分布式光纤检测系统在采空区的研究和应用

陈芳

摘要：煤炭自燃一直是煤炭开采防灭火管理的重点，必须采取有效的预测预报手段预防煤炭自燃发火。本文结合某矿140205回收工作面的特点，提出分布式光纤检测系统在采空区的应用方案，实现了地面监控室对采空区温度的实时连续检测，降低了采空区自燃发火的风险。

Abstract： Coal spontaneous combustion has always been the focus of fire prevention and management in coal mining. Effective prediction and prediction methods must be adopted to prevent spontaneous combustion of coal. Based on the characteristics of 140205 recovery face in a mine， the application of distributed optical fiber detection system in goaf is put forward， which realizes the real-time continuous detection for the temperature of the goaf in the ground monitoring room， and reduces the risk of spontaneous combustion in the goaf.

关键词：分布式光纤检测；回收工作面；采空区

Key words： distributed optical fiber detection；recovery of working face；goaf

中图分类号：TD75+2 文献标识码：A 文章编号：1006-4311（2018）28-0166-03

1 概述

目前，我国60%以上的矿井所开采的煤层均具有自燃倾向。近年来随着开采强度的增大，高产高效新技术的发展，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，以及通风系统的复杂化加剧，使得煤层自燃危险性有明显增大的趋势，特别是回收工作面采空区自然发火。

2 分布式光纤检测系统应用方案

2.1 总体思路

根据某煤矿140205工作面采空区的特点，我们采用KJ711分布式光纤检测系统对其进行全面温度检测，在工作面采空区内按照一定的规律敷设多条感温光纤，并沿着机巷将感温光纤按照一定的巷道走向敷设至KJ711检测主机放置处与之连接，并通过井下环网将检测数据传送至地面控制平台，从而实现地面监控室对工作面采空区温度的实时连续检测。

2.2 具体配置方案

2.2.1 140205工作面采空区的配置方案

根据某煤矿140205工作面二煤“三带”（窒息带、氧化升温带、散热带）划分的结果，从而制定针对性的防范措施，保证工作面在收尾期间不发生自燃发火事故，工作面从收尾停采到回收结束封闭，针对不同时期的防灭火特点，共敷设4条感温光纤，分别距离停采线110m、90m、60m、20m，如图1所示。

2.2.2 机巷至980变电室的配置方案

根据某煤矿140205巷道的具体情况，按照如图2线路进行光缆敷设（具体走向查看预期效果图）。

2.2.3 +980变电室至地面的配置方案

KJ711分布式光纤检测系统检测主机放置在+980变电室，通过通讯光缆连接到井下防爆交换机，利用井下环网将检测数据上传到地面，地面工控机同样接入环网与井下检测主机通讯。分区配置方案如下：根据某煤矿140205工作面采空区“三带”划分及光缆敷设情况，将整条敷设光缆分成如表1几个区。

2.3 安装与敷设方法

①主机的安装。

根据现场需要敷设检测光缆，KJ711主机放置在+980m变电所，将光缆其中一端与KJ711-F检测分站的2个光缆通道连接；将光纤收发器的RX、TX分别与KJ711-F检测分站代表TX和RX的通信光缆连接；将光纤收发器的网络接口与计算机通讯的网络接口连接在一起；KJ711-F检测分站电源输入127-220V/AC。

②感温光纤的安装。

根据140205工作面采空区“三带”划分规律，采用蛇形敷设方式在距离停采线20m、60m、90m、110m处敷设4条感温光缆。光缆采用牵引拉拽的方式从采空区顶端敷设到底端，在机头和机尾处穿硬管进行保护，中间段安装1m的U型保护槽进行保护；在感温光纤走向改变或转角处，必须满足感温光纤最小半径要求（感温光缆半径的20倍），并预留大约5-10m的光缆；在光缆引致+980配电所时，遇到障碍物时应穿过障碍物（如立柱、支架、套管、风门等），防止感温光纤被砸断并保证定位的准确性；接入主机的感温光纤宜留10m长的余量并妥善放置，并挂标识牌进行区分；光纤尾段用高温加热后封死，用电工胶带缠绕，之后将检测光缆缠绕在电缆尾端（约10m），用胶带固定在电缆上。

