分布式光纤传感系统在煤矿采空区火灾监测中的应用

程根银，曹 健，唐晶晶，牛振磊，周逸飞

(华北科技学院 安全工程学院，北京 东燕郊 101601)

分布式光纤传感系统在煤矿采空区火灾监测中的应用

程根银，曹 健，唐晶晶，牛振磊，周逸飞

(华北科技学院 安全工程学院，北京 东燕郊 101601)

为弥补束管监测系统存在的不足，利用光纤传感技术的优势，将分布式光纤传感系统应用于煤矿采空区，对采空区内温度进行实时在线监测。理论分析及现场实践表明，此系统可以对高温点进行连续监测和定位，且具有本质安全、远程、分布式连续测量等特点。同时，对监测数据及数值模拟结果进行对比分析，结果表明光纤光栅技术能够精确、连续测试采空区内温度变化，可为清晰分析和判断采空区自然发火规律提供良好数据资料，有效地弥补了现有检测技术所存在的弊端。光纤传感技术在煤矿安全上的研究应用对认识煤矿灾害形成机理和重大灾害预测预报技术的发展起到促进作用。

分布式光纤传感系统；煤矿采空区；火灾监测；数值模拟

0 引言

煤炭行业是一个高危行业，安全生产是其集约高效发展的前提。随着现代传感技术的发展，煤矿安全检测系统的应用为煤矿安全生产提供了技术保障[1]。在各种事故原因中，火灾事故占了事故总量的绝大部分，因而火灾事故状态监测及预警对煤矿安全生产有着非常重要的意义，本文利用分布式光纤传感技术对煤矿安全生产中的火灾状态进行检测，以达到事故预警的目的。

对于采空区火灾，目前是采用束管抽气[2]，然后通过对气体成份进行分析，间接地进行火灾预警。但受到束管埋设地点限制，这种方法的局限性很大。由于采空区中无法进行人工维护，目前尚未有合适的温度监测方法来对采空区火灾进行预警。

光纤传感器的应用范围很广，尤其可以安全有效地在恶劣环境中使用，解决了许多行业多年来一直存在的技术难题。分布式光纤温度传感器是近几年发展起来的一种用于实时测量空间温度场分布的高新技术，分布式光纤温度传感系统不仅具有普通光纤传感器的优点，还具有对光纤沿线各点的温度的分布式传感能力，利用这种特点可以连续实时测量光纤沿线几公里内各点的温度，非常适用于大范围多点测温的应用场合[3-4]。

1 分布式光纤传感技术

分布式光纤传感器测量是利用光纤的一维特性进行测量的技术，可以同时获得被测物理量及其时间和空间分布，可以用一条光纤来取代传统的数百个点阵组成的传感器阵列，从而降低了系统复杂度[5]。当激光脉冲射入传感用的光纤中，在光脉冲向前的传播过程中，由于光纤的密度、应力、材料组成、温度和弯曲变形等原因发生散射现象，有一部分的散射光会按照入射光相反的方向传播，称之为后向散射光[6]。如图1所示。

图1 光纤后向散射光图

返回的后向散射光包括：瑞利(Rayleigh)散射，由光纤折射率的微小变化引起，其频率与入射光脉冲一致；拉曼(Raman)散射，由光子与光声子相互作用引起，其频率与入射光脉冲相差几十太赫兹，拉曼散射分斯托克拉曼散射和反斯托克拉曼散射；布里渊(Brillouin)散射，由光子与光纤内弹性声波场低频声子相互作用引起，其频率与入射光脉冲相差几十吉赫兹。

图2 光纤后向散射光频率分布图

采用拉曼散射原理和光时域反射技术可以实现温度和距离的测定。拉曼散射是依据光在光纤中传播过程中，产生后向拉曼散射光谱的温度效应。当入射的光量子与光纤物质分子产生碰撞时，产生弹性碰撞和非弹性碰撞。弹性碰撞时，光量子和物质分子之间没有能量交换，光量子的频率不发生任何改变，表现为瑞利散射光保持与入射光相同的波长；在非弹性碰撞时，发生能量交换，光量子可以释放或吸收声子，表现为产生一个波长较长的斯托克斯光和一个波长较短的反斯托克斯光。由于反斯托克斯光受温度影响比较敏感，系统采用以斯托克斯光通道作为参考通道，反斯托克斯光通道作为信号通道，两者的比值可以消除光源信号波动、光纤弯曲等非温度因素，实现对温度信息的采集[7]。

