韓鼎業(yè)，侯利飛，劉宏杰

(晉能控股煤業(yè)集團塔山煤礦公司 山西大同037003)

1 應(yīng)用背景

采空區(qū)綜合環(huán)境光纖監(jiān)測系統(tǒng)是一種可以同時進行采空區(qū)內(nèi)溫度、頂板礦壓、頂板離層、水位和瓦斯等參數(shù)的實時監(jiān)測綜合安全信息系統(tǒng)。同時利用上述參數(shù)對工作面采空區(qū)內(nèi)瓦斯、水位、溫度、礦壓等數(shù)據(jù)綜合分析密閉效果及煤柱留設(shè)合理性等，建立煤礦采空區(qū)環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫，進而為采空區(qū)內(nèi)環(huán)境監(jiān)控實現(xiàn)自動化和高速反應(yīng)綜合監(jiān)控提供重要的科學依據(jù)，由于系統(tǒng)“采用國際先進的光纖傳感技術(shù)，以其性能本質(zhì)安全，不受磁場干擾，數(shù)據(jù)穩(wěn)定準確，傳輸距離遠”[1]，從根本上填補了目前其他檢測手段無法監(jiān)測采空區(qū)環(huán)境狀態(tài)的技術(shù)空白。

2 采空區(qū)環(huán)境綜合光纖監(jiān)測系統(tǒng)原理

2.1 系統(tǒng)介紹

采空區(qū)綜合環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)可以對采空區(qū)內(nèi)瓦斯、溫度、水位、礦壓、頂板離層等數(shù)據(jù)進行檢測報警，利用光纖通過光信號傳輸，不帶電，傳輸距離長，信號衰減小的特點，使其環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)數(shù)據(jù)穩(wěn)定準確，不受磁場干擾，傳輸距離遠，確保性能達到本質(zhì)安全，并對采空區(qū)進行連續(xù)監(jiān)測，為采空區(qū)內(nèi)水、火、瓦斯、礦壓提供詳實數(shù)據(jù)。

本系統(tǒng)主要包括以下五個子系統(tǒng)：采空區(qū)光纖瓦斯在線監(jiān)測子系統(tǒng)、采空區(qū)光纖溫度在線監(jiān)測子系統(tǒng)、采空區(qū)光纖巷道頂板礦壓在線監(jiān)測子系統(tǒng)、采空區(qū)光纖透水在線監(jiān)測預警子系統(tǒng)、采空區(qū)光纖頂板沉降離層在線監(jiān)測預警子系統(tǒng)。

通過本項目的實施，可對采空區(qū)達到如下監(jiān)測：

（1）實現(xiàn)采空區(qū)內(nèi)實時環(huán)境溫度與瓦斯?jié)舛?、火區(qū)溫度和火區(qū)位置的實時在線監(jiān)測。

（2）分析確認采空區(qū)內(nèi)溫度與瓦斯氣體的變化趨勢，火災發(fā)生范圍及預測未來火區(qū)發(fā)展趨勢。

（3）實現(xiàn)采空區(qū)內(nèi)水位與水溫實時在線監(jiān)測與超限報警。

（4）實現(xiàn)主要監(jiān)控點的頂板來壓情況的實時在線監(jiān)測及異常報警。

（5）實現(xiàn)頂板沉降離層狀態(tài)預警。

（6）對采空區(qū)密閉效果進行評價。

圖1 采空區(qū)綜合環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)示意圖

2.2 采空區(qū)環(huán)境綜合監(jiān)測傳感器安裝數(shù)量及位置

（1）礦壓傳感器6只，間隔20 m，錨桿深度2.5 m，直徑22 mm，附帶螺母；用于監(jiān)測頂板壓力，其中一只已經(jīng)封在第一道密閉墻里面；

（2）頂板離層傳感器4只，間隔25 m，錨固段深度5 m，每只附帶貓爪及鋼絲繩5.5 m，用于檢測頂板的離層狀況；

（3）溫度傳感器24只，每兩只傳感器之間用鋼管保護，共使用23鋼管；用于檢測采空區(qū)內(nèi)溫度情況;

