煤體自燃光纖監(jiān)測(cè)方案

1、采空區(qū)煤體溫度監(jiān)測(cè)方案 宿州市金鼎安全技術(shù)股份有限公司 2016年10月18日目錄1、 立項(xiàng)背景31.1 概述31.2技術(shù)依據(jù)31.3系統(tǒng)設(shè)計(jì)依據(jù)41.3.1法律、法規(guī)及有關(guān)規(guī)定41.3.2技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)51.4系統(tǒng)特點(diǎn)52、技術(shù)原理62.1分布式光纖感測(cè)技術(shù)（ROTDR）62.2 準(zhǔn)分布式光纖光柵傳感技術(shù)（FBG）72.3技術(shù)優(yōu)勢(shì)分析83、 監(jiān)測(cè)方案84、安裝要求104.1 光纖檢測(cè)設(shè)備安裝104.2分站及解調(diào)儀的安裝11 5 、數(shù)據(jù)記錄與整理115.1測(cè)定時(shí)間115.2數(shù)據(jù)驗(yàn)證115.3記錄表格121、 立項(xiàng)背景1.1 概述 煤炭自燃是我國(guó)煤礦開(kāi)采過(guò)程中的主要自然災(zāi)害之一，目前國(guó)有煤礦中有60%

2、的礦井在開(kāi)采具有自燃傾向性的煤層。隨著近年來(lái)開(kāi)采強(qiáng)度的增大，高產(chǎn)高效新技術(shù)的不斷發(fā)展，礦井的不斷延深和深部開(kāi)拓特別是近距離煤層開(kāi)采帶來(lái)的問(wèn)題，以及通風(fēng)系統(tǒng)的相對(duì)復(fù)雜化，使得煤層自燃危險(xiǎn)性有明顯增大的趨勢(shì)。采空區(qū)煤炭自燃發(fā)火在礦井火災(zāi)中占有很高比例。目前對(duì)采空區(qū)內(nèi)自然發(fā)火傾向的預(yù)測(cè)主要是通過(guò)束管系統(tǒng)抽取樣氣到地面，對(duì)標(biāo)志氣體進(jìn)行分析預(yù)警；該手段欠缺實(shí)時(shí)性和直觀性，束管易損傷漏氣導(dǎo)致測(cè)量不準(zhǔn)確。采空區(qū)分布式光纖測(cè)溫安全監(jiān)測(cè)系統(tǒng)利用先進(jìn)的計(jì)算機(jī)技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、光纖傳感測(cè)控技術(shù)、光纖通訊技術(shù)，通過(guò)礦井分布式光纖測(cè)溫系統(tǒng)實(shí)時(shí)在線監(jiān)測(cè)采空區(qū)及回風(fēng)巷（以下統(tǒng)稱(chēng)“采空區(qū)”）溫度，旨在彌補(bǔ)標(biāo)志氣體分析方法預(yù)警的

3、不足，既減小了由于束管長(zhǎng)距離傳輸所帶來(lái)的氣體分析誤差，又提高了實(shí)時(shí)性?？梢约皶r(shí)準(zhǔn)確的對(duì)采空區(qū)隱患進(jìn)行預(yù)警，降低采空區(qū)事故風(fēng)險(xiǎn)，提高井下作業(yè)的安全性。1.2技術(shù)依據(jù) 礦井發(fā)火隱患日趨嚴(yán)重、防火難度逐漸加大，要求礦井必須具有完善防火預(yù)警系統(tǒng)，礦井現(xiàn)多采用的GC4085型井下自燃發(fā)火束管監(jiān)測(cè)系統(tǒng)對(duì)CH4、CO、O2氣體含量進(jìn)行實(shí)時(shí)自動(dòng)監(jiān)測(cè)，采樣化驗(yàn)分析與人工觀測(cè)相結(jié)合方式預(yù)警；GC4085型井下自燃發(fā)火束管監(jiān)測(cè)系統(tǒng)處理采空自燃發(fā)火時(shí)高溫點(diǎn)難以確定，滅火難度大、工作量大，束管極易損傷出現(xiàn)破損漏氣而使測(cè)量結(jié)果不準(zhǔn)確。同時(shí)，束管系統(tǒng)施工難度大，不便維護(hù)。煤的自燃分為三個(gè)階段:煤在低溫的條件下，能吸附氧生成

