煤矿火灾分布式光纤温度监测预警系统

颜试

（淮南矿业集团，安徽淮南232007）

煤矿火灾分布式光纤温度监测预警系统

颜试

（淮南矿业集团，安徽淮南232007）

煤矿火灾严重威胁煤矿安全生产，通过对现有矿井火灾预测预报技术的分析，提出了采用分布式光纤测温技术进行井下温度监测，并与其他监测参数结合，对矿井火灾进行预警，对保证煤矿安全生产具有重要意义。

煤矿火灾；分布式光纤传感器；温度监测；预警

我国煤矿安全生产危险源多、灾害严重的形势非常严峻，矿井火灾是直接威胁矿井安全生产的主要灾害之一。矿井火灾中，煤炭自燃导致的内因火灾占相当大的比例。“十五”期间，全国657处重点煤矿中，有煤层自然发火倾向的矿井占54.9%，每年自燃形成的火灾近400次，煤自燃氧化形成火灾隐患近4000次，仅我国北方煤田累计已烧毁煤炭达42亿t以上。内因火灾作为煤矿生产安全的一大隐患，对其进行早期探测预警尤为重要[1]。

1.矿井火灾预测预报技术

根据煤矿井下自燃发火的早期特征，其探测和判别方法有多种。常采用的有测温法、气体分析法等，也可以通过红外图象识别的方法来进行自燃发火的早期识别。

1.1 气体分析法的监测手段主要有检知管、气体传感器、便携仪表及色谱分析仪等。检知管操作手段落后，自动化程度低；气体传感器具有体积小、电信号输出、使用方便等特点，但多数气体传感器的稳定性、灵敏度和寿命尚有不尽人意的地方；色谱分析法是气体分析的最精确、稳定和可靠的方法。

1.2 测温法也是煤自然发火监测的常用方法，主要用于煤层巷道异常点温度的监测。温度监测用的传感器主要有热电偶、测温电阻、半导体测温元件、集成温度传感器、热敏材料、光纤、红外线、激光及雷达波等。其中热电偶、测温电阻、半导体元件、热敏材料和便携式激光测温仪表得到较广泛的普及，而红外热成像、雷达探测等因受穿透距离、地质构造等因素的影响应用受到一定限制。

以上单个探测方法所测得的结果只能反映煤炭发生自燃某一个方面指标的变化，所获得的信息片面，容易引起误报或漏报。目前通过研究提出较为先进的预测预报技术是结合多种监测参数，以影响煤炭自燃的主要因素及不同探测方法所获信息的互补性作为研究基础，借助模糊推理在大量模糊和非模糊的信息下进行问题求解判断和煤矿内因火灾的早期预报，以提高预报的准确性。

1.3 温度信息在矿井火灾的预测预报中起很重要的作用，是多参数识别预警系统中不可缺少的参数。但常用的温度检测手段存在很多不足，严重影响火灾预警的准确性。如：温度传感器需要电源供电、安装位置受到限制；传输的信号是电信号，需要的电缆接线较多，信号传输距离短难以满足大范围长距离监测需要；手持移动设备检测方便，但不能满足长期实时在线监测等问题。分布式光纤测温利用光信号在光纤中传输进行温度的测量，本质安全，传感一体，一根光纤即可完成温度测量和数据传输，结构简单，布设方便；测量光纤的长度可达到几十公里，足以满足井下大范围长距离实时在线温度监测的需要；光纤沿线测量的温度数据连续，精度高，不存在盲点。这些优点正好满足矿井大范围长期温度监测的需要，应用前景非常广阔。本文介绍一种自行研制的分布式光纤测温系统的原理和结构以及其在煤矿温度监测中的应用。

2.分布式光纤测温系统原理和结构

2.1 基本原理分布式光纤测温系统是利用在光纤中传输的高功率光脉冲与光纤分子作用产生拉曼（Raman）散射光谱信号，温度信号对散射光谱信号中的反斯托克斯（Anti-Stocks）散射光强度进行调制，反斯托克斯散射光携带散射区的温度信息，用光时域反射（OTDR）技术获取沿光纤长度方向的拉曼散射信息，从而实现分布式的光纤温度传感。实际测量中，利用瑞利（Rayleigh）散射光作为解调器，对反斯托克斯拉曼散射光进行解调就可以得到所需要的温度信号[2]。

利用瑞利散射光功率曲线的解调方法是：首先测出整段传感光纤在温度T＝T0时的反斯托克斯拉曼散射光功率曲线和瑞利散射光功率曲线，即：

将式（1）和（2）作比较得：

然后在任意温度T时测得反斯托克斯拉曼散射光功率曲线和瑞利散射光功率曲线，即：

将式（4）和（5）作比较得：

再将T0和T时根据式（6）得出的结果作比较可得：

由式（7）可反算得温度分布曲线，即：

式中，PR(T)，PAS(T)，——分别为后向瑞利散射光和后向反斯托克斯拉曼散射光的光功率；ν——光在光纤中的传输速度；E0——泵浦光脉冲的能量；h，κ，——普朗克常数和玻尔兹曼常数；△ν——光纤的拉曼频移量；，ΓR，ΓAS——分别为光纤中单位长度上的后向瑞利散射光和后向反斯克斯拉曼散射光的散射系数；，α0，αAS——分别为入射泵浦光(后向瑞利散射光)和后向反斯托克斯拉曼散射光在光纤中单位长度上的损耗系数；L——对应光纤上某一测量点到测量起始点的距离；T——该测量点处的绝对温度；T0——已知的参考温度值。