光时域反射技术(即OTDR原理)是对空间分布的温度实现空间测量的理论基础[8]。激光脉冲在光纤中传输时，在时域里，入射光经过背向散射返回到光纤入射端所需时间为t，激光脉冲在光纤中所走过的路程为2L，有：

2L=V·t

(1)

(2)

式中，V为光在光纤中传输速度；C为真空中的光速；n为光纤折射率。

图3 光纤后向散射原理示意图

2 现场应用

2.1 采空区火灾检测系统设计

(1) 选取蒙西地区某煤矿进行现场实践。多通道煤矿采空区光纤分布式温度监测系统结构如图4所示。

多通道煤矿采空区光纤分布式温度监测系统包括：用户终端、数据服务器、分布式光纤测温主机、光纤接续盒、传感光纤和导纤装置。分布式光纤测温主机由激光光源、光电检测和处理模块、光学系统、数据处理模块组成，负责光脉信号的发生和光电信号的采集处理。系统通过光开关实现多通道的光路处理。

图4 系统结构框图

(2) 传感光纤

传感光纤是放入采空区内监测温度的传感器。由于采空区内有煤矸石等重物，还可能受到采空区内顶板落物的冲击，因此，传感光纤除了易于生产和施工之外，还要能够承受一定拉伸力和冲击力。

1—涂覆层，2—铠装层，3—抗拉层，4—光纤图5 传感光纤结构图

传感光纤的结构如图5所示。涂覆层是传感光纤的第一层保护层，可以承受一定的冲击力，铠装层是光纤的第二层保护层，铠装层与涂覆层间有一定的间隙形成缓冲区，可以进一步降低外部冲击和拉伸力。抗拉层使传感光纤能够承受一定的拉力，使之在受到浮煤的压力后从导线装置中顺利拉出，而不至损坏。

2.2 现场设计

采空区内无法人工维护，为了避免由于光纤在采空区内被煤矸石砸断而导致系统失效，采用三路光纤对蒙西地区某煤矿采空区内的温度分布情况进行检测。其中在16401运输顺槽1路，另两路布设到了16401回风。布设之时，16401巷道长约1050 m。

光缆沿巷道煤壁铺设，高度离底板一米左右，每隔一米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。

采用光纤分布式测温技术，将铠装测温光缆预先沿两顺槽布设好，对采空区、采煤工作面、顺槽等地点的环境温度变化实现实时在线监测。分布式光纤温度监测系统的感温光缆，具有无源、不带电、感温精度高，监测距离远、施工方便等优势。感温光缆可以沿井下采空区巷道敷设至采空区工作面，实时监测沿途环境温度分布趋势，采空区温度升高时可以发出预警信息，便于生产管理者及时做出检查、治理等指导决策。

3 数据分析

表1列举了16401工作面采空区内光纤测点距离开切眼10～174 m范围的温度记录值。为了观察方便，将表1中的温度情况绘制成分布图，如图7所示。

图6 16401工作面采空区温度监测系统框架示意图

表1 距离开切眼10～174 m温度记录表

续表

图7 采空区内光纤测点温度分布图

根据16401工作面及采空区的实际情况，选择工作面、工作面运输顺槽、工作面回风顺槽、采空区构建物理模型，进行数值模拟。建模过程中，考虑工作面、采空区物理条件非常复杂，影响因素繁多，为便于研究，做以下假设：

