置。這樣做的好處就是提高數據的科學性、精準性和實效性。

4.5 經濟效益

（1）是防滅火監測技術方面的革命性變革，氣體組分分析具有科學性、精確性、時效性，能夠為防滅火工作提供科學、可靠、精準的數據分析來源；

（2）潛在經濟效益明顯，節約了人力資源成本，減少了人工取樣程序、提高了設備使用效率；

（3）每年可節約傳統束管監測系統維修、束管及配件費用8萬元；

（4）初期投入成本低，后期維護簡單、方便。

5 結論

現在的系統較原來的束管系統抽氣距離短，能連續不間斷抽取采空區氣樣并實時分析數據，光纖傳感技術能實現采空區長距離連續測溫，地面監測臺能及時地顯示數據變化，并發出預警；是防滅火監測技術方面的革命性變革，值得推廣應用。