金祥

（鐵峰煤業(yè)有限公司，山西 朔州 037200）

隨著我國煤礦開采深度的增加，煤的自燃發(fā)火災(zāi)害呈現(xiàn)出逐年顯著增加的趨勢。礦井火災(zāi)是一種突發(fā)性災(zāi)害，它帶來的影響不容小覷，會給單位和個人造成不可挽回的財產(chǎn)經(jīng)濟損失和生命損失。盡管當前礦井防滅火技術(shù)有了技術(shù)突破，但是礦井火災(zāi)時有發(fā)生，尤其是近幾年，各地礦井重大火災(zāi)事故時有發(fā)生，不僅給煤炭企業(yè)帶來難以估量的社會負面影響和嚴重的經(jīng)濟損失，也危害了人民的生命安全。由于缺少有效的技術(shù)手段，火災(zāi)事故仍是目前煤礦安全中尚難以有效解決的災(zāi)害。本項目利用分布式激光系統(tǒng)，在南陽坡礦8702、增子坊8306綜采工作面進行火災(zāi)防治的工作。

1 常用的火災(zāi)監(jiān)測方法

目前礦井企業(yè)常用的火情監(jiān)測方法有三種：氣相色譜法、激光火情氣體監(jiān)測法、光纖測溫法等。其中氣相色譜儀是比較傳統(tǒng)的火情監(jiān)測方法。而采用激光氣體監(jiān)測技術(shù)，是當前國內(nèi)外較為領(lǐng)先的火情監(jiān)測技術(shù)。它在線監(jiān)測采空區(qū)的各種氣體成分濃度，同時又利用光纖測溫法實時對采空區(qū)進行測溫。

而分布式激光火情監(jiān)測系統(tǒng)與傳統(tǒng)火情監(jiān)測系統(tǒng)相比，克服了預(yù)警慢、無法定位等缺陷，具有自動化程度高、實時監(jiān)測、定位準確等優(yōu)勢。

2 分布式激光系統(tǒng)的組成部分

本項目的激光火災(zāi)監(jiān)控系統(tǒng)包括井下監(jiān)測設(shè)備、數(shù)據(jù)傳輸網(wǎng)絡(luò)和地面設(shè)備三部分組成，其中：井下火災(zāi)監(jiān)測設(shè)備主要由激光氣體檢測主機、分布式光纖測溫控制柜、氣體采樣泵和過濾器等組成，由多個相鄰的區(qū)域組成一個火災(zāi)檢測單元，通過在礦井井下部署火災(zāi)實時監(jiān)測設(shè)備，實現(xiàn)煤礦火災(zāi)實時監(jiān)測的取氣和氣體分析自動化以及被監(jiān)測區(qū)域的分布式實時溫度測量。

數(shù)據(jù)傳輸網(wǎng)絡(luò)包括兩部分：井下數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)和地面數(shù)據(jù)傳輸網(wǎng)絡(luò)。技術(shù)人員為了提高數(shù)據(jù)傳輸?shù)乃俣?，利用太網(wǎng)光纖環(huán)網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)作為數(shù)據(jù)傳輸網(wǎng)絡(luò)，利用南陽坡、增子坊原有的以太網(wǎng)，實現(xiàn)基于以太網(wǎng)的火災(zāi)監(jiān)測參數(shù)與地面火災(zāi)監(jiān)測系統(tǒng)的高速通信。

地面設(shè)備由一個以太網(wǎng)的數(shù)據(jù)主機聯(lián)系，通過分析地下的實時數(shù)據(jù)來監(jiān)測井下的溫度和氣體濃度。

3 分布式激光系統(tǒng)在工作面火災(zāi)中的工作原理

3.1 分布式激光系統(tǒng)的創(chuàng)新點

分布式激光系統(tǒng)的創(chuàng)新點有六點：快速抽氣自動切換技術(shù)；抽氣管路診斷監(jiān)測技術(shù)；煤自燃發(fā)火預(yù)警模型技術(shù)；煤礦火災(zāi)監(jiān)測預(yù)警系統(tǒng)技術(shù)；利用TDLAS 波長調(diào)制吸收光譜技術(shù)連續(xù)監(jiān)測采空區(qū)CH4/CO/O2/C2H4/C2H2/CO2/N2等氣體濃度；利用光纖傳感技術(shù)實現(xiàn)采空區(qū)分布式長距離連續(xù)測溫。

