程根銀，曹 健，唐晶晶，牛振磊，周逸飛

(華北科技學(xué)院 安全工程學(xué)院，北京 東燕郊 101601)

分布式光纖傳感系統(tǒng)在煤礦采空區(qū)火災(zāi)監(jiān)測中的應(yīng)用

程根銀，曹 健，唐晶晶，牛振磊，周逸飛

(華北科技學(xué)院 安全工程學(xué)院，北京 東燕郊 101601)

為彌補(bǔ)束管監(jiān)測系統(tǒng)存在的不足，利用光纖傳感技術(shù)的優(yōu)勢，將分布式光纖傳感系統(tǒng)應(yīng)用于煤礦采空區(qū)，對采空區(qū)內(nèi)溫度進(jìn)行實(shí)時(shí)在線監(jiān)測。理論分析及現(xiàn)場實(shí)踐表明，此系統(tǒng)可以對高溫點(diǎn)進(jìn)行連續(xù)監(jiān)測和定位，且具有本質(zhì)安全、遠(yuǎn)程、分布式連續(xù)測量等特點(diǎn)。同時(shí)，對監(jiān)測數(shù)據(jù)及數(shù)值模擬結(jié)果進(jìn)行對比分析，結(jié)果表明光纖光柵技術(shù)能夠精確、連續(xù)測試采空區(qū)內(nèi)溫度變化，可為清晰分析和判斷采空區(qū)自然發(fā)火規(guī)律提供良好數(shù)據(jù)資料，有效地彌補(bǔ)了現(xiàn)有檢測技術(shù)所存在的弊端。光纖傳感技術(shù)在煤礦安全上的研究應(yīng)用對認(rèn)識(shí)煤礦災(zāi)害形成機(jī)理和重大災(zāi)害預(yù)測預(yù)報(bào)技術(shù)的發(fā)展起到促進(jìn)作用。

分布式光纖傳感系統(tǒng)；煤礦采空區(qū)；火災(zāi)監(jiān)測；數(shù)值模擬

0 引言

煤炭行業(yè)是一個(gè)高危行業(yè)，安全生產(chǎn)是其集約高效發(fā)展的前提。隨著現(xiàn)代傳感技術(shù)的發(fā)展，煤礦安全檢測系統(tǒng)的應(yīng)用為煤礦安全生產(chǎn)提供了技術(shù)保障[1]。在各種事故原因中，火災(zāi)事故占了事故總量的絕大部分，因而火災(zāi)事故狀態(tài)監(jiān)測及預(yù)警對煤礦安全生產(chǎn)有著非常重要的意義，本文利用分布式光纖傳感技術(shù)對煤礦安全生產(chǎn)中的火災(zāi)狀態(tài)進(jìn)行檢測，以達(dá)到事故預(yù)警的目的。

對于采空區(qū)火災(zāi)，目前是采用束管抽氣[2]，然后通過對氣體成份進(jìn)行分析，間接地進(jìn)行火災(zāi)預(yù)警。但受到束管埋設(shè)地點(diǎn)限制，這種方法的局限性很大。由于采空區(qū)中無法進(jìn)行人工維護(hù)，目前尚未有合適的溫度監(jiān)測方法來對采空區(qū)火災(zāi)進(jìn)行預(yù)警。

光纖傳感器的應(yīng)用范圍很廣，尤其可以安全有效地在惡劣環(huán)境中使用，解決了許多行業(yè)多年來一直存在的技術(shù)難題。分布式光纖溫度傳感器是近幾年發(fā)展起來的一種用于實(shí)時(shí)測量空間溫度場分布的高新技術(shù)，分布式光纖溫度傳感系統(tǒng)不僅具有普通光纖傳感器的優(yōu)點(diǎn)，還具有對光纖沿線各點(diǎn)的溫度的分布式傳感能力，利用這種特點(diǎn)可以連續(xù)實(shí)時(shí)測量光纖沿線幾公里內(nèi)各點(diǎn)的溫度，非常適用于大范圍多點(diǎn)測溫的應(yīng)用場合[3-4]。

1 分布式光纖傳感技術(shù)

