分布式激光系统在煤矿行业的应用研究

金祥

（铁峰煤业有限公司，山西 朔州 037200）

随着我国煤矿开采深度的增加，煤的自燃发火灾害呈现出逐年显著增加的趋势。矿井火灾是一种突发性灾害，它带来的影响不容小觑，会给单位和个人造成不可挽回的财产经济损失和生命损失。尽管当前矿井防灭火技术有了技术突破，但是矿井火灾时有发生，尤其是近几年，各地矿井重大火灾事故时有发生，不仅给煤炭企业带来难以估量的社会负面影响和严重的经济损失，也危害了人民的生命安全。由于缺少有效的技术手段，火灾事故仍是目前煤矿安全中尚难以有效解决的灾害。本项目利用分布式激光系统，在南阳坡矿8702、增子坊8306综采工作面进行火灾防治的工作。

1 常用的火灾监测方法

目前矿井企业常用的火情监测方法有三种：气相色谱法、激光火情气体监测法、光纤测温法等。其中气相色谱仪是比较传统的火情监测方法。而采用激光气体监测技术，是当前国内外较为领先的火情监测技术。它在线监测采空区的各种气体成分浓度，同时又利用光纤测温法实时对采空区进行测温。

而分布式激光火情监测系统与传统火情监测系统相比，克服了预警慢、无法定位等缺陷，具有自动化程度高、实时监测、定位准确等优势。

2 分布式激光系统的组成部分

本项目的激光火灾监控系统包括井下监测设备、数据传输网络和地面设备三部分组成，其中：井下火灾监测设备主要由激光气体检测主机、分布式光纤测温控制柜、气体采样泵和过滤器等组成，由多个相邻的区域组成一个火灾检测单元，通过在矿井井下部署火灾实时监测设备，实现煤矿火灾实时监测的取气和气体分析自动化以及被监测区域的分布式实时温度测量。

数据传输网络包括两部分：井下数据网络和地面数据传输网络。技术人员为了提高数据传输的速度，利用太网光纤环网网络作为数据传输网络，利用南阳坡、增子坊原有的以太网，实现基于以太网的火灾监测参数与地面火灾监测系统的高速通信。

地面设备由一个以太网的数据主机联系，通过分析地下的实时数据来监测井下的温度和气体浓度。

3 分布式激光系统在工作面火灾中的工作原理

3.1 分布式激光系统的创新点

分布式激光系统的创新点有六点：快速抽气自动切换技术；抽气管路诊断监测技术；煤自燃发火预警模型技术；煤矿火灾监测预警系统技术；利用TDLAS 波长调制吸收光谱技术连续监测采空区CH4/CO/O2/C2H4/C2H2/CO2/N2等气体浓度；利用光纤传感技术实现采空区分布式长距离连续测温。

TDLAS 技术在行业里被称为可调谐半导体激光吸收光谱技术，它利用长光程反射结构结合波长调制和二次谐波检测技术对含不同浓度CH4/CO/O2/C2H4/C2H2/CO2/N2等 气 体（100ppm、200ppm、400ppm、600ppm）进行试验，研究不同温度和不同压强下，CH4/CO/O2/C2H4/C2H2/CO2/N2等气体的浓度。基于TD⁃LAS技术的激光发生装置，包括主控单元、调制信号发生单元、锯齿波信号发生单元、信号叠加单元、电压电流转换单元以及激光器。TDLAS检测装置的设置，可以提高采空区火情气体浓度的测量精度，减小采空区的低频噪声干扰。

为了提高实时检测的准确性，本项目将采空区分为若干个防火分区，每个分区长度约为100m，若干个分布式光纤传感器均匀分布在这几个防火分区里，每个传感器之间间隔一定数量的距离。整个采空区防火分区共用一根分布式感温光纤。在一定范围内形成一定量的监测数据点，并通过一根特定长的传输光缆对整个采空区区域的传感系统进行监测。

3.2 分布式激光系统的装置原理

分布式激光系统装置，由两台测量计算机主机和配套的光纤技术监测探头和TDLAS 波长调制吸收光谱技术装置组成。测量主机分别装置在地上控制室和地下采空区区域。地下的监测探头安装在采空区各个需要监测火情气体浓度的地点。装置利用最先进的TDLAS波长光谱技术，对各个分布的光纤实现激光的复用。