TDLAS 技術(shù)在行業(yè)里被稱為可調(diào)諧半導(dǎo)體激光吸收光譜技術(shù)，它利用長光程反射結(jié)構(gòu)結(jié)合波長調(diào)制和二次諧波檢測技術(shù)對含不同濃度CH4/CO/O2/C2H4/C2H2/CO2/N2等 氣 體（100ppm、200ppm、400ppm、600ppm）進行試驗，研究不同溫度和不同壓強下，CH4/CO/O2/C2H4/C2H2/CO2/N2等氣體的濃度?；赥D?LAS技術(shù)的激光發(fā)生裝置，包括主控單元、調(diào)制信號發(fā)生單元、鋸齒波信號發(fā)生單元、信號疊加單元、電壓電流轉(zhuǎn)換單元以及激光器。TDLAS檢測裝置的設(shè)置，可以提高采空區(qū)火情氣體濃度的測量精度，減小采空區(qū)的低頻噪聲干擾。

為了提高實時檢測的準確性，本項目將采空區(qū)分為若干個防火分區(qū)，每個分區(qū)長度約為100m，若干個分布式光纖傳感器均勻分布在這幾個防火分區(qū)里，每個傳感器之間間隔一定數(shù)量的距離。整個采空區(qū)防火分區(qū)共用一根分布式感溫光纖。在一定范圍內(nèi)形成一定量的監(jiān)測數(shù)據(jù)點，并通過一根特定長的傳輸光纜對整個采空區(qū)區(qū)域的傳感系統(tǒng)進行監(jiān)測。

3.2 分布式激光系統(tǒng)的裝置原理

分布式激光系統(tǒng)裝置，由兩臺測量計算機主機和配套的光纖技術(shù)監(jiān)測探頭和TDLAS 波長調(diào)制吸收光譜技術(shù)裝置組成。測量主機分別裝置在地上控制室和地下采空區(qū)區(qū)域。地下的監(jiān)測探頭安裝在采空區(qū)各個需要監(jiān)測火情氣體濃度的地點。裝置利用最先進的TDLAS波長光譜技術(shù)，對各個分布的光纖實現(xiàn)激光的復(fù)用。

利用分布式光纖測溫的特點，拉曼散射信號相對容易獲取（見圖1），所以，在采空區(qū)，每個防火區(qū)的信號就容易被獲取。原理是利用各個采空區(qū)的煤壁上的光纖，將地下監(jiān)測到的溫度數(shù)據(jù)和空氣氣體濃度的數(shù)據(jù)，利用光纖環(huán)網(wǎng)將這些實時數(shù)據(jù)傳送到地面控制室的主機，再用大數(shù)據(jù)等高新技術(shù)對收集來的數(shù)據(jù)進行處理分析，并將這些數(shù)據(jù)收錄到數(shù)據(jù)庫平臺。一旦收錄來的數(shù)據(jù)超過了平臺設(shè)定的數(shù)據(jù)值，系統(tǒng)就會自動報警，并及時采取滅火等措施，最終起到一定的預(yù)警作用。

圖1 三種散射光的反射光強度和反射光波長的關(guān)系

4 現(xiàn)場具體應(yīng)用

4.1 采空區(qū)火災(zāi)檢測系統(tǒng)設(shè)計

南陽坡礦8702煤礦的采空區(qū)光纖分布式測溫系統(tǒng)由以下六部分組成：一個計算機客戶端、幾個數(shù)據(jù)服務(wù)器、一個分布式光纖測溫主機、數(shù)個光纖接續(xù)盒、一定長度的傳感光纖和一個光纖裝置。分布式光纖測溫主機負責整個南陽坡礦8702的光脈信號的發(fā)生和光電信號的收集處理分析。通過光開關(guān)的開合實現(xiàn)測溫系統(tǒng)的光路處理。

4.2 傳感光纖

傳感光纖是放入礦井采空區(qū)內(nèi)實時監(jiān)測溫度的傳感器。由于采空區(qū)內(nèi)時常有石塊重物等尖銳物體的下落和沖擊，有時候還會有水透現(xiàn)象出現(xiàn)，因此，傳感光纖的選擇除了易于搬運之外，還要有一定延展性、防滲透性和抗沖擊性。