（4）水位傳感器1只。用于檢測采空區(qū)內(nèi)水位情況；

（5）瓦斯傳感器2只，用于檢測采空區(qū)內(nèi)瓦斯狀況，其中一只已經(jīng)封在第一道密閉墻里面；

（6）礦區(qū)局域網(wǎng)內(nèi)電腦輸入http://10.25.23.15可以實時查看監(jiān)測數(shù)據(jù)。

3 采空區(qū)環(huán)境綜合監(jiān)測系統(tǒng)應(yīng)用及分析

3.1 采空區(qū)環(huán)境綜合監(jiān)測系統(tǒng)的應(yīng)用

（1）8105工作面采空區(qū)光纖瓦斯在線監(jiān)測子系統(tǒng)

本系統(tǒng)包括YGXJ220（A）礦用光纖甲烷調(diào)儀1臺礦用光纖瓦斯傳感器3只，安裝方法如下：

解調(diào)儀的安裝：YGSJ220（A）礦用光纖甲烷解調(diào)儀放置于井上監(jiān)控中心，使用220 V交流電源供電，通過RS232與系統(tǒng)工控主機進行數(shù)據(jù)傳輸，通過工業(yè)工業(yè)環(huán)網(wǎng)中通訊光纜的3芯光纖與井下延伸到8105密閉墻外的礦用通信光纜相接，在8105密閉墻內(nèi)的礦用通訊光纜通過三芯光纖與采空區(qū)內(nèi)布設(shè)的3個礦用光纖瓦斯傳感器相連接。

傳感器的安裝：3只礦用瓦斯傳感器安裝于8105采空區(qū)的密閉墻內(nèi)，按照以往多數(shù)自燃帶的劃分范圍，此次將前兩個瓦斯傳感器安裝于前100 m范圍內(nèi)，安裝地點分別距離密閉墻為30 m、90 m和180 m。傳感器可懸掛于采空區(qū)內(nèi)側(cè)壁上，離地高度在150 cm左右即可。傳感器尾纖分別通過留在相應(yīng)位置的光纖分線盒與礦用通信光纜相連接。

（2）8105工作面采空區(qū)光纖溫度在線監(jiān)測子系統(tǒng)

本系統(tǒng)包括YGSJ660（A）礦用光纖光柵解調(diào)裝置1臺礦用光纖溫度傳感器24只，安裝方法如下：

解調(diào)儀的安裝：YGSJ660（A）礦用光纖光柵解調(diào)裝置安裝于井下變電所內(nèi)，作用是將“多種傳感器返回的光信號解調(diào)為監(jiān)測數(shù)據(jù)”[2]，并在當?shù)剡M行顯示，設(shè)備使用660 V動力電源或127 V照明電源供電，通過工業(yè)環(huán)網(wǎng)的通訊光纜中的一芯光纖將數(shù)據(jù)傳輸至井上光端機中，再通過井上的光端機將信號進行轉(zhuǎn)換并傳輸至工控主機。

傳感器的安裝：礦用光纖光柵溫度傳感器用尾纖為φ6 mm的光纜串聯(lián)，傳感器每隔5 m～6 m布設(shè)一點，傳感器之間的焊點用焊點保護管（圖2）保護，選15 cm～20 cm長的塑料管，沿軸向剪開管子，并將傳感器通過此軸向的開口套入塑料管（圖3），傳感器所在部位用膠帶扎緊，尾纖在塑料管內(nèi)保留一定的冗余，并在塑料管的兩端用膠帶將尾纖扎緊，使之不能被拽動，以防在后期施工時拉壞傳感器。

