基于光纤测温系统的矿井采空区“三带”研究*

程根银 唐晶晶 曹 健 牛振磊 周逸飞

(1.河北省矿井灾害防治重点实验室，河北省三河市，065201；2.华北科技学院研究生处，河北省三河市，065201)

★ 煤矿安全 ★

基于光纤测温系统的矿井采空区“三带”研究*

程根银1唐晶晶2曹 健2牛振磊2周逸飞2

(1.河北省矿井灾害防治重点实验室，河北省三河市，065201；2.华北科技学院研究生处，河北省三河市，065201)

针对束管测温系统存在的不足，利用光纤传感技术的优势，将光纤分布式测温系统应用于煤矿采空区，以便及时监测采空区内温度变化，准确预报采空区自然发火前期表象，将自然发火抑制在早期阶段。通过理论分析、试验测试和现场工程实践，表明光纤测温系统可以对高温点进行连续监测和定位，使定位精度误差控制在 ±1 m。同时，对监测数据进行分析，划分采空区“三带”范围，符合矿井实际情况，为煤矿井下安全生产提供依据，对认识煤矿灾害形成机理和重大灾害的预测预报技术的发展有很大的促进作用。

光纤传感 煤矿采空区 火灾监测 自然发火 “三带” 测温系统

随着煤矿开采深度逐年延伸，自然发火灾害愈加严重。自然发火不但导致煤矿生产接续紧张，而且对职工的生命安全构成严重威胁，因此，一直困扰和制约着煤矿生产的发展和经济效益的提高。煤的自燃发展过程，实质是其自身氧化速度加速的过程，其氧化速度之快，以致产生的热量来不及向外界放散而导致了自燃。煤的氧化进程既可在常温下发生，也可在高温下进行，伴随氧化过程的发展，其周围空气中的氧气含量必然降低，周围的温度升高。在工作面回采过程中，对工作面进巷、回风巷及切眼位置进行温度监测，及时发现温度异常，将煤自燃抑制在早期阶段，对控制预防采空区(工作面)自然发火具有重要意义。

目前，各个煤矿为监测采空区自然发火情况，一般均采用束管监测系统。束管监测系统主要利用红外技术对井下气体成分进行分析，实现CO、CO2、CH4、O2、N2(计算值)等气体含量的监测，对其含量变化情况进行预测。虽然束管监测系统取得了较好的效果，然而相比于光纤测温系统，仍表现出许多劣势，两系统部分对比如表1所示。

表1 分布式光纤测温系统与束管监测系统对比

通过对比分布式光纤测温系统与束管监测系统，可以看出光纤测温系统具有独特的优点：不带电本质安全、适用于煤矿井下易燃、易爆环境；光纤传输损耗小、距离远、不受电磁场干扰和温度湿度影响，传输可靠性高；光纤传感监测系统容量大、易于实现多点多参数在线监测，大大减少设备的种类和数量，系统配置简单，便于维护；光纤传感器具有分布式监测的独特优势，可以实现对光纤沿线各个点的温度应变在线监测，在对较大空间范围的连续监测方面，具有独特的应用价值。

1 分布式光纤测温系统

1.1 光纤分布式测温系统

光纤分布式测温系统由光信号发射模块、光信号接收模块、光波分复用模块、DSP数据处理模块以及定标控温模块五大组成部分。此系统集光纤传感、光纤通讯、信号解调、报警控制等功能于一体。典型的光纤分布式温度传感器系统能在整个连续的光纤长度上以距离的连续函数形式测量出光线长度变化上各点的温度值。分布式光纤温度传感器的工作机理是基于光纤内部光的散射现象的温度特性，利用光时域反射测试技术(OTDR)，将较高功率窄带光脉冲送入光纤，将返回的散射光强随时间的变化探测出来。分布式光纤测温原理如图1所示。

1.2 分布式温度监测系统测试

采用对比方法对光纤光缆测温效果进行实验室测试，测试过程如图2所示。

图1 分布式光纤测温原理图

1-PC机;2-RS232接口;3-监测系统;4-1号、2号光纤光缆;5-水银温度计;6-水槽;7-传感器图2 光纤测温系统实验室测试示意图

将在煤矿采空区现场敷设用的测温光纤光缆任取2 m放入水槽，在水槽中加入热水，每10 min用水银温度计测量一次水槽内温度并记录，将记录的温度数据与光纤测温系统软件在该时间内记录的数据进行比较。具体测量数据如表2所示。