4、不穩(wěn)定的化合物，放出少量的熱，這種氧化過(guò)程十分隱蔽，稱(chēng)其為潛伏期；經(jīng)過(guò)該階段后，煤的氧化過(guò)程加速，發(fā)熱量增加，不能及時(shí)散熱，就加速煤的自燃；如果煤的自熱溫度繼續(xù)升高至臨界溫度（7080）以上，氧化急劇加快，煤的溫度迅速，升至300500時(shí)，就會(huì)發(fā)生燃燒現(xiàn)象，H2、CO、水蒸汽征兆性氣體出現(xiàn)，該階段是防止隱患升級(jí)的有利時(shí)期；當(dāng)溫度達(dá)到8002000時(shí)，煤的燃燒就會(huì)出現(xiàn)明火，此時(shí)基本就沒(méi)有辦法施救，只能被迫封閉工作。因此，在工作面回采過(guò)程中，對(duì)工作面入風(fēng)巷、回風(fēng)巷及切眼位置進(jìn)行溫度監(jiān)測(cè)、及時(shí)發(fā)現(xiàn)溫度異常，將煤的自然抑制在早期階段，對(duì)控制預(yù)防采空區(qū)（工作面）自然發(fā)火具有重要意義。光纖傳感技術(shù)代表了新

5、一代傳感器的發(fā)展趨勢(shì)。光纖傳感器是以光波為載體，光纖為媒質(zhì)，感知和傳輸外界被測(cè)量信號(hào)的新型傳感器。光纖不帶電、體積小、質(zhì)量輕、易彎曲、抗電磁干擾、抗輻射性能好，本質(zhì)安全，特別適合在易燃、易爆、空間受?chē)?yán)格限制及強(qiáng)電磁干擾等惡劣環(huán)境下使用。對(duì)比于傳統(tǒng)的檢測(cè)方法，光纖傳感監(jiān)測(cè)系統(tǒng)有遠(yuǎn)程傳輸、多參數(shù)、大容量、實(shí)時(shí)在線、抗干擾、本質(zhì)安全等優(yōu)點(diǎn)，便于綜合分析各方面的信息，能夠大大提高現(xiàn)有安全監(jiān)測(cè)及生產(chǎn)自動(dòng)化水平。1.3系統(tǒng)設(shè)計(jì)依據(jù)1.3.1法律、法規(guī)及有關(guān)規(guī)定（1）中華人民共和國(guó)安全生產(chǎn)法（2002.11.01）；（2）煤礦安全規(guī)程；（3）煤礦安全監(jiān)察條例；（4）煤礦安全監(jiān)察管理體制改革實(shí)施方案（國(guó)辦發(fā)1

6、999104號(hào)文；（5）煤礦作業(yè)規(guī)程編制指南；（6）煤礦安全監(jiān)控系統(tǒng)通用技術(shù)要求；（7）煤礦和非煤礦山安全評(píng)價(jià)導(dǎo)則；（8）煤礦安全質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)；（9）信息技術(shù)軟件包質(zhì)量要求；（10）安全生產(chǎn)許可證條例（國(guó)務(wù)院令第397號(hào)，2004.01.13）。（11）中華人民共和國(guó)礦山安全法（1993.5.1）（12）最新的軟件與安全監(jiān)測(cè)技術(shù)。1.3.2技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)（1）中華人民共和國(guó)通信行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)長(zhǎng)途通信干線光纜傳輸系統(tǒng)線路工程驗(yàn)收規(guī)范；（2）煤礦安全質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)（3）重大危險(xiǎn)源辨識(shí)（GB182182000）；（4）中華人民共和國(guó)礦山安全法實(shí)施案例（1996.10.11實(shí)施）（5）通訊管道施工標(biāo)準(zhǔn)。（6）煤礦安全監(jiān)控系

