彭大恒

【摘 要】為提高煤炭開發(fā)的安全性，國家安監(jiān)部門提出“科技興安”，充分發(fā)揮科技的支撐和引領(lǐng)作用，加快科技研發(fā)與成果的推廣應(yīng)用，不斷提升煤礦安全保障能力，在此政策的引領(lǐng)下，我們對礦用隔爆光纖測溫系統(tǒng)開展了技術(shù)攻關(guān)。

【關(guān)鍵詞】隔爆；光纖；測溫

火災(zāi)是我國煤炭安全生產(chǎn)中的五大災(zāi)害之一。礦井一旦發(fā)生火災(zāi)，火勢發(fā)展的速度快，控制比較復(fù)雜，影響的范圍也比較廣，極易造成人員傷亡和財產(chǎn)損失，甚至引起煤塵、瓦斯爆炸，釀成更大的災(zāi)害。煤礦火災(zāi)分為內(nèi)因火災(zāi)和外因火災(zāi)。外因火災(zāi)，又稱外源火災(zāi)。違章在井下吸煙，在井下拆卸礦燈、放明炮、電焊、氣焊等都可能引起井下火災(zāi)。內(nèi)因火災(zāi)，又稱煤炭自燃。有的煤炭由于自身的物理化學(xué)性質(zhì)具有自燃性，與空氣接觸后能氧化生熱，如果散熱條件不好，就會自燃。內(nèi)因火災(zāi)主要發(fā)生在采空區(qū)、冒頂處和壓酥的煤柱中。采空區(qū)中，尤其采用回采率低的采煤方法時，采空區(qū)中遺留的煤炭多，最容易引起煤的自燃。井下火災(zāi)事故僅排在瓦斯、透水和冒頂事故之后，成為煤礦事故的主要原因之一。在2011年12月07日，國家安監(jiān)總局公布的“煤礦安全生產(chǎn)十二五規(guī)劃”中，明確提出：進一步加大火災(zāi)成因機理分析、火災(zāi)預(yù)防、監(jiān)測預(yù)警和災(zāi)害發(fā)生后滅火處理與應(yīng)急救援的技術(shù)裝備研究力度；有效防范和及時消除煤礦電纜、皮帶、電氣、可燃材料支護等存在的外因火災(zāi)隱患。

1.光纖測溫原理

光纖的溫度傳感原理的主要依據(jù)是光纖的光時域反射OTDR 原理以及光纖的背向拉曼散射溫度效應(yīng)。當(dāng)一個光脈沖從光纖的一端射入光纖時這個光脈沖會沿著光纖向前傳播，由于光纖由SIO2 分子組成，如果光照射在這些分子上，光粒子和這些分子的電子之間會發(fā)生相互作用。當(dāng)處于基態(tài) 的分子被入射光激發(fā)到虛態(tài)然后回到激發(fā)態(tài) 時會產(chǎn)生能量會產(chǎn)生頻率 這種光稱為斯托克斯（Stokes）光；處于振動基態(tài) 的分子被入射光 激發(fā)到虛態(tài)然后回到振動激發(fā)態(tài) 產(chǎn)生的頻率為 的光，這種光稱為反斯托克斯（Anti-Stokes）光。這種現(xiàn)象稱為拉曼散射效應(yīng)；有的光頻率不發(fā)生變化，這種效應(yīng)稱為瑞利散射。

拉曼散射過程中的能級

拉曼散射光譜示意圖

由上圖可以看到斯托克斯線和反斯托克斯線對稱地分布于瑞利線的兩側(cè)。反斯托克斯光的強度和溫度有關(guān)，斯托克斯光和溫度無關(guān)。使用光纖內(nèi)一點的反斯托克斯光和斯托克斯光強度的一種關(guān)系式，可得到這一點的溫度。

2.技術(shù)攻關(guān)的系列光纖測溫產(chǎn)品

2.1光纖測溫儀

YWG-127礦用隔爆光纖測溫儀通過采用光纖測溫這項新技術(shù)來作為井下火災(zāi)預(yù)警的新手段，通過感溫光纖在井下火災(zāi)易發(fā)生區(qū)域的敷設(shè)，測取易燃點的實時溫度來實現(xiàn)火災(zāi)預(yù)警的目的。產(chǎn)品嚴格按照GB3836.1、GB3836.2進行防爆設(shè)計，防爆型式為礦用隔爆型。測溫儀由防爆外殼和光纖測溫機芯以及輔助設(shè)備組成。防爆外殼由防爆腔和接線腔組成，光纖測溫儀放在防爆腔里面，測溫光纖通過光纖穿墻端子引入接線腔。

YWG-127礦用隔爆光纖測溫儀實現(xiàn)了：（1）礦用隔爆型，適合井下絕大部分場合使用。通常是井下一個采區(qū)變電所或者一個工作面變電所放置一臺測溫儀，實現(xiàn)對一定區(qū)域火災(zāi)預(yù)警；（2）取樣間隔0.4米，每0.8米報告一個溫度值；（3）溫度分辨率0.1℃，測溫精度為±1℃，溫度測量范圍大，可達-40℃-+300℃（取決于感溫光纖材質(zhì)）；（4）運用光的時域反射技術(shù)，能對光纖進行精確定位，定位精度可達±0.4米；（5）一臺主機可帶8個通道的光纜，每通道測量距離遠達8公里，單通道最短測量時間2s；（6）傳感器由標(biāo)準的礦用測溫光纖構(gòu)成，成本低，穩(wěn)定可靠；（7）測溫儀整體結(jié)構(gòu)簡單，安裝費用低，后期維護成本低；（8）抗電磁干擾和各種振動沖擊，本征無源，防雷防爆；（9）主機帶有豐富通訊接口，能夠接入井下工業(yè)以太網(wǎng)，實現(xiàn)地面遠程監(jiān)測；主機帶有繼電器報警輸出接口，可外接聲光報警裝置，實現(xiàn)本地聲光報警；（10）有溫升報警和閾值報警等多種方式，支持多達500個報警分區(qū)，每個分區(qū)的報警閾值可獨立設(shè)置；（11）使用壽命長，可達20年。

