基于光纖測溫系統的礦井采空區“三帶”研究*

程根銀 唐晶晶 曹 健 牛振磊 周逸飛

(1.河北省礦井災害防治重點實驗室，河北省三河市，065201；2.華北科技學院研究生處，河北省三河市，065201)

★ 煤礦安全 ★

基于光纖測溫系統的礦井采空區“三帶”研究*

程根銀1唐晶晶2曹 健2牛振磊2周逸飛2

(1.河北省礦井災害防治重點實驗室，河北省三河市，065201；2.華北科技學院研究生處，河北省三河市，065201)

針對束管測溫系統存在的不足，利用光纖傳感技術的優勢，將光纖分布式測溫系統應用于煤礦采空區，以便及時監測采空區內溫度變化，準確預報采空區自然發火前期表象，將自然發火抑制在早期階段。通過理論分析、試驗測試和現場工程實踐，表明光纖測溫系統可以對高溫點進行連續監測和定位，使定位精度誤差控制在 ±1 m。同時，對監測數據進行分析，劃分采空區“三帶”范圍，符合礦井實際情況，為煤礦井下安全生產提供依據，對認識煤礦災害形成機理和重大災害的預測預報技術的發展有很大的促進作用。

光纖傳感 煤礦采空區 火災監測 自然發火 “三帶” 測溫系統

隨著煤礦開采深度逐年延伸，自然發火災害愈加嚴重。自然發火不但導致煤礦生產接續緊張，而且對職工的生命安全構成嚴重威脅，因此，一直困擾和制約著煤礦生產的發展和經濟效益的提高。煤的自燃發展過程，實質是其自身氧化速度加速的過程，其氧化速度之快，以致產生的熱量來不及向外界放散而導致了自燃。煤的氧化進程既可在常溫下發生，也可在高溫下進行，伴隨氧化過程的發展，其周圍空氣中的氧氣含量必然降低，周圍的溫度升高。在工作面回采過程中，對工作面進巷、回風巷及切眼位置進行溫度監測，及時發現溫度異常，將煤自燃抑制在早期階段，對控制預防采空區(工作面)自然發火具有重要意義。

目前，各個煤礦為監測采空區自然發火情況，一般均采用束管監測系統。束管監測系統主要利用紅外技術對井下氣體成分進行分析，實現CO、CO2、CH4、O2、N2(計算值)等氣體含量的監測，對其含量變化情況進行預測。雖然束管監測系統取得了較好的效果，然而相比于光纖測溫系統，仍表現出許多劣勢，兩系統部分對比如表1所示。

表1 分布式光纖測溫系統與束管監測系統對比

通過對比分布式光纖測溫系統與束管監測系統，可以看出光纖測溫系統具有獨特的優點：不帶電本質安全、適用于煤礦井下易燃、易爆環境；光纖傳輸損耗小、距離遠、不受電磁場干擾和溫度濕度影響，傳輸可靠性高；光纖傳感監測系統容量大、易于實現多點多參數在線監測，大大減少設備的種類和數量，系統配置簡單，便于維護；光纖傳感器具有分布式監測的獨特優勢，可以實現對光纖沿線各個點的溫度應變在線監測，在對較大空間范圍的連續監測方面，具有獨特的應用價值。

1 分布式光纖測溫系統

1.1 光纖分布式測溫系統

光纖分布式測溫系統由光信號發射模塊、光信號接收模塊、光波分復用模塊、DSP數據處理模塊以及定標控溫模塊五大組成部分。此系統集光纖傳感、光纖通訊、信號解調、報警控制等功能于一體。典型的光纖分布式溫度傳感器系統能在整個連續的光纖長度上以距離的連續函數形式測量出光線長度變化上各點的溫度值。分布式光纖溫度傳感器的工作機理是基于光纖內部光的散射現象的溫度特性，利用光時域反射測試技術(OTDR)，將較高功率窄帶光脈沖送入光纖，將返回的散射光強隨時間的變化探測出來。分布式光纖測溫原理如圖1所示。

1.2 分布式溫度監測系統測試

采用對比方法對光纖光纜測溫效果進行實驗室測試，測試過程如圖2所示。

圖1 分布式光纖測溫原理圖

1-PC機;2-RS232接口;3-監測系統;4-1號、2號光纖光纜;5-水銀溫度計;6-水槽;7-傳感器圖2 光纖測溫系統實驗室測試示意圖

將在煤礦采空區現場敷設用的測溫光纖光纜任取2 m放入水槽，在水槽中加入熱水，每10 min用水銀溫度計測量一次水槽內溫度并記錄，將記錄的溫度數據與光纖測溫系統軟件在該時間內記錄的數據進行比較。具體測量數據如表2所示。

