分布式光纤测温系统在塔山煤矿的应用

赫庭玉

（大同煤矿集团有限责任公司安全管理监察局，山西省大同市，037003）

分布式光纤测温系统在塔山煤矿的应用

赫庭玉

（大同煤矿集团有限责任公司安全管理监察局，山西省大同市，037003）

介绍了塔山煤矿先进的分布式光纤测温设备及技术，利用该系统本质安全性、多通道、数据实时性等优点，实现对矿井采空区内温度环境的实时在线监测。

分布式光纤 采空区 温度监测 塔山煤矿

塔山矿在开采石炭二叠纪特厚煤层过程中，由于煤层厚度较大，采用放顶煤开采过程中，不可避免地会在采空区留有余煤。在工作面停采撤退后，工作面密闭质量的好坏会对后续工作面的开采造成很大的影响，应用分布式光纤温度监测技术对采空区内的温度参数进行实时监测，保证采空区内温度实时在线监测，对防止采空区遗煤自然发火等事故发生具有重要意义。由于系统采用国际先进的光纤传感技术，以其性能本质安全，不受磁场干扰，数据稳定准确，传输距离远，从根本上填补了目前其他检测手段无法监测采空区环境状态的技术空白。

1　系统介绍

分布式光纤温度监测传感技术以其对沿光纤分布的温度场可连续实时测量的特点而成为光纤传感技术中较为引人瞩目的一项新技术，它具有无动力、抗干扰强等特点，研究分布式光纤温度监测传感技术在实际中的应用具有重要的意义。

1.1系统原理

分布式光纤监测系统的主要工作依据是光时域反射原理和光纤的后向拉曼散射（Raman Backscattring）温度效应，当主处理机中的激光光源向光纤注入905 nm的光脉冲后，由于光的散射会引起能量的损耗，脉冲大部分能传到光纤末端并消失，但一小部分（携带了有用信息）后向散射光会沿着光纤反射回来，对这一后向散射光进行过滤，很容易将拉曼散射光与其他后向散射光区分开，由于拉曼散射光与温度有着密切的关系，对这部分拉曼散射光进行DSP处理，从而提供有关温度等参数信息，来实现对光纤周围环境的温度实时监测。

1.2系统特点

（1）实时性。可对温度进行实时监控，做到早期预警。

（2）分布式。系统可实时监测并传输感温光纤周围环境温度变化。连续监测信号，任意温度点报警。

（3）先进性。分布式光纤温度监测系统是在线监测的有效手段，在国外已经取代传统的线性感温材料，在技术上已非常成熟。

（4）准确性。终端机内的激光发射装置每秒会发射上万次的光脉冲，并将取样温度的平均值输出到显示系统，基本消除误差；可设置多级定温报警，并且可以根据环境不同进行修正；定温报警的同时，还可以设定差温报警，基本消除误报。

系统核心部件采用先进的半导体激光器、高灵敏度的光电探测器和光纤滤波器，增加了原始信号幅度自动调整技术，进而根据需要实现自动调整，克服因光学器件工作时间长造成的信号偏移，使系统的可靠性和测量准确度大幅度提高。

（5）灵活性。可根据现场要求对测量时间、报警阀值等进行调整，针对环境变化设置多个不同报警控制区域，报警控制区可编程，每个单独的报警区域可设置不同的报警值。

（6）安全性。感温光纤本质安全，采用光信号，不会与动力电缆之间产生相互电磁干扰。远程诊断功能可通过局域网由工程师提供实时的系统远程诊断，如果光纤受损，系统可以即时定位受损点，并通过光纤熔接机对其进行熔接，无需停止测量。

（7）自动温度校准。保证长期温度的准确性，节约了后期维护成本。

1.3矿井采空区内温度实时监控应用

1.3.1采空区光缆布置

采用直径为8 mm的测温光缆从停采线开始敷设，进风巷和回风巷各一条，回风巷光缆延伸至工作面停采支护位置，如图1所示，用接线盒共同接入分站；敷设时把光缆固定在巷道侧壁的预留挂钩上，挂钩距离地面约1.6 m，间隔2 m。

