煤体自燃光纤监测方案

1、采空区煤体温度监测方案 宿州市金鼎安全技术股份有限公司 2016年10月18日目录1、 立项背景31.1 概述31.2技术依据31.3系统设计依据41.3.1法律、法规及有关规定41.3.2技术标准51.4系统特点52、技术原理62.1分布式光纤感测技术（ROTDR）62.2 准分布式光纤光栅传感技术（FBG）72.3技术优势分析83、 监测方案84、安装要求104.1 光纤检测设备安装104.2分站及解调仪的安装11 5 、数据记录与整理115.1测定时间115.2数据验证115.3记录表格121、 立项背景1.1 概述 煤炭自燃是我国煤矿开采过程中的主要自然灾害之一，目前国有煤矿中有60%

2、的矿井在开采具有自燃倾向性的煤层。随着近年来开采强度的增大，高产高效新技术的不断发展，矿井的不断延深和深部开拓特别是近距离煤层开采带来的问题，以及通风系统的相对复杂化，使得煤层自燃危险性有明显增大的趋势。采空区煤炭自燃发火在矿井火灾中占有很高比例。目前对采空区内自然发火倾向的预测主要是通过束管系统抽取样气到地面，对标志气体进行分析预警；该手段欠缺实时性和直观性，束管易损伤漏气导致测量不准确。采空区分布式光纤测温安全监测系统利用先进的计算机技术、网络技术、光纤传感测控技术、光纤通讯技术，通过矿井分布式光纤测温系统实时在线监测采空区及回风巷（以下统称“采空区”）温度，旨在弥补标志气体分析方法预警的

3、不足，既减小了由于束管长距离传输所带来的气体分析误差，又提高了实时性。可以及时准确的对采空区隐患进行预警，降低采空区事故风险，提高井下作业的安全性。1.2技术依据 矿井发火隐患日趋严重、防火难度逐渐加大，要求矿井必须具有完善防火预警系统，矿井现多采用的GC4085型井下自燃发火束管监测系统对CH4、CO、O2气体含量进行实时自动监测，采样化验分析与人工观测相结合方式预警；GC4085型井下自燃发火束管监测系统处理采空自燃发火时高温点难以确定，灭火难度大、工作量大，束管极易损伤出现破损漏气而使测量结果不准确。同时，束管系统施工难度大，不便维护。煤的自燃分为三个阶段:煤在低温的条件下，能吸附氧生成

4、不稳定的化合物，放出少量的热，这种氧化过程十分隐蔽，称其为潜伏期；经过该阶段后，煤的氧化过程加速，发热量增加，不能及时散热，就加速煤的自燃；如果煤的自热温度继续升高至临界温度（7080）以上，氧化急剧加快，煤的温度迅速，升至300500时，就会发生燃烧现象，H2、CO、水蒸汽征兆性气体出现，该阶段是防止隐患升级的有利时期；当温度达到8002000时，煤的燃烧就会出现明火，此时基本就没有办法施救，只能被迫封闭工作。因此，在工作面回采过程中，对工作面入风巷、回风巷及切眼位置进行温度监测、及时发现温度异常，将煤的自然抑制在早期阶段，对控制预防采空区（工作面）自然发火具有重要意义。光纤传感技术代表了新

5、一代传感器的发展趋势。光纤传感器是以光波为载体，光纤为媒质，感知和传输外界被测量信号的新型传感器。光纤不带电、体积小、质量轻、易弯曲、抗电磁干扰、抗辐射性能好，本质安全，特别适合在易燃、易爆、空间受严格限制及强电磁干扰等恶劣环境下使用。对比于传统的检测方法，光纤传感监测系统有远程传输、多参数、大容量、实时在线、抗干扰、本质安全等优点，便于综合分析各方面的信息，能够大大提高现有安全监测及生产自动化水平。1.3系统设计依据1.3.1法律、法规及有关规定（1）中华人民共和国安全生产法（2002.11.01）；（2）煤矿安全规程；（3）煤矿安全监察条例；（4）煤矿安全监察管理体制改革实施方案（国办发1