经水银温度计测定数据与软件测试数据进行的对比分析，考虑到光缆导热有延迟及现场环境温度影响等因素，1号光纤光缆与实际值均差3℃，2号光纤光缆与实际值均差4℃，把光纤测温系统监测数据系数重新修正，标定后数据误差在±2℃以内。标定后测量误差在采空区温度测量误差范围内。

表2 分布式光缆测温试验数据

2 采空区遗煤温度与“三带”的关系

采空区划分自燃“三带”有3种标准：按照采空区内漏风风速划分；按照采空区内部氧气浓度划分；按照采空区内温升率指标划分。前二者都是以采空区内漏风流情况为划分“三带”的依据，在采空区内测量漏风风速是比较难做到的，而测量氧气浓度相对容易些，但也面临着采空区内传感器安装、保护以及数据传送等问题。

随着分布式测温技术在采空区试验研究及应用，行业内提出通过温升率指标直接来判断划分采空区“三带”。温升率变化是指所监测采空区内温度随时间变化一直升高，当变化率达到2℃/d，可判断采空区内发生自然氧化，采空区内氧气浓度高低只能说明有无氧化的必备条件，不能说明有无积热条件，而温升速度及变化能够说明采空区内浮煤氧化积热的全过程，所以升温率指标作为划分可能自燃带的依据较为合理。

3 光纤测温系统在煤矿中的应用

3.1 7331工作面概况

徐庄煤矿7331工作面位于II(3)采区，地面标高+32.20 m，东北部为井田边界，西部为7234、7235工作面采空区以及II(3)采区上山，北部为未开采区域，南部为F14正断层。走向长度754 m，倾向长度188 m。煤层厚4.0～5.8 m，平均厚度5.3 m，煤层倾角7°～13°，平均10°；工作面标高 -510.8～ -603.5 m；容重1.37 t/m3，工作面储量102.8万t，回采率85%，回采煤量87.4万t。工作面内无钻孔。

7331综采工作面现采深为-550 m，一次采全高，采面地表温度在26℃左右。对于综采工作面最为突出的问题是采空区及材料巷、胶运巷、联络巷、开切眼的自然发火，因此布置测温光缆选择路线为开切眼——采空区——材料巷——II(3)上部变电所以及开切眼——胶运巷——II(3)上部变电所。

3.2 现场实施工艺

采用光纤分布式测温技术，将铠装测温光缆预先沿7331工作面进风巷和回风巷两巷道布设好，对采空区、采煤工作面、巷道等地点的环境温度变化实时在线监测，同时对高温隐患点定位。感温光缆沿井下7331工作面进风巷和回风巷敷设至采煤工作面，实时监测沿途环境温度分布趋势，待工作面开采产生采空区，感温光缆即可监测采空区内温度变化，温度升高时可以发出预警信息，便于生产管理者及时作出检查、治理等指导决策。7331工作面采空区温度监测系统框架如图3所示。

图3 7331工作面采空区温度监测系统框架示意图

工作面巷道光缆沿巷道煤壁铺设，高度离底板1 m左右，每隔1 m用扎带固定在防护网上，固定时要使光缆保持松弛；工作面外面的部分沿通信线缆挂钩铺设到分站位置，不得与高压电缆绑在一起，铺设的光缆应有适当的松弛度，防止意外受力或自由坠落时损伤光缆。光缆经过砖墙、石头墙及封堵密闭墙时，将胶管用壁纸刀割开套到光缆外以起到保护光缆的作用，避免被石头挤断。

3.3 监测结果分析

通过分布式测温数据分析7331工作面采空区“三带”范围，随机采集6月份3 d采空区190 m的数据，进行对比分析。分析结果表明，随着7331工作面回采完毕密闭后，采空区内的温度随着离密闭墙的距离增加温度先是减少，然后温度相对剧升，最后趋近平稳。温度随着距离的变化大致分为3个阶段变化趋势，第一阶段约在0～30 m，温度比大巷温度稍低一些，变化相对较小些；第二阶段约从30～90 m，温度升高明显，并且变化相对较大；第三阶段从90 m往后，温度随距离变化不大，有下降的趋势，接近地温。到7月4号采空区内部400 m温度变化基本一致波动也不大，证明到目前采空区密闭较好无漏风，由以上的分析及温度变化规律初步判定出采空区的“三带”范围。