2.2測溫光纜

測溫光纜內(nèi)部采用普通標(biāo)準的多模光纖，專門連接高性能的礦用隔爆光纖測溫儀實現(xiàn)分布式溫度測量。用戶可根據(jù)需求選擇50/125μm和62.5/125μm的兩種光纖。探測光纜本身就是傳感器，性能穩(wěn)定可靠、不受各種電磁干擾，具有很好的熱傳導(dǎo)性，可以在惡劣環(huán)境下長期生存和工作。Sensor-Ⅰ探測光纖內(nèi)部為不銹鋼軟管，彎曲性能、抗壓能力良好，適合機電設(shè)備和采空區(qū)測溫。Sensor-Ⅱ探測光纖內(nèi)部為無縫不銹鋼管護套，防水性能好，適合皮帶機、巷道等潮濕環(huán)境下使用。

3.光纖測溫系統(tǒng)的應(yīng)用對象

3.1皮帶機溫度監(jiān)測

由于機頭堆煤、滿載啟動、防滑膠磨損、滾筒軸承損壞或卡死等原因，輸送帶會與托輥摩擦產(chǎn)生高溫，尤其是下托輥，它與輸送帶接觸面最大、離巷道底板近而易被灑落的煤粉包圍，最易產(chǎn)生火災(zāi)?？稍谄л喕辖咏S承部分敷設(shè)分布式測溫光纜同時加裝保護套管，實時測量皮帶輪運行狀況。

3.2電纜溫度測量

由于井下電纜距離長，環(huán)境惡劣，尤其是一些老礦井，由于規(guī)劃不到位，井下電纜多次施工造成接口眾多，火災(zāi)隱患大，火災(zāi)隱蔽性強，隨機性大，極易發(fā)生電纜著火引起的火災(zāi)事故。可將測溫光纜與電纜一同敷設(shè)來實時監(jiān)測電纜溫度，達到火災(zāi)預(yù)警的目的。

3.3采空區(qū)火災(zāi)預(yù)警

測溫光纜在采空區(qū)呈S形敷設(shè)于各個火災(zāi)隱患點，隨著煤層回踩，工作面不斷倒退，測溫光纜被永久性埋覆到采空區(qū)。

3.4電器設(shè)備測溫

隨著煤礦井下采掘機械化程度的提高、生產(chǎn)工作面不斷向前延伸、擴大，高壓供電電纜及設(shè)備不斷深入末端，低壓系統(tǒng)一直向前延伸，星羅棋布的電網(wǎng)由變壓器、高低壓開關(guān)和磁力起動器相連。這些供電設(shè)備和電纜安全與否，直接關(guān)系著礦井的生產(chǎn)安全，因此對煤礦供電設(shè)備的測溫具有重要的意義。

4.光纖測溫系統(tǒng)實現(xiàn)的功能

（1）可以對采空區(qū)內(nèi)的溫度進行實時監(jiān)測，發(fā)現(xiàn)煤（下轉(zhuǎn)第73頁）（上接第70頁）炭溫度變化的趨勢，從而提前進行煤炭自燃預(yù)警。改變了只對氣體濃度進行監(jiān)測的這種間接監(jiān)測方式。

（2）可以實時監(jiān)測長距離巷道、硐室內(nèi)的火災(zāi)情況，在無人監(jiān)控的區(qū)域發(fā)現(xiàn)溫度異常升高從而發(fā)布預(yù)警。

（3）可以實時在線監(jiān)測井下高壓電纜的溫度值，實時反映電纜運行的負荷或過熱情況。

（4）數(shù)公里的監(jiān)測長度上，每隔不到0.5米提供一個精確的溫度值；在發(fā)現(xiàn)溫度異常情況時，能在幾秒鐘時間內(nèi)迅速定位，定位精度在±1米的范圍。

（5）能準確、可靠將實時溫度用坐標(biāo)軸的方式直觀動態(tài)展現(xiàn)出來，以便監(jiān)視。

（6）設(shè)置溫升報警環(huán)節(jié)（本地聲光報警、計算機集中報警等）。便于及時采取措施，減少直接跳閘停電，防范于未然，減少火災(zāi)或者是設(shè)備故障停電損失。

（7）能將斷電前的最高溫度記憶儲存，接通控制電源時又能再現(xiàn)該溫度值，提供事故分析用。

（8）溫度作為一個重要參數(shù)通過，通信接口和FTU等遠傳裝置與計算機實現(xiàn)通信從而滿足計算機室、本地監(jiān)控站等監(jiān)測記錄。 [科]

【參考文獻】

[1]李福勇.KJ607礦用分布式光纖溫度監(jiān)測及火災(zāi)預(yù)警系統(tǒng)在煤礦中的研究與應(yīng)用.山東煤炭科技，2013，（01）.

[2]時斌.光纖傳感器在高壓設(shè)備在線測溫系統(tǒng)中的應(yīng)用.高電壓技術(shù)，2007，（08）.