分布式光纖傳感器測量是利用光纖的一維特性進(jìn)行測量的技術(shù)，可以同時(shí)獲得被測物理量及其時(shí)間和空間分布，可以用一條光纖來取代傳統(tǒng)的數(shù)百個(gè)點(diǎn)陣組成的傳感器陣列，從而降低了系統(tǒng)復(fù)雜度[5]。當(dāng)激光脈沖射入傳感用的光纖中，在光脈沖向前的傳播過程中，由于光纖的密度、應(yīng)力、材料組成、溫度和彎曲變形等原因發(fā)生散射現(xiàn)象，有一部分的散射光會(huì)按照入射光相反的方向傳播，稱之為后向散射光[6]。如圖1所示。

圖1 光纖后向散射光圖

返回的后向散射光包括：瑞利(Rayleigh)散射，由光纖折射率的微小變化引起，其頻率與入射光脈沖一致；拉曼(Raman)散射，由光子與光聲子相互作用引起，其頻率與入射光脈沖相差幾十太赫茲，拉曼散射分斯托克拉曼散射和反斯托克拉曼散射；布里淵(Brillouin)散射，由光子與光纖內(nèi)彈性聲波場低頻聲子相互作用引起，其頻率與入射光脈沖相差幾十吉赫茲。

圖2 光纖后向散射光頻率分布圖

采用拉曼散射原理和光時(shí)域反射技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)溫度和距離的測定。拉曼散射是依據(jù)光在光纖中傳播過程中，產(chǎn)生后向拉曼散射光譜的溫度效應(yīng)。當(dāng)入射的光量子與光纖物質(zhì)分子產(chǎn)生碰撞時(shí)，產(chǎn)生彈性碰撞和非彈性碰撞。彈性碰撞時(shí)，光量子和物質(zhì)分子之間沒有能量交換，光量子的頻率不發(fā)生任何改變，表現(xiàn)為瑞利散射光保持與入射光相同的波長；在非彈性碰撞時(shí)，發(fā)生能量交換，光量子可以釋放或吸收聲子，表現(xiàn)為產(chǎn)生一個(gè)波長較長的斯托克斯光和一個(gè)波長較短的反斯托克斯光。由于反斯托克斯光受溫度影響比較敏感，系統(tǒng)采用以斯托克斯光通道作為參考通道，反斯托克斯光通道作為信號通道，兩者的比值可以消除光源信號波動(dòng)、光纖彎曲等非溫度因素，實(shí)現(xiàn)對溫度信息的采集[7]。

光時(shí)域反射技術(shù)(即OTDR原理)是對空間分布的溫度實(shí)現(xiàn)空間測量的理論基礎(chǔ)[8]。激光脈沖在光纖中傳輸時(shí)，在時(shí)域里，入射光經(jīng)過背向散射返回到光纖入射端所需時(shí)間為t，激光脈沖在光纖中所走過的路程為2L，有：

2L=V·t

(1)

(2)

式中，V為光在光纖中傳輸速度；C為真空中的光速；n為光纖折射率。

圖3 光纖后向散射原理示意圖

2 現(xiàn)場應(yīng)用

2.1 采空區(qū)火災(zāi)檢測系統(tǒng)設(shè)計(jì)

(1) 選取蒙西地區(qū)某煤礦進(jìn)行現(xiàn)場實(shí)踐。多通道煤礦采空區(qū)光纖分布式溫度監(jiān)測系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖4所示。

多通道煤礦采空區(qū)光纖分布式溫度監(jiān)測系統(tǒng)包括：用戶終端、數(shù)據(jù)服務(wù)器、分布式光纖測溫主機(jī)、光纖接續(xù)盒、傳感光纖和導(dǎo)纖裝置。分布式光纖測溫主機(jī)由激光光源、光電檢測和處理模塊、光學(xué)系統(tǒng)、數(shù)據(jù)處理模塊組成，負(fù)責(zé)光脈信號的發(fā)生和光電信號的采集處理。系統(tǒng)通過光開關(guān)實(shí)現(xiàn)多通道的光路處理。

圖4 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

(2) 傳感光纖

傳感光纖是放入采空區(qū)內(nèi)監(jiān)測溫度的傳感器。由于采空區(qū)內(nèi)有煤矸石等重物，還可能受到采空區(qū)內(nèi)頂板落物的沖擊，因此，傳感光纖除了易于生產(chǎn)和施工之外，還要能夠承受一定拉伸力和沖擊力。