6、999104号文；（5）煤矿作业规程编制指南；（6）煤矿安全监控系统通用技术要求；（7）煤矿和非煤矿山安全评价导则；（8）煤矿安全质量标准；（9）信息技术软件包质量要求；（10）安全生产许可证条例（国务院令第397号，2004.01.13）。（11）中华人民共和国矿山安全法（1993.5.1）（12）最新的软件与安全监测技术。1.3.2技术标准（1）中华人民共和国通信行业标准长途通信干线光缆传输系统线路工程验收规范；（2）煤矿安全质量标准（3）重大危险源辨识（GB182182000）；（4）中华人民共和国矿山安全法实施案例（1996.10.11实施）（5）通讯管道施工标准。（6）煤矿安全监控系

7、统通用技术要求；1.4系统特点光纤在线防火预警系统充分利用光纤传感技术的优势，结合人工采样数据对煤矿采空区（工作面）进行分布式温度、气体综合监测分析，为研究采空区自然发火的诱发及形成提供关键数据，预防、减少安全事故，为煤矿安全生产提供安全保障。该系统具有以下优点：（1）复用能力强，可实现对一线多点、两维点阵或空间分布的连续监测；（2）采空区发火点精准定位，误差小，显示直观，反应迅速。（3）光缆既是温度传感器又是信号传输通道，不再需要其它的测量或传输装置。（4）一根光缆能够提供多个测量点的信息，安装快捷简便且成本低廉，安装后长期使用且免维护；（5）光纤具有耐高温（能承受超过400高温）、抗腐蚀、

8、阻水和长寿命的特质，适用于各种复杂有害或恶劣环境；（6）光纤具有抗电磁辐射干扰的特质，适合高压、复杂电磁等特殊环境使用，本质安全，不带电，不受外界电磁场干扰，长期漂移小；（7）火灾探测光缆为防静电光缆，并且是无电监测，不产生电火花，适用于煤矿、油库、军火库等易燃易爆危险区域环境；（8）光纤本身轻细纤柔，体积小，重量轻，不仅便于布设安装，而且对埋设部位的材料性能和力学参数影响甚小，能实现无损埋设；2、技术原理本次温度监测主要采用基于拉曼散射原理分布式光纤感测技术和准分布式的光纤光栅感测技术， 来实现采空区温度变化监测。 2.1分布式光纤感测技术（ROTDR）拉曼散射及分布式测温原理。探测光在进入

9、光纤传输过长中发自发拉曼散射，其产生的后向反斯托克斯光对温度敏感，即随温度增加而加强。光纤同时作为系统的传感器和信号传输媒介。结合光时域反射技术，通过分析比较后向拉曼散射信号，即可得到光纤沿线任一点对应的温度信息。从而实现目标物体温度信息的实时分布式监测。图 3.2.7 拉曼测温原理示意图本次分布式光纤测试采用的 ROTDR 技术, 对温度感测光缆的应变进行解调。监测设备是光时域温度测量仪监测， 它以光纤中的拉曼散射原理为技术基础，结合光时域反射技术（OTDR），实现连续测量光纤沿线任一点所处的温度。其测量距离从几公里到几十公里的范围，空间定位精度可达到 1M量级，且能进行不间断实时在线测量，

10、特别适用于大范围多点测量的场合。 2.2 准分布式光纤光栅传感技术（FBG）布拉格光纤光栅（FBG）传感器测量，FBG是通过改变光纤芯区折射率，使其产生小的周期性调制而形成。当温度或应力发生改变时，光纤产生轴向应变，应变使得光栅周期变大，同时光纤芯层和包层半径变小，通过光弹性效应改变了光纤的折射率，从而引起光栅波长偏移。利用应变与光栅波长偏移量的线性关系，通过计算得出被测结构应变量。图2 FBG传感系统原理FBG 是一种光纤纤芯在强烈紫外光照射下，刻制而成的光波长选择性反射器。其背向反射光中心波长 B 与纤芯的有效折射率 neff 和刻制的栅距（周长）有关，B =2neff。应变和温度能直接引