7、統(tǒng)通用技術(shù)要求；1.4系統(tǒng)特點(diǎn)光纖在線防火預(yù)警系統(tǒng)充分利用光纖傳感技術(shù)的優(yōu)勢(shì)，結(jié)合人工采樣數(shù)據(jù)對(duì)煤礦采空區(qū)（工作面）進(jìn)行分布式溫度、氣體綜合監(jiān)測(cè)分析，為研究采空區(qū)自然發(fā)火的誘發(fā)及形成提供關(guān)鍵數(shù)據(jù)，預(yù)防、減少安全事故，為煤礦安全生產(chǎn)提供安全保障。該系統(tǒng)具有以下優(yōu)點(diǎn)：（1）復(fù)用能力強(qiáng)，可實(shí)現(xiàn)對(duì)一線多點(diǎn)、兩維點(diǎn)陣或空間分布的連續(xù)監(jiān)測(cè)；（2）采空區(qū)發(fā)火點(diǎn)精準(zhǔn)定位，誤差小，顯示直觀，反應(yīng)迅速。（3）光纜既是溫度傳感器又是信號(hào)傳輸通道，不再需要其它的測(cè)量或傳輸裝置。（4）一根光纜能夠提供多個(gè)測(cè)量點(diǎn)的信息，安裝快捷簡(jiǎn)便且成本低廉，安裝后長(zhǎng)期使用且免維護(hù)；（5）光纖具有耐高溫（能承受超過(guò)400高溫）、抗腐蝕、

8、阻水和長(zhǎng)壽命的特質(zhì)，適用于各種復(fù)雜有害或惡劣環(huán)境；（6）光纖具有抗電磁輻射干擾的特質(zhì)，適合高壓、復(fù)雜電磁等特殊環(huán)境使用，本質(zhì)安全，不帶電，不受外界電磁場(chǎng)干擾，長(zhǎng)期漂移小；（7）火災(zāi)探測(cè)光纜為防靜電光纜，并且是無(wú)電監(jiān)測(cè)，不產(chǎn)生電火花，適用于煤礦、油庫(kù)、軍火庫(kù)等易燃易爆危險(xiǎn)區(qū)域環(huán)境；（8）光纖本身輕細(xì)纖柔，體積小，重量輕，不僅便于布設(shè)安裝，而且對(duì)埋設(shè)部位的材料性能和力學(xué)參數(shù)影響甚小，能實(shí)現(xiàn)無(wú)損埋設(shè)；2、技術(shù)原理本次溫度監(jiān)測(cè)主要采用基于拉曼散射原理分布式光纖感測(cè)技術(shù)和準(zhǔn)分布式的光纖光柵感測(cè)技術(shù)， 來(lái)實(shí)現(xiàn)采空區(qū)溫度變化監(jiān)測(cè)。 2.1分布式光纖感測(cè)技術(shù)（ROTDR）拉曼散射及分布式測(cè)溫原理。探測(cè)光在進(jìn)入

9、光纖傳輸過(guò)長(zhǎng)中發(fā)自發(fā)拉曼散射，其產(chǎn)生的后向反斯托克斯光對(duì)溫度敏感，即隨溫度增加而加強(qiáng)。光纖同時(shí)作為系統(tǒng)的傳感器和信號(hào)傳輸媒介。結(jié)合光時(shí)域反射技術(shù)，通過(guò)分析比較后向拉曼散射信號(hào)，即可得到光纖沿線任一點(diǎn)對(duì)應(yīng)的溫度信息。從而實(shí)現(xiàn)目標(biāo)物體溫度信息的實(shí)時(shí)分布式監(jiān)測(cè)。圖 3.2.7 拉曼測(cè)溫原理示意圖本次分布式光纖測(cè)試采用的 ROTDR 技術(shù), 對(duì)溫度感測(cè)光纜的應(yīng)變進(jìn)行解調(diào)。監(jiān)測(cè)設(shè)備是光時(shí)域溫度測(cè)量?jī)x監(jiān)測(cè)， 它以光纖中的拉曼散射原理為技術(shù)基礎(chǔ)，結(jié)合光時(shí)域反射技術(shù)（OTDR），實(shí)現(xiàn)連續(xù)測(cè)量光纖沿線任一點(diǎn)所處的溫度。其測(cè)量距離從幾公里到幾十公里的范圍，空間定位精度可達(dá)到 1M量級(jí)，且能進(jìn)行不間斷實(shí)時(shí)在線測(cè)量，