1—涂覆層，2—鎧裝層，3—抗拉層，4—光纖圖5 傳感光纖結(jié)構(gòu)圖

傳感光纖的結(jié)構(gòu)如圖5所示。涂覆層是傳感光纖的第一層保護(hù)層，可以承受一定的沖擊力，鎧裝層是光纖的第二層保護(hù)層，鎧裝層與涂覆層間有一定的間隙形成緩沖區(qū)，可以進(jìn)一步降低外部沖擊和拉伸力?？估瓕邮箓鞲泄饫w能夠承受一定的拉力，使之在受到浮煤的壓力后從導(dǎo)線裝置中順利拉出，而不至損壞。

2.2 現(xiàn)場設(shè)計(jì)

采空區(qū)內(nèi)無法人工維護(hù)，為了避免由于光纖在采空區(qū)內(nèi)被煤矸石砸斷而導(dǎo)致系統(tǒng)失效，采用三路光纖對蒙西地區(qū)某煤礦采空區(qū)內(nèi)的溫度分布情況進(jìn)行檢測。其中在16401運(yùn)輸順槽1路，另兩路布設(shè)到了16401回風(fēng)。布設(shè)之時(shí)，16401巷道長約1050 m。

光纜沿巷道煤壁鋪設(shè)，高度離底板一米左右，每隔一米用扎帶固定在防護(hù)網(wǎng)上，固定時(shí)要使光纜保持松弛；工作面外面的部分沿通信線纜掛鉤鋪設(shè)到分站位置，不得與高壓電纜綁在一起，鋪設(shè)的光纜應(yīng)有適當(dāng)?shù)乃沙诙?，防止意外受力或自由墜落時(shí)損傷光纜。光纜經(jīng)過磚墻、石頭墻及封堵密閉墻時(shí)，將膠管用壁紙刀割開套到光纜外以起到保護(hù)光纜的作用，避免被石頭擠斷。

采用光纖分布式測溫技術(shù)，將鎧裝測溫光纜預(yù)先沿兩順槽布設(shè)好，對采空區(qū)、采煤工作面、順槽等地點(diǎn)的環(huán)境溫度變化實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)在線監(jiān)測。分布式光纖溫度監(jiān)測系統(tǒng)的感溫光纜，具有無源、不帶電、感溫精度高，監(jiān)測距離遠(yuǎn)、施工方便等優(yōu)勢。感溫光纜可以沿井下采空區(qū)巷道敷設(shè)至采空區(qū)工作面，實(shí)時(shí)監(jiān)測沿途環(huán)境溫度分布趨勢，采空區(qū)溫度升高時(shí)可以發(fā)出預(yù)警信息，便于生產(chǎn)管理者及時(shí)做出檢查、治理等指導(dǎo)決策。

3 數(shù)據(jù)分析

表1列舉了16401工作面采空區(qū)內(nèi)光纖測點(diǎn)距離開切眼10～174 m范圍的溫度記錄值。為了觀察方便，將表1中的溫度情況繪制成分布圖，如圖7所示。

圖6 16401工作面采空區(qū)溫度監(jiān)測系統(tǒng)框架示意圖

表1 距離開切眼10～174 m溫度記錄表

續(xù)表

圖7 采空區(qū)內(nèi)光纖測點(diǎn)溫度分布圖

根據(jù)16401工作面及采空區(qū)的實(shí)際情況，選擇工作面、工作面運(yùn)輸順槽、工作面回風(fēng)順槽、采空區(qū)構(gòu)建物理模型，進(jìn)行數(shù)值模擬。建模過程中，考慮工作面、采空區(qū)物理?xiàng)l件非常復(fù)雜，影響因素繁多，為便于研究，做以下假設(shè)：

(1) 采空區(qū)內(nèi)煤炭、冒落巖石與空氣等混合物視為各向同性的多孔介質(zhì)層；

(2) 忽略工作面巷道內(nèi)的設(shè)備、管線的影響；

(3) 不考慮各巷道沿傾斜或者走向的坡度變化；

(4) 在氣流中不存在熱源、熱匯，氣流各組份之間沒有化學(xué)反應(yīng)；

(5) 粘性阻力系數(shù)和內(nèi)部阻力系數(shù)在采高方向不發(fā)生變化。

計(jì)算模型及網(wǎng)格分布如圖8所示。進(jìn)而利用CFD軟件Ansys Fluent求解數(shù)學(xué)模型，完成采空區(qū)溫度場計(jì)算內(nèi)容。