(1) 采空区内煤炭、冒落岩石与空气等混合物视为各向同性的多孔介质层；

(2) 忽略工作面巷道内的设备、管线的影响；

(3) 不考虑各巷道沿倾斜或者走向的坡度变化；

(4) 在气流中不存在热源、热汇，气流各组份之间没有化学反应；

(5) 粘性阻力系数和内部阻力系数在采高方向不发生变化。

计算模型及网格分布如图8所示。进而利用CFD软件Ansys Fluent求解数学模型，完成采空区温度场计算内容。

将数值模拟结果与实测结果进行对比，如图9所示。

通过对比，可以看出实测值和计算值的分布规律存在差异，但变化趋势是一致的。出现差异的原因主要是实际工作面的情况较为复杂，计算过程中假设经过防灭火技术的综合作用下多数漏风源得到很好地防堵，但实际生产中漏风量高于计算时的情况，致使实测时受到风速的影响大，带走热量更多，所以温升较慢一些。随着工作面推进，实测情况下，漏入采空区的空气多，氧气较充分，采空区煤炭氧化释放的热量也多，所以温升高于计算值。

4 结语

(1) 分布式光纤传感系统的传感介质为光纤，通过光纤光学特性的改变产生传感量，在测量过程中只有光信号产生。系统容量大，易于实现多点多参数在线监测；系统配置简单，便于维护；具有自定位功能，故障点查找方便；真正意义上的线性监测系统，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。

(2) 基于光纤技术的采空区分布式温度在线监测系统，在16401工作面应用以来，对采空区内温度进行了实时在线监测，获取了大量一手数据，同时积累了丰富的现场实践经验。利用分布式光纤测温系统，可监测光纤光缆沿线的温度分布，通过软件可以实时定位、显示采空区的温度分布情况，为采空区内自然发火情况进行了有效监控，为煤矿井下防火安全提供了依据。

(3) 综合分析光纤测温系统实测数据及数值模拟结果，掌握了采空区温度分布及自然发火情况，表明光纤光栅技术能够精确、连续测试采空区温度变化，可以为清晰分析和判断采空区自然发火规律提供良好数据资料。光纤传感技术在煤矿安全上的研究应用将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起到巨大的促进作用。

图8 计算模型及网格划分

图9 模拟结果与实测结果对比

[1] 陆伟,胡千庭,等. 煤自燃逐步自活化反应理论[J].中国矿业大学学报,2007,36(1):111-115.

[2] 李明.热电偶测温及束管监测在矿井防灭火中的应用[J].煤矿技术,2013(9):98-100.

[3] 程根银,唐晶晶,曹健,等.基于光纤测温系统的矿井采空区“三带”研究[J].中国煤炭,2016,42(12):107-110.

[4] 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[J].山东煤炭技术,2015(3):68-69,72.

[5] 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[J].煤炭技术,2014(9):291-293.

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

[7] 吉增权.分布式光纤温度监测技术与应用[J].河南科技,2013,7(12):39-40.

[8] 赫庭玉.分布式光纤测温系统在塔山煤矿的应用[J].中国煤炭，2015,41(09):78-79,116.

Application of distributed optical fiber sensing system in fire monitoring in the goaf of coal mine

CHENG Gen-yin，CAO Jian，TANG Jing-jing，NIU Zhen-lei，ZHOU Yi-fei

(SafetyEngineeringCollege,NorthChinaInstituteofScienceandTechnology,Yanjiao, 101601,China)

In order to make up for the shortcomings of the beam tube monitoring system, the distributed optical fiber sensing system is applied to the goaf of coal mine by using the advantages of optical fiber sensing technology. Theoretical analysis and field practice show that the system can monitor and locate the high temperature point continuously, and has the characteristics of intrinsic safety, remote and distributed continuous measurement. At the same time, according to the analysis of monitoring data and the results of numerical simulation, the results show that optical fiber grating technology can accurately and continuously test the air temperature change in the goaf of coal, and provide good data that can clearly analyze and judge the goaf spontaneous combustion rule, and effectively compensate for the drawbacks of the existing detection technology. The research and application of optical fiber sensing technology in coal mine safety plays an important role in understanding the formation mechanism of coal mine disasters and the development of weighty disaster prediction technology.according to the analysis of monitoring data and the results of numerical simulation

distributed optical fiber sensing system; goaf of coal mine; fire detection; numerical simulation

2017-01-03

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

程根银(1968-)，男，安徽安庆人，博士，教授，华北科技学院职业健康协同创新中心主任，长期从事安全工程专业教学、科研与管理工作。E-mail：gycheng@ncist.edu.cn

TD75

A

1672-7169(2017)02-0001-06