光纤感温火灾探测系统在矿业储存和运输过程中的应用*

禄 伟 田兆君,2 熊珊珊 银亚飞 张琼华

1.湖南科技大学 资源环境与安全工程学院 2.煤矿安全开采技术湖南省重点实验室3.南方煤矿顶板及煤与瓦斯突出灾害预防控制安全生产国家安全监督总局重点实验室

在火电厂企业中，煤炭储存运输过程中的自燃问题给企业的正常生产和运营带来了极其严重的影响，因此火电厂对于储煤堆自燃的监测和预警就尤为重要。目前对于煤炭储存设计中所采用的烟雾探测器、红外成像仪等技术虽然有其优良性，但也存在许多不足。烟雾探测器不是直接对目标温度的监测，在应用过程中具有信息反馈的迟滞性和范围的不确定性，容易受外界环境的干扰影响。红外探测技术能够及时精准的监测储煤堆的温度场，但是其监测的目标具有范围大、时间长、跨度广的特点，所以在应用中有其局限性而且系统复杂且价格较高。综上所述，迫切需要一种本质安全、监测距离长精度高、信息分析处理快、抗干扰性强的温度探测传感系统来应用于储煤堆。

1 光纤温度传感技术的发展

光纤传感器是利用光的散射原理且经过光调制器和探测器一系列手段制成的具有实时监测功能的传感技术。在传播过程中一些光子通过背向散射回来，如瑞利散射、布里渊散射和拉曼散射等，如图1。

光纤传感技术始于20世纪70年代，是伴随着光纤通信技术的发展而迅速发展起来的。随着科学技术的不断发展，光纤传感技术日益成熟。根据使用功能的需求，出现了适应于不同场所的光纤传感器[1]。70年代末Rogers首先提出DTS可利用偏振光时域后向散射技术实现温度的分布式测量[2]。1997年英国的Ricardo Feced等人实现了0.1m空间分辨率高温测量，该技术是通过采用特殊涂层的光纤实现的，并且采用单光子计数技术[3]。2010年，日本的Ryosuke Shimano等人采用了相干光时域反射技术和双向掺铒光纤放大器实现了温度分辨率为0.02℃，空间分辨率为2m，测量距离为31km的分布式测温系统[4-5]。上述成果可充分说明光纤温度传感技术的研究已取得了丰厚的成果。

图1 激光散射光谱分析

2 光纤光栅技术

光纤光栅技术是由加拿大渥太华通信研究中心研发人员通过在掺锗石英光纤中发现的光敏效应，并采用驻波写入法制成世界上第一根光纤光栅[6]。此后研究人员通过研发不同的写入和调制技术，使得光纤光栅工业制造技术得到不断的更新和完善。周期性结构和非周期性结构是光纤光栅的重要组成部分，通过光纤光栅的周期性结构可以把其分为Bragg光栅和透射光栅。早在1988年该技术成果就被应用于航空、航天领域中的无损检测当中。在国内日渐成熟的光纤光栅技术也被逐渐开发形成了以应力应变监测系统、结构健康监测系统和温度在线监测系统等为主且应用于桥梁隧道、采矿结构和电力工程方面的先进技术并取得较为理想的成果。

3 分布式光纤技术

根据不同工业需求光纤传感技术逐渐发展为以分布式光纤和光纤光栅传感为主的探测技术。虽然随着光纤技术的不断研究和进步，出现了较多不同种类的光纤温度传感器，但是在当前能应用于工程实际现场且技术相对成熟，能够作为分布式使用的传感技术目前只有三种：布里渊散射型光纤温度传感技术、布拉格光纤光栅式温度传感技术和拉曼散射型光纤温度传感技术[7-9]。

基于光散射原理的分布式光纤传感技术，其在工程实际应用中布设简单且实时监测距离较长，信号参数分辨率高、对于应变和温度等物理量的响应速度快，又可用于各种工程行业的特殊场所，因此受到研究者的关注和研究[10-11]。

