分布式光纤传感测温技术在煤矿的应用研究

2021-02-07宋兆国徐召栋王清彦

山东煤炭科技 2021年1期

宋兆国徐召栋王清彦

（1.山东东山王楼煤矿有限公司，山东济宁 272065； 2.山东鼎安检测技术有限公司，山东济南 250000）

随着煤矿开采深度的增加，地热能逐渐地显现出来。防治采煤工作面自然发火危害是煤矿安全生产的重点，如何有效地实时监控采煤工作面温度成为预防火灾的重点工程。现阶段，大量煤矿采取了人工直接检测手段以及间接气体采集分析手段[1]。直接法不但容易造成人为误差，而且浪费大量的人力以及物力。检测气体法，不能保证实时检测，实验室误差也成为了不可避免的问题。

分布式光纤传感测温监测系统采用嵌入式技术设计，具有良好的性能指标和系统稳定性。感温光缆本身作为温度传感器，可实现长距离不间隔监测温度，并适应矿井恶劣的地质环境，具有火灾智能监测预警定位功能，能够有效地监测预警采煤工作面温度，极大地降低了煤矿工作面火灾的发生几率。

1 光纤温度传感器原理

分布式光纤传感测温系统如图1。该测温系统总共由五部分组成，首先由激光器发射激光脉冲，传至耦合器，实现信号的接收，感温光纤感知温度通过后将散射信号传至定标光纤（控温装置），耦合信号所接收到的信号传至分光器实现信号处理，最后达到报警控制、信号解调、光纤通讯、光纤传感等功能。

该系统可完成远距离传输，以光纤为介质，最后传至信号处理模块，完成光谱分析。具体实现过程如图2。

图 1 光纤温度传感器测温流程

以光纤为介质，提升了光信号在其传播的效率，光信号在光纤中以反射的过程快速传输，在反射的过程中，光信号只会出现方向的改变，而大部分光信号波长以及频率不会发生改变，保证了信号的准确性。极少数的光信号会发生频率以及波长的变化，此时会导致光量改变，此时的改变实现了能量的交换，这一过程定义为拉曼散射。散射过程中，若出现频率及波长的削弱，最终出现的光信号定义为斯托克光，反之称之为反斯托克光。

图2 激光散射光谱分析原理

分布式光纤测温是基于反斯托克光对温度敏感性为基础实现的。随着矿井温度的升高，感温光纤会即刻感知，反斯托克光随着温度的提升迅速增强，以其为信号通道。以斯托克光及反斯托克光比值很好地抵消了其余因素的干扰，最终得到需要的温度数据，精确地测量矿井温度的增减[2]。

光信号在光纤的传播过程中，不可避免地会因为光纤材质的差异出现背向散射，导致光信号的折射率发生改变，进而光信号波长及频率会发生改变。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 L，即有：

2L=V ×T

V=C/n

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。

2 光纤测温系统的设计与布置

分布式光纤测温监测系统在王楼煤矿27304 采煤工作面进行现场试验。该分布式测温系统由测温光缆（传感器）、分布式测温分站、以太网交换机、地面数据处理系统等组成，所采用的测温主机选用嵌入式、高性能处理器作为控制单元，用来感知光纤波长变化。首先，将感温光缆悬挂于27304 工作面进风巷以及回风巷，感温光缆的另一端接于分布式测温分站，分布式测温分站在接收到信号后，由井下以太网交换机通过井下环网传出地面，最终由地面数据处理中心完成数据的整理与收集。具体的实现路线如图3。

图 3 测温系统实现路线图

该系统核心参数见表1。

表 1 分布式光纤测温系统关键技术参数

布置测温光缆选择路线为27304 进风—综采面—回风—三号联络巷。分布式测温分站置于三号联络巷内。

图4 多模测温光缆与弹簧护管布置示意图

系统采用的多模测温光纤可分为上顺槽测温光纤、下顺槽测温光纤、工作面测温光纤。其中工作面测温光纤均匀分布在采空区内，可根据需要增加或减少检测线路的数量。工作面测温光纤随着液压支架的推进及时铺设在采空区中。多模测温光纤在铺设时为防止顶板垮落砸断光纤，将光纤入弹簧护管中再进行铺设（如图4 所示）。若因采空区顶板垮落出现测温光纤断裂的情况，将测温光纤在液压支架后方剪断，将光纤盘上的测温光纤从支架后方拉到回风大巷重新接入光纤分纤箱继续测量，使得原测温光缆变成两个新的测温光纤，使得采空区内的温度测量保持完整。