通过光纤分布式测温及光纤多气体对采空区的“三带”范围：散热带<30 m，30 m<氧化升温带<90 m，窒息带>90 m。

通过对比相同开采条件下其他工作面采空区“三带”范围，此“三带”范围符合矿井实际情况。

4 结论

(1)利用分布式光纤测温系统，将光纤光缆沿巷道布设于采面、采空区及巷道，可同时监测沿线的温度分布，通过软件可以实时定位、显示整个巷道的温度分布情况，防止火灾的发生，为煤矿井下安全生产提供依据。

(2)煤矿安全生产光纤温度在线监测及自然发火预警系统采用长距离矿用铠装光缆作为温度传感器，与传统的温度传感器相比具有本质安全，耐腐蚀，不受电磁干扰等优点，光缆沿走向敷设于井下巷道、工作面及采空区内，也可直接埋设于火灾隐患的高温区域，连续监测长距离大范围的环境温度信息，为煤矿井下温度监测等应用提供优质的温度监测方案。

(3)通过分析分布式光纤测温系统对采空区的温度监测数据，进而对采空区“三带”进行划分，对比此矿井相同开采条件下其他工作面采空区“三带”范围，此“三带”划分合理，符合矿井实际“三带”分布情况。由此可见，分布式光纤测温系统可为深入研究矿井采空区自然发火预警规律提供有效技术手段，对矿井采空区灾害监控有着重大意义。

[1]白廷海.低瓦斯厚煤层滑移支架放顶煤工作面综合防灭火技术.煤矿安全，2010(10)

[2]邓凯.综采面采空区三带划分方法的研究.安徽理工大学,2012

[3]李强,邬剑明,吴玉国等.近距离煤层开采上覆煤层采空区气体分布规律.中国煤炭，2015(2)

[4]赵序峰，魏林海，陈伟.北徐楼煤矿防灭火技术的应用研究.山东煤炭科技，2014(1)

[5]闫惠芳.分布式光纤测温技术在煤矿安全中的应用.中国煤炭，2013(12)

[6]李明.热电偶测温及束管监测在矿井防灭火中的应用.煤矿技术，2013(9)

[7]李刚,王玉,阮洪新.基于光纤技术的采空区发火监测系统的应用.山东煤炭技术，2015(3)

[8]郑园，赵华玮，苗可彬.分布式光纤测温系统在采空区火灾监控预警中的应用.煤炭技术，2014(9)

[9]吉增权.分布式光纤温度监测技术与应用.河南科技，2013(12)

[10]曹立军.分布式光纤温度测量及数据处理技术研究.合肥工业大学，2006

[11]安守磊.分布式光纤测温系统信号处理方法的研究.山东大学，2012

[12]毕卫红，张燕君，苑宝义.基于光散射的分布式光纤温度传感器网络及其在智能电网中的应用.燕山大学学报，2010(5)

[13]赫庭玉.分布式光纤测温系统在塔山煤矿的应用.中国煤炭，2015(9)

[14]陆新晓，曹凯，吴征艳.基于O2和CO浓度综合划定采空区“三带”.矿业工程研究，2011(3)

(责任编辑 张艳华)

《煤矿安全规程解读》正式出版

修订后的《煤矿安全规程》自2016年10月1日起施行。为帮助广大煤炭企业从业人员认真学习和贯彻落实新版《煤矿安全规程》，新版《煤矿安全规程》修订各篇章的负责人编写的《煤矿安全规程解读》一书，已由煤炭工业出版社正式出版发行。

《煤矿安全规程解读》严格按照新版《煤矿安全规程》和《煤矿安全规程执行说明》的精神实质进行解读，对《煤矿安全规程》修订后有实质性变化的条文阐明了修改原因，对具体条款制定的目的、意义进行解释的同时，对关键语句、关键词、关键数据进行了阐释，并将有代表性、典型性和新近发生的事故案例融入到解读之中。

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

国家自然科学基金资助项目(U1361130)，中央高校基本科研业务费资助项目(3142015110)

TD75

A

程根银(1968-)，安徽安庆人，博士，教授，长期从事安全工程专业教学、科研与管理工作。