分布式光纖測溫系統(tǒng)在塔山礦的應(yīng)用

張 慧

（1.太原理工大學(xué)采礦工藝研究所，太原 030024；2.大同煤礦集團(tuán)大唐塔山煤礦公司,山西 大同 037001）

分布式光纖測溫系統(tǒng)在塔山礦的應(yīng)用

張 慧1，2

（1.太原理工大學(xué)采礦工藝研究所，太原 030024；2.大同煤礦集團(tuán)大唐塔山煤礦公司,山西 大同 037001）

煤礦開采過程中的火災(zāi)事故，與井下不同空間位置溫度的高低有關(guān)。為了實(shí)現(xiàn)在礦井不同位置對溫度實(shí)時(shí)在線快速監(jiān)測，應(yīng)用分布式光纖測溫系統(tǒng)監(jiān)測井下溫度變化與分布情況，力圖快速準(zhǔn)確的判斷各點(diǎn)的溫度變化趨勢，進(jìn)而評判發(fā)生火災(zāi)事故的可能性。實(shí)踐表明，分布式光纖測溫系統(tǒng)的使用可為礦井的防火減災(zāi)工作提供重要的決策依據(jù)。

分布式；光纖測溫系統(tǒng)；實(shí)時(shí)監(jiān)測

上世紀(jì)七十年代開始，光纖通信技術(shù)飛速發(fā)展，隨后逐步衍生發(fā)展出光纖傳感技術(shù)。其核心載體為光波，光纖作為傳輸媒質(zhì)，測量被測空間、環(huán)境實(shí)際參數(shù)信號的新傳感技術(shù)[1]。參數(shù)信號的載體光波以及媒質(zhì)光纖本身具有較多其它傳輸載體與媒質(zhì)所不具備的優(yōu)點(diǎn)[2]。

作為載體的光波不受電磁干擾，在極其惡劣的地質(zhì)環(huán)境下，能夠?qū)崿F(xiàn)對溫度、振動等參數(shù)的精確測量，通過光-電信號轉(zhuǎn)換，將數(shù)據(jù)傳輸至PC機(jī)，運(yùn)用精確算法進(jìn)行數(shù)據(jù)處理。光纖的工作頻帶寬，動態(tài)監(jiān)測范圍大，適合于較大范圍的遙測遙控，是目前最好的的低能耗傳輸方式。在大多數(shù)條件下，光纖有較高的測量加載敏感度，是目前敏感度較高的傳感元件。

光纖測量技術(shù)是光纖領(lǐng)域重要的發(fā)展方向之一。因光纖具有電絕緣性好、耐腐蝕、柔性彎曲（可撓）性好、測量范圍大、敏感度高、體積小、重量輕等特點(diǎn)，對傳統(tǒng)溫度傳感器能起到擴(kuò)展提高的作用，完成傳統(tǒng)溫度傳感器很難完成、甚至不能完成的任務(wù)。光纖傳感技術(shù)應(yīng)用于溫度測量方面，還具有準(zhǔn)確性高、實(shí)時(shí)性好、頻帶寬、防爆、阻燃、抗干擾等優(yōu)點(diǎn)，因此光纖溫度傳感技術(shù)受各國科研人員高度重視并對其進(jìn)行完整深入的研究。它可用于礦山、電力、冶金、化工等領(lǐng)域，解決環(huán)境惡劣場所的溫度測量與控制問題[3]。

分布式光纖測溫技術(shù)以光波為載體、光纖為媒質(zhì)對沿光纖分布的溫度場可連續(xù)實(shí)時(shí)測量，可以連續(xù)地測量沿其分布的溫度場的實(shí)時(shí)信息，這對現(xiàn)代化大型煤礦十到幾十平方千米范圍內(nèi)火災(zāi)監(jiān)測與防治決策，具有實(shí)際應(yīng)用價(jià)值。為此，對該系統(tǒng)在大同塔山礦的測溫系統(tǒng)布置及其應(yīng)用，開展了多方面的實(shí)用研究，以下是通過監(jiān)測溫度來評價(jià)礦井火災(zāi)威脅程度的研究成果總結(jié)[4]。