圖2 焊點保護管

圖3 鋼筒傳感器裝入剪開的塑料管

每12只傳感器共用一芯光纖，將熔接成串的礦用光纖溫度傳感器固定于信號傳輸主光纜上，并每隔1 m～2 m用膠帶固定一次，每個傳感器的鋼筒都要與主光纜固定，傳感器的尾纖不可固定得太緊，以防尾纖拉傷；最后將主光纜使用掛鉤懸掛于采空區(qū)的側(cè)壁上，每隔10 m左右布設(shè)一懸掛點即可。

（3）8105工作面采空區(qū)巷道光纖頂板形變在線監(jiān)測子系統(tǒng)

本系統(tǒng)包括YGSJ660（A）礦用光纖光柵解調(diào)裝置1臺礦用光纖壓力傳感器6只，安裝方法如下：

解調(diào)儀的安裝：本子系統(tǒng)與采空區(qū)光纖溫度在線監(jiān)測子系統(tǒng)共用一臺YGSJ660（A）礦用光纖光柵解調(diào)裝置，在此不再多述；

傳感器的安裝：6個礦用光纖壓力傳感器在180 m長的距離內(nèi)平局分布，每隔30 m布設(shè)一只傳感器，主要安裝在采空區(qū)的頂板上，首先在監(jiān)測地點打180 cm深的孔，將孔的表面處理平滑，然后將預埋錨桿放入，澆注水泥砂漿，待水泥砂漿徹底固化后，然后將礦壓傳感器安裝上，將預緊螺栓擰緊，最后將傳感器的尾纖通過在布設(shè)點預留的分光盒連接到通訊光纜上，并將光纖尾纖用塑料膠管保護好，防止拉斷。

圖4 礦壓傳感器安裝圖

（4）8105工作面采空區(qū)光纖透水在線監(jiān)測預警子系統(tǒng)

采空區(qū)密閉墻設(shè)一用于抽水的“U”型管道，將一只水位傳感器在密閉墻外部從頂部抽水管道中伸入，放到U型管底部；另一只水位傳感器在密閉墻的內(nèi)部，放于“U”型管的另一端，在密閉墻內(nèi)部的一段“U”型管需在底部大直徑1 cm左右的空若干，以使采空區(qū)內(nèi)的水可流入“U”型管內(nèi)。通過計算U型管底部與地面的高度差和測得的水位高度之和即為采空區(qū)內(nèi)水位。

圖5 水位傳感器施工簡圖

3.2 采空區(qū)環(huán)境綜合監(jiān)測系統(tǒng)的分析

通過8105工作面采空區(qū)進行環(huán)境綜合監(jiān)測應(yīng)用，實時有效掌握了采空區(qū)內(nèi)部的瓦斯、溫度、水位、礦壓、頂板離層等數(shù)據(jù)，通過數(shù)據(jù)的整理分析，對所監(jiān)測出的異常數(shù)據(jù)進行預警，解決采空區(qū)綜合環(huán)境監(jiān)測的盲區(qū)，具體數(shù)據(jù)如下圖：

圖6 實時數(shù)據(jù)查詢界面

圖7 瓦斯?jié)舛仍诰€監(jiān)測系統(tǒng)

圖8 報警事件查詢界面

4 結(jié)語

光纖監(jiān)測技術(shù)集傳感與傳輸于一體，傳輸距離長，信號衰減小可實現(xiàn)遠距離測量與監(jiān)控，在采空區(qū)綜合環(huán)境監(jiān)測中的應(yīng)用可以對采空區(qū)內(nèi)瓦斯、溫度、水位、礦壓、頂板離層等數(shù)據(jù)進行連續(xù)性監(jiān)測，有效報警，解決了我們目前面臨的采空區(qū)密閉后內(nèi)部綜合環(huán)境監(jiān)測的盲區(qū)，為采空區(qū)的治理提供了可靠的數(shù)據(jù)支撐，為研究煤柱優(yōu)化提供了基礎(chǔ)資料。