經水銀溫度計測定數據與軟件測試數據進行的對比分析，考慮到光纜導熱有延遲及現場環境溫度影響等因素，1號光纖光纜與實際值均差3℃，2號光纖光纜與實際值均差4℃，把光纖測溫系統監測數據系數重新修正，標定后數據誤差在±2℃以內。標定后測量誤差在采空區溫度測量誤差范圍內。

表2 分布式光纜測溫試驗數據

2 采空區遺煤溫度與“三帶”的關系

采空區劃分自燃“三帶”有3種標準：按照采空區內漏風風速劃分；按照采空區內部氧氣濃度劃分；按照采空區內溫升率指標劃分。前二者都是以采空區內漏風流情況為劃分“三帶”的依據，在采空區內測量漏風風速是比較難做到的，而測量氧氣濃度相對容易些，但也面臨著采空區內傳感器安裝、保護以及數據傳送等問題。

隨著分布式測溫技術在采空區試驗研究及應用，行業內提出通過溫升率指標直接來判斷劃分采空區“三帶”。溫升率變化是指所監測采空區內溫度隨時間變化一直升高，當變化率達到2℃/d，可判斷采空區內發生自然氧化，采空區內氧氣濃度高低只能說明有無氧化的必備條件，不能說明有無積熱條件，而溫升速度及變化能夠說明采空區內浮煤氧化積熱的全過程，所以升溫率指標作為劃分可能自燃帶的依據較為合理。

3 光纖測溫系統在煤礦中的應用

3.1 7331工作面概況

徐莊煤礦7331工作面位于II(3)采區，地面標高+32.20 m，東北部為井田邊界，西部為7234、7235工作面采空區以及II(3)采區上山，北部為未開采區域，南部為F14正斷層。走向長度754 m，傾向長度188 m。煤層厚4.0～5.8 m，平均厚度5.3 m，煤層傾角7°～13°，平均10°；工作面標高 -510.8～ -603.5 m；容重1.37 t/m3，工作面儲量102.8萬t，回采率85%，回采煤量87.4萬t。工作面內無鉆孔。

7331綜采工作面現采深為-550 m，一次采全高，采面地表溫度在26℃左右。對于綜采工作面最為突出的問題是采空區及材料巷、膠運巷、聯絡巷、開切眼的自然發火，因此布置測溫光纜選擇路線為開切眼——采空區——材料巷——II(3)上部變電所以及開切眼——膠運巷——II(3)上部變電所。

3.2 現場實施工藝

采用光纖分布式測溫技術，將鎧裝測溫光纜預先沿7331工作面進風巷和回風巷兩巷道布設好，對采空區、采煤工作面、巷道等地點的環境溫度變化實時在線監測，同時對高溫隱患點定位。感溫光纜沿井下7331工作面進風巷和回風巷敷設至采煤工作面，實時監測沿途環境溫度分布趨勢，待工作面開采產生采空區，感溫光纜即可監測采空區內溫度變化，溫度升高時可以發出預警信息，便于生產管理者及時作出檢查、治理等指導決策。7331工作面采空區溫度監測系統框架如圖3所示。

圖3 7331工作面采空區溫度監測系統框架示意圖

工作面巷道光纜沿巷道煤壁鋪設，高度離底板1 m左右，每隔1 m用扎帶固定在防護網上，固定時要使光纜保持松弛；工作面外面的部分沿通信線纜掛鉤鋪設到分站位置，不得與高壓電纜綁在一起，鋪設的光纜應有適當的松弛度，防止意外受力或自由墜落時損傷光纜。光纜經過磚墻、石頭墻及封堵密閉墻時，將膠管用壁紙刀割開套到光纜外以起到保護光纜的作用，避免被石頭擠斷。