1 光纖測溫報(bào)警系統(tǒng)工作原理與功能介紹

1.1 光纖測溫報(bào)警系統(tǒng)工作原理

分布式光纖測溫報(bào)警系統(tǒng)主要工作原理是依靠光纖的后向拉曼散射溫度效應(yīng)和光時(shí)域反射計(jì)原理。

分布式光纖測溫報(bào)警系統(tǒng)是利用拉曼散射效應(yīng)進(jìn)行溫度測量，利用OTDR技術(shù)進(jìn)行溫度點(diǎn)定位。當(dāng)主處理器中的激光源向光纖發(fā)射905 nm的光脈沖后，由于光的散射會引起光波的能量損耗，光脈沖大部分能傳到光纖末端并消失，而小部分（攜帶有用溫度信息）后向散射光會沿著光纖反射回來，對這一后向散射光進(jìn)行過濾分析，將拉曼散射光與其他后向散射光進(jìn)行區(qū)分，由于拉曼散射光攜帶著溫度信息，然后通過上位機(jī)對這部分拉曼散射光進(jìn)行DSP處理，從而可以提取出所需要的環(huán)境溫度的信息。

1.2 測溫系統(tǒng)的主要功能

1）礦井巷道與工作面場所溫度的實(shí)時(shí)監(jiān)控。在礦井內(nèi)，設(shè)計(jì)并安裝布置分布式光纖測溫系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)巷道與工作面各點(diǎn)（位置）溫度的實(shí)時(shí)監(jiān)控，做到早期預(yù)警。2）利用光纖的長度，實(shí)現(xiàn)溫度的分布式測定。DTS系統(tǒng)實(shí)時(shí)顯示每隔1 m距離的各點(diǎn)溫度變化，并能連續(xù)監(jiān)測溫度信號，對任意溫度點(diǎn)實(shí)現(xiàn)溫度超限報(bào)警。

1.3 分布式光纖的安裝

感溫光纖直接在皮帶中心底部直線敷設(shè)1根光纜。約每隔1 m使用捆扎帶或細(xì)鋼絲將光纜固定在底架上，以保證良好的溫度傳導(dǎo)。

2 塔山礦光纖測溫系統(tǒng)實(shí)測布置與測試結(jié)果分析

2.1 塔山礦光纖測溫系統(tǒng)的布置

在塔山煤礦，分布式光纖測溫系統(tǒng)的布置測試方案見圖1。主要測試運(yùn)煤皮帶運(yùn)行過程中的升溫變化情況，對膠帶的溫度與膠帶起燃點(diǎn)的溫度臨界值相互比較，并進(jìn)行溫度預(yù)警，保證皮帶的安全正常運(yùn)行。監(jiān)測涉及的運(yùn)輸膠帶機(jī)有7001、7002、8101和8102膠帶運(yùn)輸機(jī)，同時(shí)還有5個(gè)精煤倉的溫度變化，監(jiān)測散體精煤的溫升，確保其不發(fā)生自燃。

2.2 塔山礦光纖測溫系統(tǒng)的測試結(jié)果與分析

塔山礦井下大巷膠帶運(yùn)輸機(jī)運(yùn)行時(shí)，實(shí)測的溫度分布實(shí)施顯示，見圖2。

由圖2可知，塔山礦膠帶運(yùn)輸機(jī)運(yùn)行過程中，分布式光纖測溫系統(tǒng)實(shí)時(shí)在線測試顯示的皮帶運(yùn)轉(zhuǎn)溫度，沿皮帶長度并非是均勻分布的，有高有低，一般的溫度為25℃～28℃，低于30℃。但在長度的個(gè)別位置或小范圍內(nèi)，也有溫度超過30℃的情形，如在575 m位置，溫度32℃～33℃;在710 m位置，溫度32℃;在1 000～1 100 m位置，溫度30℃～37℃；在1 200～1 250 m位置，溫度30℃～32℃；在1 350 m位置，溫度30℃～33℃；在1 525～1 575 m位置，溫度30℃～34℃;在1 625～1 675 m位置，溫度30℃～34℃;在1 700～1 750 m位置，溫度30℃～48℃;而在2 200m位置，溫度達(dá)到38℃。