图1　采空区测温光缆铺设位置

巷道内测温光缆敷设穿过密闭墙时，为避免光缆受密闭墙体挤压破损，需在封堵密闭墙时为光缆套装绝缘橡胶保护套管，起到保护光缆的作用。

1.3.2数据测试

在系统安装完毕后进行了模拟测试，将50℃的温水洒在毛巾上然后铺在感温光缆上，在地面服务器观察系统数据。

为避免测试偏差，共进行了两次测试，两次测试结果均准确地反映了测温光缆监测到的实时温度变化情况。

1.3.3数据对比

2006年末，塔山矿引进了国际先进的束管防火监测系统，系统主要用于监测采空区及停采密闭区内防火标志性气体浓度。经过这几年的运行，系统有效检测了塔山煤矿采空区标志性气体CO浓度范围，为矿井防灭火工作积累了宝贵的经验。

利用束管系统分析得到的采空区标志性气体浓度和采空区光纤测温系统所测温度进行了关系分析。取一周内相关参数的平均值，分析结果见表1。

表1　采空区内温度监测值与束管CO浓度监测数据关系分析

在封闭面初期，采空区内遗煤随时间推移逐渐氧化释放出CO气体和热量，当氧气浓度降低到一定程度后，遗煤逐渐停止氧化减少热量释放，所以，由表1可以看出随时间推移采空区内部CO浓度随温度有基本相似的上升及回落趋势。

通过综合利用采空区光纤测温及束管标志性气体监测等多种监测手段的综合利用，可以使塔山煤矿采空区防火监测数据更加精确，通过总结数据并对比分析，为及时准确预测预报遗煤自燃火灾提供了重要的依据。

2　结论

分布式光纤监测传感器与传统的温度传感器相比具有以下优点:集传感与传输于一体，可实现远距离测量与监控，一次测定就可以获取整个光纤区域的一维分布图，能在一条长达数千米的传感器光纤环路上获得几百甚至几千条信息，因此单位信息成本大大降低，测量范围宽，具有高空间分辨率和高精度。在具有强电磁干扰或易燃易爆以及其它传感器无法接近的环境下，分布式光纤监测传感器具有极大的优势。

通过使用分布式光纤温度参考文献：

监测技术，塔山煤矿矿井采空区温度监测的实时性大幅提高。同时，结合采空区内防火标志性气体浓度分析，可及时发现隐患并采取有效措施，使矿井采空区自然发火的可能性降到了最低。另外，未来矿井将尝试在采煤工作面采空区、机电设备峒室及矿井辅运大巷顶部主要供电线路铺设等地方延伸分布式光纤测温系统的使用范围，利用国际先进监测手段使矿井的防火减灾工作更上一个台阶。

［1］ 彭超，赵健康，苗付贵.分布式光纤测温技术在线监测电缆温度［J］.高电压技术，2006（8）

［2］ 刘扬，侯思祖.基于拉曼散射的分布式光纤测温系统的分析研究［J］.电子设计工程，2009（1）

［3］ 韩红远，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（10）

［4］ 韩永温，郝文杰，张林行等.基于拉曼散射原理的分布式光纤测温系统研究［J］.半导体光电，2013（2）

［5］ 李福勇，秦加增，玄纪军.KJ607矿用分布式光纤温度监测及火灾预警系统在煤矿中的研究与应用 ［J］.山东煤炭科技，2013（1）

［6］ 李安安，乔熙，刘阳等.光纤光栅监测系统在钻井井壁健康监测中的设计与应用［J］.中国煤炭，2011（9）

［7］ 李小箭.分布式光纤温度传感器在井下设置的要求［J］.中国煤炭，2006（6）

（责任编辑 郭东芝）

Application of distributed fiber temperature monitoring system in Tashan Coal Mine

He Tingyu
（Safety Management Department，Datong Coal Mine Group Co.，Ltd.，Datong，Shanxi 037003，China）

The distributed fiber temperature monitoring equipment and technology in Tashan Coal Mine were introduced.Based on the advantages of essential security，multichannel，realtime data and so on，the real-time on-line temperature monitoring of goaf environment were achieved.

distributed fiber，goaf，temperature monitoring，Tashan Coal Mine

TD752

A

赫庭玉（1964-），男，山西大同人，在职研究生，高级工程师，现任山西同煤集团安全管理监察局总工程师，主要从事煤矿安全管理工作。