將數(shù)值模擬結(jié)果與實(shí)測結(jié)果進(jìn)行對比，如圖9所示。

通過對比，可以看出實(shí)測值和計(jì)算值的分布規(guī)律存在差異，但變化趨勢是一致的。出現(xiàn)差異的原因主要是實(shí)際工作面的情況較為復(fù)雜，計(jì)算過程中假設(shè)經(jīng)過防滅火技術(shù)的綜合作用下多數(shù)漏風(fēng)源得到很好地防堵，但實(shí)際生產(chǎn)中漏風(fēng)量高于計(jì)算時(shí)的情況，致使實(shí)測時(shí)受到風(fēng)速的影響大，帶走熱量更多，所以溫升較慢一些。隨著工作面推進(jìn)，實(shí)測情況下，漏入采空區(qū)的空氣多，氧氣較充分，采空區(qū)煤炭氧化釋放的熱量也多，所以溫升高于計(jì)算值。

4 結(jié)語

(1) 分布式光纖傳感系統(tǒng)的傳感介質(zhì)為光纖，通過光纖光學(xué)特性的改變產(chǎn)生傳感量，在測量過程中只有光信號產(chǎn)生。系統(tǒng)容量大，易于實(shí)現(xiàn)多點(diǎn)多參數(shù)在線監(jiān)測；系統(tǒng)配置簡單，便于維護(hù)；具有自定位功能，故障點(diǎn)查找方便；真正意義上的線性監(jiān)測系統(tǒng)，可以實(shí)現(xiàn)對光纖沿線各個(gè)點(diǎn)的溫度應(yīng)變在線監(jiān)測，在對較大空間范圍的連續(xù)監(jiān)測方面，具有獨(dú)特的應(yīng)用價(jià)值。

(2) 基于光纖技術(shù)的采空區(qū)分布式溫度在線監(jiān)測系統(tǒng)，在16401工作面應(yīng)用以來，對采空區(qū)內(nèi)溫度進(jìn)行了實(shí)時(shí)在線監(jiān)測，獲取了大量一手?jǐn)?shù)據(jù)，同時(shí)積累了豐富的現(xiàn)場實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)。利用分布式光纖測溫系統(tǒng)，可監(jiān)測光纖光纜沿線的溫度分布，通過軟件可以實(shí)時(shí)定位、顯示采空區(qū)的溫度分布情況，為采空區(qū)內(nèi)自然發(fā)火情況進(jìn)行了有效監(jiān)控，為煤礦井下防火安全提供了依據(jù)。

(3) 綜合分析光纖測溫系統(tǒng)實(shí)測數(shù)據(jù)及數(shù)值模擬結(jié)果，掌握了采空區(qū)溫度分布及自然發(fā)火情況，表明光纖光柵技術(shù)能夠精確、連續(xù)測試采空區(qū)溫度變化，可以為清晰分析和判斷采空區(qū)自然發(fā)火規(guī)律提供良好數(shù)據(jù)資料。光纖傳感技術(shù)在煤礦安全上的研究應(yīng)用將對認(rèn)識(shí)煤礦災(zāi)害形成機(jī)理和重大災(zāi)害的預(yù)測預(yù)報(bào)技術(shù)的發(fā)展起到巨大的促進(jìn)作用。

圖8 計(jì)算模型及網(wǎng)格劃分

圖9 模擬結(jié)果與實(shí)測結(jié)果對比

[1] 陸偉,胡千庭,等. 煤自燃逐步自活化反應(yīng)理論[J].中國礦業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào),2007,36(1):111-115.

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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?；究蒲袠I(yè)務(wù)費(fèi)資助項(xiàng)目(3142015110)；國家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(U1361130)

程根銀(1968-)，男，安徽安慶人，博士，教授，華北科技學(xué)院職業(yè)健康協(xié)同創(chuàng)新中心主任，長期從事安全工程專業(yè)教學(xué)、科研與管理工作。E-mail：gycheng@ncist.edu.cn

TD75

A

1672-7169(2017)02-0001-06