總體而言，膠帶運(yùn)輸機(jī)運(yùn)行過程中，實(shí)測的溫度大于36℃的較高點(diǎn)有3處，即1 000～1 100 m范圍（37℃），1 700～1 750 m范圍（48℃）；2 200 m位置，溫度達(dá)到38℃。此三點(diǎn)膠帶運(yùn)行溫度較高，應(yīng)下井查清其是何種原因引起，并采取措施，降低溫升，避免長時(shí)溫升引起膠帶自燃火災(zāi)事故。

此外，查資料可知，一般國內(nèi)生產(chǎn)膠帶運(yùn)輸機(jī)的鋼絲芯皮帶自燃溫度為320℃～340℃[5]，因此運(yùn)行溫度低于臨界自燃溫度點(diǎn)，膠帶運(yùn)輸機(jī)使用是安全的。

3 結(jié)論

通過在塔山礦應(yīng)用分布式光纖測溫度系統(tǒng)，測試膠帶運(yùn)輸機(jī)運(yùn)行溫度的防火預(yù)警研究，有如下主要結(jié)論：

1）分布式光纖測溫度系統(tǒng)，集傳感與傳輸于一體，可實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距測量與監(jiān)控，適合于機(jī)電設(shè)備特別是膠帶機(jī)與煤層自燃發(fā)火的防火預(yù)警工程。

2）測溫系統(tǒng)的可以以較低的成本采集較大的數(shù)據(jù)信息，測量范圍寬、精度高、空間分辨率高以及抗電磁干擾性強(qiáng)，因此可適用于易燃爆等較為危險(xiǎn)的場合。

3）實(shí)測膠帶運(yùn)轉(zhuǎn)溫度，一般溫度為25℃～28℃，實(shí)測溫度大于36℃的較高點(diǎn)有3處，即1 000～1 100 m范圍（37℃），1 700～1 750 m范圍（48℃）；2 200 m位置，溫度達(dá)到38℃。應(yīng)下井查清其是何種原因引起，并采取措施，降低溫升，避免長時(shí)溫升引起膠帶自燃火災(zāi)事故。

4）一般國內(nèi)生產(chǎn)膠帶運(yùn)輸機(jī)的鋼絲芯皮帶自燃溫度為320℃～340℃，實(shí)測運(yùn)行溫度低于臨界自燃溫度點(diǎn)，膠帶運(yùn)輸機(jī)使用安全。

[1]于學(xué)謙.礦井運(yùn)輸機(jī)械[M].徐州：中國礦業(yè)大學(xué)出版社，1998.

[2]余明高.礦井火災(zāi)防治[M].北京：國防工業(yè)出版社，2013.

[3]齊冀,彭泓,王濤.基于模糊信息融合的礦井火災(zāi)監(jiān)測系統(tǒng)研究[J].煤礦機(jī)電,2009（3）：34-37.

[4]周心權(quán)，鄔燕云，朱紅青，等.煤礦災(zāi)害防治科技發(fā)展現(xiàn)狀與對策分析[J].煤炭科學(xué)技術(shù)，2002，30（1）：1-5．

[5]戚穎敏.我國煤礦火災(zāi)防治技術(shù)的現(xiàn)代發(fā)展與應(yīng)用[J].煤，1999，8（2）：1-4．

Application of Distributed Optical Fiber Temperature System in Tashan Mine

ZHANG Hui1,2

(1.Mining Technology Institute,Taiyuan University of Technology,Taiyuan 030024,China; 2.Datang Tashan Mine,Datong Coal Mine Group,Datong 037001,China)

Fire accidents in coal mining correlate with temperature in different locations in mines. Distributed optical fiber temperature system is adopted to realize real-time and rapid monitoring of the temperature variation and distribution in order to judge the trend and to evaluate the fire accident possibility.The practice shows that the application of the system could provide an important basis for decision making in the fire prevention and control.

distributed;optical fiber temperature sensor;real-time monitoring

TM76

A

1672-5050（2015）01-0073-03

10.3969/j.cnki.issn1672-5050sxmt.2015.01.024

（編輯：武曉平）

2014-10-30

張慧（1981-），男，山西應(yīng)縣人，在讀工程碩士研究生，助理工程師，從事礦井安全管理監(jiān)控工作。