③针对采空区的敷设及防砸设计。

采空区由于面积较宽，采用蛇形敷设的方式对整个区域进行全面的检测，对于采空区的特点，该面共敷设4条光缆即距离停采线20m、60m、490m、110m。感温光缆敷设在采空区，面临着被掉下的矸石砸断的可能，对此采用3种办法减少被砸断的可能，一是采用环形检测。如图3所示，设备运用2个通道连接成一个环形对整个采空区进行检测，当采空区的光缆被掉落的矸石砸成A1、A2兩段时，KJ711主机通过通道1检测A1段；通道2检测A2段，从而对整个采空区进行检测，不会出现砸断后的盲区。二是增加外护U型槽。为了更加有效的防止光缆在采空区被砸断的可能，在采用环形检测的方式外，同时光缆外层每1米增加一个U型护槽（不锈钢材质），防止掉落物直接砸在光缆上，减少被砸断的可能，具体布置如图4所示。三是采用定制的感温光缆。感温光缆敷设在采空区时常面临被落的下矸石砸断的可能，针对这一情况，采用专门定制的感温光缆，此种光缆增加了芳纶纱的股数，加强了光缆的抗拉力；同时采用螺纹钢管结构增强了光缆的抗压力，此种结构在光缆被砸时能提供一个回旋力，防止光纤一次性全部被砸断，并且螺纹结构具有伸缩性，在光缆被砸时能进行有效的缓冲，减小被砸断的可能。

2.4 光纤检测系统的应用测试试验

2.4.1 室温实验：实验目的是检验探测器对温度的探测性能

实验方法：将探测光纤中任意抽取3段3m光纤卷成圈（圈直径大于10cm）放入水中，使探测器处于正常监视状态，然后对其进行加热至报警预设值温度，直至探测器发生报警，记录探测器发生报警时的温度，多次测试并记录。实验结果表明，当温箱温度达到探测器设定的温度阈值时，探测器发生定温报警。

2.4.2 差温实验：实验目的是检测探测器对温度变化的探测性能

实验方法：将探测光纤中任意抽取3段3m光纤卷成圈（圈直径大于10cm）放入热水中（热水温度接近于预设温度），使探测器处于正常监视状态，然后对其进行加热至报警预设温度，直至探測器发生报警，记录探测器发生报警时的温度和响应时间，多次测试并记录。实验结果表明，当温升速率到达探测器设定的差温报警阈值时，就会发生报警，且满足国标中的测试要求。测得的实验结果如表3。

2.4.3 响应一致性：实验目的是检测探测器响应温度的一致性

实验过程：在探测器处于正常监视状态时，分别将感温光纤上任意选定的3个探测单元，放入一定温度的水中，同时开始计时，直到探测器动作发出报警信号，记录探测器的各次响应温度。实验结果：3个探测单元报警时的温度都在设定报警温度值左右，且偏差都在1℃以内。

2.4.4 高低温试验：实验目的是检测探测器在高温和低温环境下工作是否正常。

实验过程：一是将探测器整体处在50℃±3℃的环境中，在此条件下稳定16h，观察期运行状况。二是将探测器整体处在0℃±3℃的环境中，在此条件下稳定16h，观察期运行状况。实验结果表明，在此运行期间，探测器正常工作，且无报警现象发生。

2.4.5 报警定位实验：实验目的是检测探测器的报警定位性能

实验过程：在探测光纤上取任意3m的探测单元，将此探测单元放入热水中，然后以20℃/min的升温速率升至式样动作（对水进行加热），记录该探测单元的编号和报警定位长度指示值，如此重复多次实验，记录报警定位长度是否与实际相符合。

3 结论

本文结合某煤矿140205工作面采空区的特点，提出了KJ711分布式光纤检测系统在煤矿应用的总体设计思路和具体配置方案，并针对该系统在采空区敷设过程中存在的防护难题进行了优化设计。现场应用测试试验表明，分布式光纤检测系统在预防煤矿自然发火方面具有显著优势，能够实现地面监控室对工作面采空区温度的实时连续检测，极大地提高了煤矿安全保障能力。

参考文献：

[1]郑园，赵华玮，苗可彬，等.分布式光纤测温系统在采空区火灾监控预警中的应用[J].煤炭技术，2014，33（9）：291-293.

[2]于庆.分布式光纤测温技术在煤矿中的应用[J].工矿自动化，2012，38（4）：5-8.

[3]闫惠芳.分布式光纤测温技术在煤矿安全中的应用[J].中国煤炭，2013（12）：72-74.

[4]张灿明，周孟颖，岳宗敏，等.分布式光纤测温技术在煤矿采空区中的应用[J].能源技术与管理，2015，40（4）：18-19.