4.3 現(xiàn)場設(shè)計

由于煤礦采空區(qū)進出不方便，無法對采空區(qū)的光纖進行及時的人工維護和檢修，為了避免因光纖在采空區(qū)內(nèi)被煤矸石砸斷或者因光纖滲透老化而導(dǎo)致系統(tǒng)失效，要對光纖進行必要的防護措施。

光纖的防護遵循三個原則：一是松、二是準、三是穿。“松”指的是光纜要保持松弛狀態(tài)，不可緊繃。地下光纜的鋪設(shè)是沿著采空區(qū)的地下巷道的煤壁展開，在大約離底板1m 左右的地方開始鋪設(shè)，每隔1m 工作人員需要用堅固的包扎帶把光纖固定在防護網(wǎng)上，固定時不可把光纖繃直，要保持一定的松弛度?！皽省敝傅氖枪ぷ髅嫱饷娴牟糠止饫w需沿著通信線纜掛鉤的位置鋪設(shè)到每個分站位置，并且單獨在一處，不得與高壓電纜捆綁在一起。切記所有鋪設(shè)的光纖光纜都應(yīng)保持適中的松弛度，防止任何外力因素損傷光纖?！按敝傅氖枪饫|在鋪設(shè)過程中如果遇到磚墻、石頭墻等堅硬物體時，需將膠管用壁紙刀割開，套到光纜外面以保護光纜，避免光纖被尖銳物體擠斷。

采用光纖分布式測溫技術(shù)，對煤礦的每個特定區(qū)域都能進行實時的溫度檢測。感溫光纜的好處，在于不導(dǎo)電、感知度高、監(jiān)測距離遠、施工方便等。

4.4 數(shù)據(jù)分析

2019年1月18日～6月18日光纖測量的溫度曲線見圖2。

圖2 光纖傳感技術(shù)測量溫度的歷史節(jié)點

光纖測量的溫度數(shù)據(jù)及結(jié)合束管檢測的時間以及束管抽氣口切換時間綜合分析后發(fā)現(xiàn)，氣體監(jiān)測值發(fā)生變化的時間，與抽采管切換抽氣口的時間一致，此時我們發(fā)現(xiàn)氣體監(jiān)測值突變的原因與礦井采空區(qū)抽采及火情監(jiān)測束管在附近時的氣體流場有關(guān)。當抽采管的管口直徑變大時，抽采流量會變快。

當?shù)V井采空區(qū)內(nèi)側(cè)的瓦斯抽采口關(guān)閉，并打開上邊角落里的一個側(cè)下一個瓦斯抽采口，此時光纖測溫的抽采口可以向外切換，束管吸氣口會逐步遠離抽采口。當測溫距離抽采口超過一定距離時，基本不再受抽采影響，所抽取的火情氣樣的溫度與現(xiàn)場位置的氣樣相似。

根據(jù)以上數(shù)據(jù)的分析，分布式激光系統(tǒng)的光纖測溫技術(shù)的有效性受采管影響。為最小限度地降低抽采口對束管取樣的影響，應(yīng)將束管及測溫光纖布置在無抽采管道或不受抽采管道影響的位置。這樣做的好處就是提高數(shù)據(jù)的科學(xué)性、精準性和實效性。

4.5 經(jīng)濟效益

（1）是防滅火監(jiān)測技術(shù)方面的革命性變革，氣體組分分析具有科學(xué)性、精確性、時效性，能夠為防滅火工作提供科學(xué)、可靠、精準的數(shù)據(jù)分析來源；

（2）潛在經(jīng)濟效益明顯，節(jié)約了人力資源成本，減少了人工取樣程序、提高了設(shè)備使用效率；

（3）每年可節(jié)約傳統(tǒng)束管監(jiān)測系統(tǒng)維修、束管及配件費用8萬元；

（4）初期投入成本低，后期維護簡單、方便。

5 結(jié)論

現(xiàn)在的系統(tǒng)較原來的束管系統(tǒng)抽氣距離短，能連續(xù)不間斷抽取采空區(qū)氣樣并實時分析數(shù)據(jù)，光纖傳感技術(shù)能實現(xiàn)采空區(qū)長距離連續(xù)測溫，地面監(jiān)測臺能及時地顯示數(shù)據(jù)變化，并發(fā)出預(yù)警；是防滅火監(jiān)測技術(shù)方面的革命性變革，值得推廣應(yīng)用。