4 实际应用分析

4.1 理论分析

光纤探测技术的发展和完善逐渐被水利、电力、隧道、矿业等工程所采用，而在矿业方面尤其是煤炭行业的应用更加具有代表性和前景性。煤炭行业的储存和运输的过程具有其它工程所没有的特殊性和复杂性，其环境具有易燃易爆、高温高湿等特性，这些基本特性都限制了一般火灾温度探测系统在煤炭行业的使用，因此必须分析光纤感温探测系统在矿业储存、运输方面应用的可行性。

在矿业方面，煤炭的长时间运输和储存都面临着较为严重的自燃问题，一般的火灾探测系统很难满足这些要求。现有矿业储存和运输一般使用束管监测系统，但是束管监测系统有其自身的局限性，只能采集局部区域的气体进行检测才能判断煤堆是否发生火灾，检测过程时间较长且不能持续性监测，这就是束管系统的缺陷。而光纤感温探测火灾系统是通过大功率的光源器件将光脉冲射入光纤中，通过光纤中光的拉曼散射和后时域反射来判断火灾点的，所以这个系统是本安的，它具有不带电、抗射频和电磁干扰、防燃防爆、抗高压等特性，而且具有监测范围广、精度高、反应敏捷等特点[12]。

4.2 技术与经济比较

煤炭行业运输和储存过程中的火灾探测的困难之处并非在于火源点的高温引起的，储煤堆的自燃也并非是发生在局部地点。无论是长途运输过程还是外部储煤场的自燃区域虽然具有一定的规律性，但是其火源点的数量和空间方位是不确定的，而且外部储煤场具有监测空间跨度大、距离长的特点。因此对矿业常用的束管监测系统、光纤监测系统和红外探温监测系统在技术与经济方面进行如下对比分析，见下表。

表 三种温度监测系统经济对比

（1）束管监测系统是利用色谱分析技术对煤体在自燃不同阶段产生的标志性气体监测，从而判断火灾发生的位置和阶段。这种技术的优点是可以很精准的判断煤发生自燃的阶段，能及时预报煤堆发火点温度变化便于采取相应措施。缺点是需要的设备和仪器较多，且只能在布置束管的位置监测。对于空间大、范围广的监测目标监测难度和局限性较大。

（2）红外探温监测系统主要应用红外成像技术，利用探测范围内的红外辐射分布图在设备中形成红外热像图。这种技术的优点在于可以即时且全方位的监测煤堆温度分布，不需要布置各种探头和收集分析装置。缺点就是只能监测被测物的表面温度，对于其内部自燃发生的温度变化无法探测。

（3）光纤监测系统主要是应用温度等物理因素可以改变光纤中光线传导特性而制成。这种技术能够连续实时的监测光纤沿线的温度场分布和变化情况，具有测量距离长、测量时间短、信息反馈快等优点，且在实际应用中布设简单，操作方便。

通过上述分析可以得出在技术层次光纤监测系统无论是其在监测范围上还是精度和反应速度上都优于其它两个系统，无需铺设大量的温度探头，且操作布置简单。在经济方面，虽然在小空间监测范围内红外温度监测系统相较于光纤感温监测系统较有优势。但是当监测范围增大时，红外温度监测系统则需购置多套系统，而光纤感温监测系统只需加强光纤布置范围即可，因此其经济优于其它两个系统。

且最先进的分布式光纤感温火灾探测系统，较现有的探测手段相比，其抗干扰能力大大增强，同时由于利用先进的OTDC技术实现光纤沿线的连续监测，较传统的“点式”探测技术相比，其探测精度高、定位准确[13]。国内的明鑫科技公司研制的MXFGCW2型光纤测温系统，温度分辨率达到±0.1℃，测温距离最远可达到30km，最高测量温度300℃，空间分辨率小于3m[14]。因此针对于矿业火灾点探测的精确度高、探测范围广、时间长、空间时间分辨率高等要求，分布式光纤感温探测技术是完全符合的。