10、特別適用于大范圍多點(diǎn)測(cè)量的場(chǎng)合。 2.2 準(zhǔn)分布式光纖光柵傳感技術(shù)（FBG）布拉格光纖光柵（FBG）傳感器測(cè)量，F(xiàn)BG是通過(guò)改變光纖芯區(qū)折射率，使其產(chǎn)生小的周期性調(diào)制而形成。當(dāng)溫度或應(yīng)力發(fā)生改變時(shí)，光纖產(chǎn)生軸向應(yīng)變，應(yīng)變使得光柵周期變大，同時(shí)光纖芯層和包層半徑變小，通過(guò)光彈性效應(yīng)改變了光纖的折射率，從而引起光柵波長(zhǎng)偏移。利用應(yīng)變與光柵波長(zhǎng)偏移量的線性關(guān)系，通過(guò)計(jì)算得出被測(cè)結(jié)構(gòu)應(yīng)變量。圖2 FBG傳感系統(tǒng)原理FBG 是一種光纖纖芯在強(qiáng)烈紫外光照射下，刻制而成的光波長(zhǎng)選擇性反射器。其背向反射光中心波長(zhǎng) B 與纖芯的有效折射率 neff 和刻制的柵距（周長(zhǎng)）有關(guān)，B =2neff。應(yīng)變和溫度能直接引

11、起B(yǎng) 的漂移，其中心波長(zhǎng)漂移量 可表示為：=B(1-Pe)+B(+)T (1)式(1)中， B 為 FBG 中心波長(zhǎng)， 為中心波長(zhǎng)漂移量， 為軸向應(yīng)變，Pe 為有效彈光系數(shù)，為熱膨脹系數(shù)，為熱光系數(shù)。 現(xiàn)今，F(xiàn)BG的波長(zhǎng)解調(diào)精度達(dá)到1pm，對(duì)應(yīng)的其應(yīng)變測(cè)試進(jìn)度約1個(gè)微應(yīng)變，溫度解調(diào)進(jìn)度為0.1攝氏度。FBG特點(diǎn)：除光纖本身輕柔抗電磁干擾等特點(diǎn)外，還具有測(cè)量精度高（最高精度達(dá)1個(gè)微應(yīng)變），采集速度快（1000Hz），可做到實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)及數(shù)據(jù)處理，可起到實(shí)時(shí)預(yù)報(bào)預(yù)警的作用?？梢圆捎貌ǚ謴?fù)利用技術(shù)，實(shí)現(xiàn)多點(diǎn)不同類(lèi)型的光纖光柵傳感器串聯(lián)監(jiān)測(cè)。2.3技術(shù)優(yōu)勢(shì)分析 煤礦采空區(qū)分布式溫度監(jiān)測(cè)系統(tǒng)采用長(zhǎng)距離礦用鎧

12、裝光纜作為溫度傳感器，與傳統(tǒng)的溫度傳感器相比具有本質(zhì)安全，耐腐蝕，不受電磁干擾等優(yōu)點(diǎn)，光纜沿走向敷設(shè)于井下巷道、工作面及采空區(qū)內(nèi)，也可直接埋設(shè)于火災(zāi)隱患的高溫區(qū)域，連續(xù)監(jiān)測(cè)長(zhǎng)距離大范圍的環(huán)境溫度信息，為煤礦井下溫度監(jiān)測(cè)等應(yīng)用提供優(yōu)質(zhì)的溫度監(jiān)測(cè)方案。該系統(tǒng)的穩(wěn)步分布可以用于確定發(fā)火點(diǎn)的位置，避免了由于束管漏氣造成的誤差，對(duì)指導(dǎo)防治火災(zāi)和保證工作人員安全具有重要意義，可為深入研究煤礦采空區(qū)發(fā)火機(jī)理和掌握自然發(fā)火預(yù)警規(guī)律提供有效的技術(shù)手段，對(duì)煤礦采空區(qū)災(zāi)害監(jiān)測(cè)和控制有著重大意義。3、 監(jiān)測(cè)方案在煤體上順槽（風(fēng)巷）和下順槽（機(jī)巷）布設(shè)安裝2個(gè)分布式光纖監(jiān)測(cè)，監(jiān)測(cè)頂板垮落以后的煤體溫度變化情況。從而研究