11、起B 的漂移，其中心波长漂移量 可表示为：=B(1-Pe)+B(+)T (1)式(1)中， B 为 FBG 中心波长， 为中心波长漂移量， 为轴向应变，Pe 为有效弹光系数，为热膨胀系数，为热光系数。 现今，FBG的波长解调精度达到1pm，对应的其应变测试进度约1个微应变，温度解调进度为0.1摄氏度。FBG特点：除光纤本身轻柔抗电磁干扰等特点外，还具有测量精度高（最高精度达1个微应变），采集速度快（1000Hz），可做到实时监测及数据处理，可起到实时预报预警的作用。可以采用波分复利用技术，实现多点不同类型的光纤光栅传感器串联监测。2.3技术优势分析 煤矿采空区分布式温度监测系统采用长距离矿用铠

12、装光缆作为温度传感器，与传统的温度传感器相比具有本质安全，耐腐蚀，不受电磁干扰等优点，光缆沿走向敷设于井下巷道、工作面及采空区内，也可直接埋设于火灾隐患的高温区域，连续监测长距离大范围的环境温度信息，为煤矿井下温度监测等应用提供优质的温度监测方案。该系统的稳步分布可以用于确定发火点的位置，避免了由于束管漏气造成的误差，对指导防治火灾和保证工作人员安全具有重要意义，可为深入研究煤矿采空区发火机理和掌握自然发火预警规律提供有效的技术手段，对煤矿采空区灾害监测和控制有着重大意义。3、 监测方案在煤体上顺槽（风巷）和下顺槽（机巷）布设安装2个分布式光纤监测，监测顶板垮落以后的煤体温度变化情况。从而研究

13、采空区垮落后，煤体温度的变化规律。从而监控有无火灾危险。2个分布式光纤监测和2个FBG传感器，平行于工作面，在上隅角附近。图1 测点布置图(单位：m) 采用试验现场埋设管路，通过管路中传感器，对采空区温度进行监测，得出采空区温度规律，并通过埋设的传感器测定采空区温度变化情况，从而研究分析出采空区自热变化与分布规律。并以此为理论依据，合理确定各种综放面防灭火技术的具体工艺参数及预警。并同过光纤传输到分站，通过分站连接进入矿以太网。使得数据可以实时、持续的传输到地面监控室。 4、安装要求图2 保护套管设置图1. 2寸保护套管；2.测温光纤；3.快速接头；4. 隔离密封； 本套监控井下设备包括两个部

14、分：光纤检测设备和分站、解调仪 4.1 光纤检测设备安装保护套管保护套管设在顺槽内，可利用原有2注浆管或2吋钢管作为测温导线的保护套。每4m为一节。套管间的连接采用快速接头。为节约成本，也可采用井下旧的水管。 保护管套的位置为了不干扰正常的工作面生产和运输，保护套管的铺设位置为： 顺槽的保护套管，沿顺槽铺设在外侧底部；保护套管应铺设在液压支架后部运输溜子靠采空区侧，在放顶清理浮煤后进行铺设工作。光纤的安装 光纤传感器（一根分布式传感器和一根FBG传感器）铺设在一根钢管内部，在上、下隅角的第一根钢管应保证前头密封。后面依次连接钢管，并在每一节钢管接口处用快速接头连接。用黑胶布密封。钢管的铺设应保

15、持水平。防止因放顶导致的钢管弯曲使传感器损坏。光纤一直延伸到分站。完成监测传输。4.2分站及解调仪的安装分站需保证支护良好、无滴水、无杂物，便于人员观察调试、供电可靠的进风巷道或是硐室中，并应安设在支架上或是吊挂在巷道中，距巷道顶板距离不小于300mm。 解调仪需保证支护良好、无滴水、无杂物，便于人员观察调试、供电可靠的硐室中，并放在架子上。把工作面连接的光纤连接解调仪，再把解调仪和分站连接。并入矿以太网。 5 、数据记录与整理 5.1测定时间 FBG正常情况下每一个圆班测取一次温度数据。分布式光纤数据在电脑上实时记录。 记录每日工作面的推进度，以便推算测点距工作面的距离。 5.2数据验证为了保证实测结果更符合实际情况，应每天一次去工作