5 储煤堆光纤铺设的研究

对于煤矿和火电厂的大型储煤堆而言，它们的储存量巨大、分布广泛且外部环境多变，拥有与井下采空区相同的自燃问题，但是它们之间又有诸多的差别。井下采空区的自燃一般是由于临近工作面的漏风为其提供氧气，而且采空区无法填实阻止氧气的进入，随着采空区内部温度积聚逐渐发生自燃。而经过长期对大型储煤堆自燃问题的研究发现其自燃部位一般为其表面浅部：煤堆底层周边易自燃；煤堆交汇处易自燃；煤堆向风面易自燃；过水区域易自燃；断面疏松区易自燃[15]。这些研究表明对于储煤堆在中底部压实的情况下，自燃一般发生在其表面浅部的富氧区，因此对于煤矿和火电厂的大型储煤堆自燃的监测只需要布置在其几个易自燃区域即可。

由于煤的热传导效率比较低，导热效果不好。因此对于传统的感温探测系统，当某点自燃比较严重且使周围煤体温度升高，随着温度的变化情况经过很长时间才能传导到附近的测温探头，这会导致煤炭在储煤堆的温升程度不能被及时的反映出来，经常错过了灭火的最佳时间。针对这一问题，参考光纤测温系统原理、公路隧道温度监测、土木地基岩土形变检测等领域的检测布置，结合煤矿特点，提出了Ⅰ、Ⅱ两种光纤在储煤堆的铺设形式，如图2、3。

理论上这两种光纤的铺设方法都满足储煤堆的自燃在时间上、空间上的监测需求，下面根据这两种光纤铺设方法的特点，结合现场的经济性、可行性和实用性对其进行分析比较，分析其优缺点。

第一种铺设方案。它的优点是需要光纤通道比较少，仅需要三根光纤就可以对储煤堆温度进行检测，而且最主要的是施工方便，非常适合于储煤堆这种有坡度的施工现场。它的缺点是储煤堆的侧面截面积一般非常大，三根光纤在其长度方向可以连续监测，但在垂直方向上难以覆盖性全面检测。

图2 第一种光纤铺设方法

图3 第二种光纤铺设方法

第二种铺设方案。它的优点是需要的光纤通道少，只用两根光纤就能对储煤堆侧面进行全面温度监测。他的缺点是施工不方便，而且铺设方案中对于光纤曲折铺设有可能降低光纤的监测精度。

通过对两种光纤铺设方案的优缺点的比较可以得出，第一种方案适合于小断面的储煤堆，其施工方便，经济简单。第二种适合大断面的储煤堆，施工虽然有点难度，但是其监测范围更加明确全面。在工程上的应用，可根据其实际现场情况进行选择，或者结合两种方案联合使用。

6 结束语

本文结合光纤探测技术的基本原理和在井下采空区火灾探测技术的应用，重点分析了光纤感温火灾探测技术在火电厂和大型码头储煤堆自燃问题监测的可行性，提出几种光纤在煤堆的布置方案，最终得出光纤感温探测技术在矿业的生产和存储过程有着广阔的前景和应用价值。

7 展望

光纤感温探测技术的发展日新月异，技术上的难关也被科研技术人员一一攻克，但是现在仍然存在诸多问题，例如光纤探测精度的提升，测控软件的优化与设计，关于不同环境的光纤布置规范等。然而未来光纤技术的发展将拥有广阔的空间是毋庸置疑的。对于矿业方面将光纤对于岩石形变的检测可以与火灾探测系统相结合，而发展出矿井采空区自燃防治监测的新技术。火电厂与大型码头储煤堆的光纤火灾探测系统与灌浆凝胶泡沫技术相结合，是火灾的探测与防治相结合的新趋势。对于大型城市建筑也可采用光纤感温探测系统，在发生火灾时根据建筑内的实时温度分布图可以得出最佳应急逃生线路图，以减少火灾事故的财产和生命损失。因此在火灾探测方面，光纤感温探测技术的应用前景更加广阔。

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