13、采空區(qū)垮落后，煤體溫度的變化規(guī)律。從而監(jiān)控有無(wú)火災(zāi)危險(xiǎn)。2個(gè)分布式光纖監(jiān)測(cè)和2個(gè)FBG傳感器，平行于工作面，在上隅角附近。圖1 測(cè)點(diǎn)布置圖(單位：m) 采用試驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)埋設(shè)管路，通過(guò)管路中傳感器，對(duì)采空區(qū)溫度進(jìn)行監(jiān)測(cè)，得出采空區(qū)溫度規(guī)律，并通過(guò)埋設(shè)的傳感器測(cè)定采空區(qū)溫度變化情況，從而研究分析出采空區(qū)自熱變化與分布規(guī)律。并以此為理論依據(jù)，合理確定各種綜放面防滅火技術(shù)的具體工藝參數(shù)及預(yù)警。并同過(guò)光纖傳輸?shù)椒终?，通過(guò)分站連接進(jìn)入礦以太網(wǎng)。使得數(shù)據(jù)可以實(shí)時(shí)、持續(xù)的傳輸?shù)降孛姹O(jiān)控室。 4、安裝要求圖2 保護(hù)套管設(shè)置圖1. 2寸保護(hù)套管；2.測(cè)溫光纖；3.快速接頭；4. 隔離密封； 本套監(jiān)控井下設(shè)備包括兩個(gè)部

14、分：光纖檢測(cè)設(shè)備和分站、解調(diào)儀 4.1 光纖檢測(cè)設(shè)備安裝保護(hù)套管保護(hù)套管設(shè)在順槽內(nèi)，可利用原有2注漿管或2吋鋼管作為測(cè)溫導(dǎo)線的保護(hù)套。每4m為一節(jié)。套管間的連接采用快速接頭。為節(jié)約成本，也可采用井下舊的水管。 保護(hù)管套的位置為了不干擾正常的工作面生產(chǎn)和運(yùn)輸，保護(hù)套管的鋪設(shè)位置為： 順槽的保護(hù)套管，沿順槽鋪設(shè)在外側(cè)底部；保護(hù)套管應(yīng)鋪設(shè)在液壓支架后部運(yùn)輸溜子靠采空區(qū)側(cè)，在放頂清理浮煤后進(jìn)行鋪設(shè)工作。光纖的安裝 光纖傳感器（一根分布式傳感器和一根FBG傳感器）鋪設(shè)在一根鋼管內(nèi)部，在上、下隅角的第一根鋼管應(yīng)保證前頭密封。后面依次連接鋼管，并在每一節(jié)鋼管接口處用快速接頭連接。用黑膠布密封。鋼管的鋪設(shè)應(yīng)保

15、持水平。防止因放頂導(dǎo)致的鋼管彎曲使傳感器損壞。光纖一直延伸到分站。完成監(jiān)測(cè)傳輸。4.2分站及解調(diào)儀的安裝分站需保證支護(hù)良好、無(wú)滴水、無(wú)雜物，便于人員觀察調(diào)試、供電可靠的進(jìn)風(fēng)巷道或是硐室中，并應(yīng)安設(shè)在支架上或是吊掛在巷道中，距巷道頂板距離不小于300mm。 解調(diào)儀需保證支護(hù)良好、無(wú)滴水、無(wú)雜物，便于人員觀察調(diào)試、供電可靠的硐室中，并放在架子上。把工作面連接的光纖連接解調(diào)儀，再把解調(diào)儀和分站連接。并入礦以太網(wǎng)。 5 、數(shù)據(jù)記錄與整理 5.1測(cè)定時(shí)間 FBG正常情況下每一個(gè)圓班測(cè)取一次溫度數(shù)據(jù)。分布式光纖數(shù)據(jù)在電腦上實(shí)時(shí)記錄。 記錄每日工作面的推進(jìn)度，以便推算測(cè)點(diǎn)距工作面的距離。 5.2數(shù)據(jù)驗(yàn)證為了保證實(shí)測(cè)結(jié)果更符合實(shí)際情況，應(yīng)每天一次去工作