采空區光纖測溫技術的運用

李勇軍，任梅青，郝 宇

(1.重慶南桐礦業有限責任公司 通風瓦斯部，重慶 400802；2.中煤科工集團重慶研究院有限公司火災爆炸研究分院，重慶 400037)

0 引言

目前國有煤礦中60%以上的礦井開采煤層具有自燃傾向性。采空區遺留煤炭自然發火是煤礦開采過程中的主要隱蔽致災因素之一。隨著礦井的不斷延深和開采強度的加大，通風系統愈加復雜，使得煤層自燃危險性有明顯增大的趨勢，其中采空區煤炭自然發火占很高比例，且難以處理[1-2]。目前國內外對采空區自然發火傾向的預測和監控措施主要是通過束管系統抽取氣樣到地面，或人工在工作面隅角、回風巷收集氣樣，對標志性氣體進行分析預警，缺乏實效性和直觀性，也不能準確判別高溫異常或發火區域位置，存在一定的局限性。采用的光纖測溫裝置能夠連續、密度高地進行監測采空區的溫度，不存在盲點，檢測的信號傳輸距離遠，適于在采空區復雜環境中使用，尤其適用于高瓦斯礦井綜放開采采空區溫度場的監測預警，具有較好的經濟價值和社會價值[5]。

因此，在工作面回采過程中，對工作面進風巷、回風巷及采空區等區域進行溫度監測，及時發現溫度異常，將煤的自燃抑制在早期階段，對預防采空區(工作面)自然發火具有重要意義。

1 工作面概況及煤炭自燃過程

1.1 工作面概況

東林煤礦3409一段采煤工作面位于礦井北翼三水平第五采區，煤層厚度為2.4～2.7 m，平均厚度2.4 m，中部松軟，易破碎呈粉狀，傾角76°～86°，傾向東傾。工作面布置有-75 m風巷、-130 m機巷，采用“U”型下行通風，即由-75 m風巷回風，由-130 m機巷進風。采取區內后退式開采、俯偽斜柔性掩護支架采煤法采煤，落煤工藝為爆破加風鎬落煤。所采4#(K3)煤層自燃傾向性為Ⅱ級(自燃)，最短發火期為66 d，其特性見表1。

表1 工業分析及自燃傾向等級鑒定結果

1.2 煤炭自燃過程

理論研究表明煤的自燃分為3個階段：①煤在低溫的條件下，能吸附氧生成不穩定的化合物，放出少量的熱，這種氧化過程十分隱蔽，稱其為潛伏期；經過該階段后，煤的氧化過程加速，發熱量增加，如果不能及時散熱，就會加速煤的自燃；②在煤的自然溫度繼續升高至臨界溫度(70～80 ℃)以上，氧化急劇加快，當煤的溫度迅速升至300～500 ℃時，將會發生燃燒現象，H2、CO、水蒸汽等征兆性氣體出現，該階段是防止隱患升級的有利時期；③當溫度達到800～2 000 ℃時，煤的燃燒就會出現明火，此時基本就沒有辦法施救，只能被迫封閉工作[3-4]。

2 KJ711分布式光纖測溫度系統

2.1 基本原理

采用同一芯光纖作為溫度信息的傳感和傳導介質，利用光纖拉曼(Raman)散射光譜的溫度效應測量光纖所在的溫度場信息，測量誤差±0.1 ℃；同時運用光纖的光時域反射(OTDR)技術對測量點進行定位的一種新型溫度傳感系統，定位誤差±1 m。其檢測光纖具有不帶電、抗射頻和電磁干擾，防燃、防爆、抗腐蝕，能在有害環境中安全運行和快速多點測量并定位等特點[5-6]。

2.2 系統構成

KJ711系統主要由監控主機(KJ711監控軟件)、KJ711-F測溫分站、網絡交換機、測溫光纜、通信光纜和其他必要設備組成[7-8]，如圖1所示。

圖1 分布式光纖測溫系統連接示意圖

3 方案實施

3.1 設備布置

KJ711-F光纖測溫分站放置于七石門，采用通訊光纜連接三石門井下環網交換機并入井下現有環網，同時將測溫光纜從工作面引至測溫分站進行監測，數據通過環網進行數據上傳地面監控中心。