利用分布式光纤测温的特点，拉曼散射信号相对容易获取（见图1），所以，在采空区，每个防火区的信号就容易被获取。原理是利用各个采空区的煤壁上的光纤，将地下监测到的温度数据和空气气体浓度的数据，利用光纤环网将这些实时数据传送到地面控制室的主机，再用大数据等高新技术对收集来的数据进行处理分析，并将这些数据收录到数据库平台。一旦收录来的数据超过了平台设定的数据值，系统就会自动报警，并及时采取灭火等措施，最终起到一定的预警作用。

图1 三种散射光的反射光强度和反射光波长的关系

4 现场具体应用

4.1 采空区火灾检测系统设计

南阳坡矿8702煤矿的采空区光纤分布式测温系统由以下六部分组成：一个计算机客户端、几个数据服务器、一个分布式光纤测温主机、数个光纤接续盒、一定长度的传感光纤和一个光纤装置。分布式光纤测温主机负责整个南阳坡矿8702的光脉信号的发生和光电信号的收集处理分析。通过光开关的开合实现测温系统的光路处理。

4.2 传感光纤

传感光纤是放入矿井采空区内实时监测温度的传感器。由于采空区内时常有石块重物等尖锐物体的下落和冲击，有时候还会有水透现象出现，因此，传感光纤的选择除了易于搬运之外，还要有一定延展性、防渗透性和抗冲击性。

4.3 现场设计

由于煤矿采空区进出不方便，无法对采空区的光纤进行及时的人工维护和检修，为了避免因光纤在采空区内被煤矸石砸断或者因光纤渗透老化而导致系统失效，要对光纤进行必要的防护措施。

光纤的防护遵循三个原则：一是松、二是准、三是穿。“松”指的是光缆要保持松弛状态，不可紧绷。地下光缆的铺设是沿着采空区的地下巷道的煤壁展开，在大约离底板1m 左右的地方开始铺设，每隔1m 工作人员需要用坚固的包扎带把光纤固定在防护网上，固定时不可把光纤绷直，要保持一定的松弛度。“准”指的是工作面外面的部分光纤需沿着通信线缆挂钩的位置铺设到每个分站位置，并且单独在一处，不得与高压电缆捆绑在一起。切记所有铺设的光纤光缆都应保持适中的松弛度，防止任何外力因素损伤光纤。“穿”指的是光缆在铺设过程中如果遇到砖墙、石头墙等坚硬物体时，需将胶管用壁纸刀割开，套到光缆外面以保护光缆，避免光纤被尖锐物体挤断。

采用光纤分布式测温技术，对煤矿的每个特定区域都能进行实时的温度检测。感温光缆的好处，在于不导电、感知度高、监测距离远、施工方便等。

4.4 数据分析

2019年1月18日～6月18日光纤测量的温度曲线见图2。

图2 光纤传感技术测量温度的历史节点

光纤测量的温度数据及结合束管检测的时间以及束管抽气口切换时间综合分析后发现，气体监测值发生变化的时间，与抽采管切换抽气口的时间一致，此时我们发现气体监测值突变的原因与矿井采空区抽采及火情监测束管在附近时的气体流场有关。当抽采管的管口直径变大时，抽采流量会变快。

当矿井采空区内侧的瓦斯抽采口关闭，并打开上边角落里的一个侧下一个瓦斯抽采口，此时光纤测温的抽采口可以向外切换，束管吸气口会逐步远离抽采口。当测温距离抽采口超过一定距离时，基本不再受抽采影响，所抽取的火情气样的温度与现场位置的气样相似。

根据以上数据的分析，分布式激光系统的光纤测温技术的有效性受采管影响。为最小限度地降低抽采口对束管取样的影响，应将束管及测温光纤布置在无抽采管道或不受抽采管道影响的位置。这样做的好处就是提高数据的科学性、精准性和实效性。

4.5 经济效益

（1）是防灭火监测技术方面的革命性变革，气体组分分析具有科学性、精确性、时效性，能够为防灭火工作提供科学、可靠、精准的数据分析来源；

（2）潜在经济效益明显，节约了人力资源成本，减少了人工取样程序、提高了设备使用效率；

（3）每年可节约传统束管监测系统维修、束管及配件费用8万元；

（4）初期投入成本低，后期维护简单、方便。

5 结论

现在的系统较原来的束管系统抽气距离短，能连续不间断抽取采空区气样并实时分析数据，光纤传感技术能实现采空区长距离连续测温，地面监测台能及时地显示数据变化，并发出预警；是防灭火监测技术方面的革命性变革，值得推广应用。