2.2 结构系统结构如图1所示，反射光信号的强弱和注入光脉冲的强度有关，注入光脉冲的强度越大，产生的反射信号的强度越大，就越有利于提取有用的温度信号。提高注入光功率的方法是采用光纤放大器。采用光通信用1550nm的高速调制半导体激光器，输出50ns的脉冲，然后进入到光放大器进行功率提升，再通过1×3光纤耦合器入传感光纤。这样可以进一步缩短光脉冲的宽度，可以有效提高系统的空间分辨率。

图1 分布式光纤温度监测预警系统结构图

使用光纤放大器以后，由于散射信号强度的提高，就可以不再采用辅助电路多，增益受温度影响、不稳定的雪崩光电二极管（APD），而是采用高灵敏度宽带PIN探测模块，PIN模块具有暗电流小，结电容小外围电路简单等优点，我们使其在恒温条件下工作，配合优良的低噪声放大器及高频高精度低噪声贴片元件，多级放大，每级低增益，分布式供电，并加以良好的屏蔽，以保证可靠性、带宽和降低噪声的要求。

光滤波器主要实现从光纤的后向散射光中分两路分别滤出后向瑞利散射光和后向反斯托克斯拉曼散射光，该系统中使用的光滤波器采用多层介质膜干涉滤光片，以实现从光纤的后向散射光中分别滤出后向瑞利散射光和后向反斯托克斯拉曼散射光的功能。两路信号经光放大电路放大处理后进入数据采集模块，采集到的数据最后由计算机进行解调和处理。

3.感温光纤特性、布设方式

根据分布式光纤测温系统结构特点，将感温光缆的一端做好插头后插入主计算机上的光纤插口上，另一端顺着巷道布设，间隔一段距离用铆钉固定；煤层和采空区的测温光缆，通过钻机钻孔后，铺设在钻孔中。根据温度测量需要，可在一段范围内铺设多条测温光纤，分别测量煤体、空气温度，提高预警的能力。

传感光纤采用纤芯为9/125μm的单模光纤，紧包和光缆外护套材料均为PVC（聚氯乙烯）/LSZH（低烟无卤），光缆直径为3mm，质量为10.2 kg/km，最小弯曲半径为60mm。系统温度测量空间分辨率为1m，测温精度为0.1℃，误差范围为±0.5℃，测量长度可达10km，测温范围为-45～120℃，图2为实时监测到的巷道温度分布图。

图2 巷道温度分布图

系统整根测线完成一次测量仅需要20秒，对温度变化反应灵敏。系统计算机具有以下功能：（1）实时数据采集：通过光纤沿途采集的温度信息，形成实时数据库；（2）实时数据显示：显示当前采集得到的电缆实时温度，实现准确定位；（3）超温报警：根据不同要求设置报警和预警温度，并可对电缆按段设置分区报警，对不同的部位进行不同标准的监控；（4）升温速率报警：当电缆温度达到用户要求设定的升温速率预定值时，可以报警、指出报警位置、数据存储和打印；（5）历史数据查询：用户可通过数据库记录的历史数据查询得到电缆某时刻、某日、某段时间的某点或某段的温度、最高温度等信息，并可生成表格打印；（6）特性曲线显示：通过在历史数据库中选择某种数据后，可作出数据的变化特性曲线便于分析。

4.结语

将分布式光纤测温技术应用于煤矿火灾预警的温度监测，结构简单，只需铺设一根感温光纤，传输的是光信号，本质安全。分布式光纤测温作为一种新型的温度测量技术有其明显的特点:容易实现长距离大范围连续的温度测量,且测温和定位精度高、安装使用方便、受使用环境影响小、运行稳定可靠。系统通过实时监测温度数据的变化结合其他监测参数对矿井火灾进行预警，对保障煤矿安全生产具有积极的意义。

［1］梁运涛，罗海珠.中国煤矿火灾防治技术现状与趋势[J].煤炭学报，2008，（2）：126-130.

［2］郑晓亮，郭兆坤，谢鸿志，马埒.基于分布式光纤传感技术的冻结温度场监测系统[J].煤炭科学技术，2009，（1）：18-21.

［3］韩远红，朱翔宇.分布式光纤测温系统在煤矿火灾预警中的应用[J].太原科技，2007，165（10）：91-92.

［4］马宾，隋青美，徐健.分布式光纤传感系统监测煤矿冻结表土段温度[J].计量学报，2007，28（3A）：174-177.

U698.4

A

1672-0547（2010）06-0069-02

2010－09－21

颜试（1982-），男，安徽来安人，淮南矿业集团顾桥煤矿综采三队助理工程师。