沿3409工作面進風巷、切割至回風巷敷設1條環型感溫光纖，直接對采場全域進行溫度監測，如圖2所示。

圖2 東林煤礦采空區光纖測溫系統布置圖

3.2 感溫光纖

為防止采空區冒落矸石砸壞光纖，確保其具有較高的抗壓與抗拉力，以增強感溫光纜在采空區的抗破壞能力，采用了新型雙層鎧裝鋼絲結構的DFC-2SW型感溫光纖，具體參數見表2。

3.3 敷設要求

在進、回風巷兩側每隔1～2 m打深度不小于3 m的錨桿，將感溫光纜固定在錨桿上，并進行掩埋處理，防止感溫光纜位移，保證定位的準確性。在感溫光纖走向改變或轉角處，敷設弧度必須滿足感溫光纖最小半徑要求(感溫光纜半徑的20倍)。采空區感溫光纜采用直埋敷設的方式。

表2 DFC-2SW型感溫光纖技術參數

4 系統功能

4.1 實時數據監測

系統可24 h連續對3409工作面及采空區進行溫度監測，并每隔15 s進行一次數據上傳，真正實現了對采空區溫度的實時在線監測，如圖3所示。

圖3 采場溫度監測實時圖表

從圖3曲線可以看出不同區域的溫度變化，如巷道溫度較低，基本保持恒定；采煤工作面溫度相對較高，溫度變化相對較大，與現場實測情況相符。

4.2 某監測點數據連續監測

系統實現了對3409工作面采空區溫度的實時連續監測，如圖4為某點連續5 d的溫度數據，通過監測系統，可以直觀地觀測到重點防滅火區域的溫度變化情況，并在溫度升高、異常時能提前采取措施進行防治。

圖4 某監測點溫度時間曲線對比圖

4.3 歷史數據查詢

系統可查詢出井下工作面及采空區在規定時間段的遙測歷史數據，并以曲線的方式在界面上顯示出來，以更加形象的方式來分析遙測歷史數據，如圖5所示。同一設備不同測點的曲線可用不同顏色顯示便于查看。

圖5 歷史曲線查詢

4.4 監測效果

采用礦用KJ711分布式光纖測溫系統對東林煤礦3409工作面及采空區進行溫度監測不僅彌補了現有監測手段的不足，還能達到如下效果：①連續監測整個工作面及采空區的溫度變化，不再是局部點的監測，彌補了過去傳統人工定點測溫及礦井安全監測系統溫度測點較少的不足；②全天24 h不間斷監測，每隔15 s對工作面采空區溫度進行監測一次，并實時顯示當前溫度數據，真正做到對3409工作面采空區溫度的實時在線監測；③對隱患點精確定位，其定位精度為1 m，并能在圖形上直觀顯示，為排查隱患節省時間，進而將隱患控制在萌芽狀態；④采用分區設置，對不同區域位置進行區別對待，并且能對任一溫度監測點繪制趨勢曲線，為早期預防提供數據依據；⑤與現有監測措施結合，對采空區浮煤自燃進行綜合預警，提高預警的及時性和準確性，為采空區隱蔽致災因素防治奠定扎實的理論與實踐基礎[9-10]。

5 結語

采空區分布式光纖測溫度系統是采空區煤溫監測及自然發火預警領域最新發展的一種技術，具有范圍廣、實時性、適應惡劣環境等特點，很好地解決了點式測溫等傳統的測溫方法存在的溫度監測點有限，傳感器易氧化、易腐蝕的缺點，彌補了標志性氣體分析方法預警的不足， 并且能對采集的溫度數據進行趨勢分析，及時準確地對采空區隱患進行預測預警，降低采空區自然發火的風險，提高了井下作業的安全性。