3.3 監測結果分析

通過分布式測溫數據分析7331工作面采空區“三帶”范圍，隨機采集6月份3 d采空區190 m的數據，進行對比分析。分析結果表明，隨著7331工作面回采完畢密閉后，采空區內的溫度隨著離密閉墻的距離增加溫度先是減少，然后溫度相對劇升，最后趨近平穩。溫度隨著距離的變化大致分為3個階段變化趨勢，第一階段約在0～30 m，溫度比大巷溫度稍低一些，變化相對較小些；第二階段約從30～90 m，溫度升高明顯，并且變化相對較大；第三階段從90 m往后，溫度隨距離變化不大，有下降的趨勢，接近地溫。到7月4號采空區內部400 m溫度變化基本一致波動也不大，證明到目前采空區密閉較好無漏風，由以上的分析及溫度變化規律初步判定出采空區的“三帶”范圍。

通過光纖分布式測溫及光纖多氣體對采空區的“三帶”范圍：散熱帶<30 m，30 m<氧化升溫帶<90 m，窒息帶>90 m。

通過對比相同開采條件下其他工作面采空區“三帶”范圍，此“三帶”范圍符合礦井實際情況。

4 結論

(1)利用分布式光纖測溫系統，將光纖光纜沿巷道布設于采面、采空區及巷道，可同時監測沿線的溫度分布，通過軟件可以實時定位、顯示整個巷道的溫度分布情況，防止火災的發生，為煤礦井下安全生產提供依據。

(2)煤礦安全生產光纖溫度在線監測及自然發火預警系統采用長距離礦用鎧裝光纜作為溫度傳感器，與傳統的溫度傳感器相比具有本質安全，耐腐蝕，不受電磁干擾等優點，光纜沿走向敷設于井下巷道、工作面及采空區內，也可直接埋設于火災隱患的高溫區域，連續監測長距離大范圍的環境溫度信息，為煤礦井下溫度監測等應用提供優質的溫度監測方案。

(3)通過分析分布式光纖測溫系統對采空區的溫度監測數據，進而對采空區“三帶”進行劃分，對比此礦井相同開采條件下其他工作面采空區“三帶”范圍，此“三帶”劃分合理，符合礦井實際“三帶”分布情況。由此可見，分布式光纖測溫系統可為深入研究礦井采空區自然發火預警規律提供有效技術手段，對礦井采空區災害監控有著重大意義。

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(責任編輯 張艷華)

《煤礦安全規程解讀》正式出版

修訂后的《煤礦安全規程》自2016年10月1日起施行。為幫助廣大煤炭企業從業人員認真學習和貫徹落實新版《煤礦安全規程》，新版《煤礦安全規程》修訂各篇章的負責人編寫的《煤礦安全規程解讀》一書，已由煤炭工業出版社正式出版發行。

《煤礦安全規程解讀》嚴格按照新版《煤礦安全規程》和《煤礦安全規程執行說明》的精神實質進行解讀，對《煤礦安全規程》修訂后有實質性變化的條文闡明了修改原因，對具體條款制定的目的、意義進行解釋的同時，對關鍵語句、關鍵詞、關鍵數據進行了闡釋，并將有代表性、典型性和新近發生的事故案例融入到解讀之中。

Research on "three zone" of goaf based on optical fiber temperature measurement system

Cheng Genyin1, Tang Jingjing2, Cao Jian2, Niu Zhenlei2, Zhou Yifei2

(1. Key Laboratory of Mine Disaster Prevention and Control of Hebei Province, Sanhe, Hebei 065201, China;2. Graduate School of North China Institute of Science and Technology, Sanhe, Hebei 065201, China)

Aiming at the weaknesses of strap tube temperature measurement system, taking the advantage of optical fiber sensing technology, applying optical fiber distributed temperature measurement system into coal mine goaf in order to monitor the temperature change in gob without delay and accurately forecast the starting characteristics of spontaneous fire in gob to avoid the spontaneous fire at the very beginning. Theoretical analysis, experimental testing and field project practice indicated that optical fiber temperature measurement system could constantly monitor and locate high temperature spots and keep localization accuracy error within 1 meter. Based on the actual condition of the mine, this paper analyzed monitoring data and determined the scope of "Three Zone" to provide guidance of underground coal mine production and enhance the understanding of coal mine disaster formation mechanism and the development of prediction techniques for significant disasters.

optical fiber sensing, coal mine gob, fire disaster monitoring, spontaneous fire, "three zone", temperature measurement system

國家自然科學基金資助項目(U1361130)，中央高校基本科研業務費資助項目(3142015110)

TD75

A

程根銀(1968-)，安徽安慶人，博士，教授，長期從事安全工程專業教學、科研與管理工作。