采空区光纤测温技术的运用

李勇军，任梅青，郝 宇

(1.重庆南桐矿业有限责任公司 通风瓦斯部，重庆 400802；2.中煤科工集团重庆研究院有限公司火灾爆炸研究分院，重庆 400037)

0 引言

目前国有煤矿中60%以上的矿井开采煤层具有自燃倾向性。采空区遗留煤炭自然发火是煤矿开采过程中的主要隐蔽致灾因素之一。随着矿井的不断延深和开采强度的加大，通风系统愈加复杂，使得煤层自燃危险性有明显增大的趋势，其中采空区煤炭自然发火占很高比例，且难以处理[1-2]。目前国内外对采空区自然发火倾向的预测和监控措施主要是通过束管系统抽取气样到地面，或人工在工作面隅角、回风巷收集气样，对标志性气体进行分析预警，缺乏实效性和直观性，也不能准确判别高温异常或发火区域位置，存在一定的局限性。采用的光纤测温装置能够连续、密度高地进行监测采空区的温度，不存在盲点，检测的信号传输距离远，适于在采空区复杂环境中使用，尤其适用于高瓦斯矿井综放开采采空区温度场的监测预警，具有较好的经济价值和社会价值[5]。

因此，在工作面回采过程中，对工作面进风巷、回风巷及采空区等区域进行温度监测，及时发现温度异常，将煤的自燃抑制在早期阶段，对预防采空区(工作面)自然发火具有重要意义。

1 工作面概况及煤炭自燃过程

1.1 工作面概况

东林煤矿3409一段采煤工作面位于矿井北翼三水平第五采区，煤层厚度为2.4～2.7 m，平均厚度2.4 m，中部松软，易破碎呈粉状，倾角76°～86°，倾向东倾。工作面布置有-75 m风巷、-130 m机巷，采用“U”型下行通风，即由-75 m风巷回风，由-130 m机巷进风。采取区内后退式开采、俯伪斜柔性掩护支架采煤法采煤，落煤工艺为爆破加风镐落煤。所采4#(K3)煤层自燃倾向性为Ⅱ级(自燃)，最短发火期为66 d，其特性见表1。

表1 工业分析及自燃倾向等级鉴定结果

1.2 煤炭自燃过程

理论研究表明煤的自燃分为3个阶段：①煤在低温的条件下，能吸附氧生成不稳定的化合物，放出少量的热，这种氧化过程十分隐蔽，称其为潜伏期；经过该阶段后，煤的氧化过程加速，发热量增加，如果不能及时散热，就会加速煤的自燃；②在煤的自然温度继续升高至临界温度(70～80 ℃)以上，氧化急剧加快，当煤的温度迅速升至300～500 ℃时，将会发生燃烧现象，H2、CO、水蒸汽等征兆性气体出现，该阶段是防止隐患升级的有利时期；③当温度达到800～2 000 ℃时，煤的燃烧就会出现明火，此时基本就没有办法施救，只能被迫封闭工作[3-4]。

2 KJ711分布式光纤测温度系统

2.1 基本原理

采用同一芯光纤作为温度信息的传感和传导介质，利用光纤拉曼(Raman)散射光谱的温度效应测量光纤所在的温度场信息，测量误差±0.1 ℃；同时运用光纤的光时域反射(OTDR)技术对测量点进行定位的一种新型温度传感系统，定位误差±1 m。其检测光纤具有不带电、抗射频和电磁干扰，防燃、防爆、抗腐蚀，能在有害环境中安全运行和快速多点测量并定位等特点[5-6]。

2.2 系统构成

KJ711系统主要由监控主机(KJ711监控软件)、KJ711-F测温分站、网络交换机、测温光缆、通信光缆和其他必要设备组成[7-8]，如图1所示。

图1 分布式光纤测温系统连接示意图

3 方案实施

3.1 设备布置

KJ711-F光纤测温分站放置于七石门，采用通讯光缆连接三石门井下环网交换机并入井下现有环网，同时将测温光缆从工作面引至测温分站进行监测，数据通过环网进行数据上传地面监控中心。

沿3409工作面进风巷、切割至回风巷敷设1条环型感温光纤，直接对采场全域进行温度监测，如图2所示。

图2 东林煤矿采空区光纤测温系统布置图

3.2 感温光纤

为防止采空区冒落矸石砸坏光纤，确保其具有较高的抗压与抗拉力，以增强感温光缆在采空区的抗破坏能力，采用了新型双层铠装钢丝结构的DFC-2SW型感温光纤，具体参数见表2。

3.3 敷设要求

在进、回风巷两侧每隔1～2 m打深度不小于3 m的锚杆，将感温光缆固定在锚杆上，并进行掩埋处理，防止感温光缆位移，保证定位的准确性。在感温光纤走向改变或转角处，敷设弧度必须满足感温光纤最小半径要求(感温光缆半径的20倍)。采空区感温光缆采用直埋敷设的方式。

表2 DFC-2SW型感温光纤技术参数

4 系统功能

4.1 实时数据监测

系统可24 h连续对3409工作面及采空区进行温度监测，并每隔15 s进行一次数据上传，真正实现了对采空区温度的实时在线监测，如图3所示。

图3 采场温度监测实时图表

从图3曲线可以看出不同区域的温度变化，如巷道温度较低，基本保持恒定；采煤工作面温度相对较高，温度变化相对较大，与现场实测情况相符。

4.2 某监测点数据连续监测

系统实现了对3409工作面采空区温度的实时连续监测，如图4为某点连续5 d的温度数据，通过监测系统，可以直观地观测到重点防灭火区域的温度变化情况，并在温度升高、异常时能提前采取措施进行防治。

图4 某监测点温度时间曲线对比图

4.3 历史数据查询

系统可查询出井下工作面及采空区在规定时间段的遥测历史数据，并以曲线的方式在界面上显示出来，以更加形象的方式来分析遥测历史数据，如图5所示。同一设备不同测点的曲线可用不同颜色显示便于查看。

图5 历史曲线查询

4.4 监测效果

采用矿用KJ711分布式光纤测温系统对东林煤矿3409工作面及采空区进行温度监测不仅弥补了现有监测手段的不足，还能达到如下效果：①连续监测整个工作面及采空区的温度变化，不再是局部点的监测，弥补了过去传统人工定点测温及矿井安全监测系统温度测点较少的不足；②全天24 h不间断监测，每隔15 s对工作面采空区温度进行监测一次，并实时显示当前温度数据，真正做到对3409工作面采空区温度的实时在线监测；③对隐患点精确定位，其定位精度为1 m，并能在图形上直观显示，为排查隐患节省时间，进而将隐患控制在萌芽状态；④采用分区设置，对不同区域位置进行区别对待，并且能对任一温度监测点绘制趋势曲线，为早期预防提供数据依据；⑤与现有监测措施结合，对采空区浮煤自燃进行综合预警，提高预警的及时性和准确性，为采空区隐蔽致灾因素防治奠定扎实的理论与实践基础[9-10]。

5 结语

采空区分布式光纤测温度系统是采空区煤温监测及自然发火预警领域最新发展的一种技术，具有范围广、实时性、适应恶劣环境等特点，很好地解决了点式测温等传统的测温方法存在的温度监测点有限，传感器易氧化、易腐蚀的缺点，弥补了标志性气体分析方法预警的不足， 并且能对采集的温度数据进行趋势分析，及时准确地对采空区隐患进行预测预警，降低采空区自然发火的风险，提高了井下作业的安全性。