煤矿采空区气体在线监测技术研究与应用

宁涛

（晋能控股煤业集团 同地鑫泰建井有限公司，山西 大同 037100）

0 引 言

煤炭自然发火是矿井的重大灾害之一。目前矿井安全监控系统虽然具有监测和报警功能，但由于受传统传感器黑白元件性能的制约，煤矿企业依据常规方法无法对采空区密闭墙内标志性气体（瓦斯、一氧化碳） 及温度等进行长期、实时、准确的监测。目前，环境监测系统的应用只有传统的技术，根本解决不了问题。使用载体催化原理的甲烷传感器，必须每隔15 d 调校1 次，热导元件的传感器误差较大，不适于对低浓度气体进行监测，且2 种元件都存在易中毒、选择性差、需频繁校准和易误报等缺点。2 种传感器技术不适用于采空区密闭内气体监测。因此升级并应用新型高灵敏度、高可靠性、校正周期长的采空区气体监测技术，对于提高采空区内标志性气体和温度预警系统的可靠性具有重要意义。

1 综合在线监测预警技术

通过分析麻家梁矿井采空区煤层自燃前期状态，环境瓦斯气体及温度变化趋势，研究科学、经济、有效的全光纤瓦斯、温度、一氧化碳采空区综合在线监测预警技术。

该技术应用于麻家梁矿采空区内部环境温度、一氧化碳和瓦斯浓度的监测预警。把传感器布设到采空区内，能将系统中采空区内相关位置的实时温度、一氧化碳和瓦斯浓度显示出来，并连接到火灾报警信息网，同时利用综合参数的检测能力，建立矿井采空区监测数据库，进而为采空区内环境监控实现自动化和实时反应综合监控提供重要的科学基础，由于系统应用国际先进的光纤传感技术，其性能本质安全、不受磁场干扰、数据稳定准确实时、传输距离远，从根本填补目前其他检测手段无法监测采空区内部温度变化及环境状态的空白。应用光纤技术对采空区内温度、一氧化碳和瓦斯进行实时在线监测预警，对采空区内发火趋势采取及时有效监测和预警。

2 技术创新点

2.1 新技术工作原理

采用先进的光纤光栅温度传感技术，具有耐高压、不受电磁干扰、本质安全、长期可靠、易扩展等特点。

工作时，由安设在变电所分站光源发出的连续的宽带光信号，经传输光缆传送到采空区的传感器来监测现场。传感器内的光纤光栅对宽带光有选择地反射回一窄带光，经同一传输光缆回送到系统的矿用光纤光栅解调仪，测定出窄带光中心波长的位移变化，在经过软件的解调与分析便确定出现场的气体以及温度，可实现各类信息变化率分析，危险报警，历史数据保存等功能。

2.2 采用光纤传感器采集数据

光纤传感器与常规电子类设备的对比。

（1） 光纤传感器探头无需供电，本质安全，因而适于在煤矿其它化工行业进行对安全和生产状态参数的监测。

（2） 经过特殊封装后，光纤传感器具有很强的耐高压性能，因而适于高压等危险场合对安全和生产状态参数的监测。

（3） 光纤传感器由玻璃纤维制成，通过光信号工作，传输光缆完全不带电，因此具有本质安全，特别适合用于在天然气、煤矿、军火、化工、石油等易燃易爆环境进行安全状态参数监测。

（4） 光纤材料的绝缘性能非常优良，可以在高压等强电场环境对电力设备作各种测量。

（5） 利用光波作为传感信号，测量不受外界电磁场干扰，长期漂移小，可以可靠地进行长期、连续在线检测。

（6） 光纤传感器的体积小、重量轻，因此广泛用于掩埋在混凝土或纤维增强型复合材料或结构内进行长期监测内部的应力、温度变化，以提高工程结构的安全性。

（7） 由于井下环境恶劣，光纤传感器采用金刚砂和分子筛双重粉尘、潮湿过滤技术，解决传感器在井下恶劣环境下的长期稳定性问题。为了从根本上解决粉尘对测量的影响，粉尘造成传感器效率的减少，通过可调激光器波长扫描得到补偿。

（8） 校准周期长，节约人力物力成本。

2.3 所有传感器的信号均通过光缆传输

针对麻家梁矿采区空环境，全光纤综合在线监测技术有如下技术优势。

（1） 用光纤光栅物理量变化，绝缘性能强，稳定性高。

（2） 信息通过光信号传输，传输距离远，不失真不受电磁干扰，防潮湿。

（3） 响应时间更短、测量精度更精确、24 h不间断巡检。

（4） 所有数据信息只需1 根光缆便可传到地上监控中心，系统实施简单，可靠耐用。

（5） 实时的数据采集、分析、在线显示所测信息。

（6） 光波不怕电磁干扰，能够在极其恶劣的地质环境下，实现对温度、振动等参数的精确测量，通过光电或电光转换，易与高度发展的现代电子装置和计算机相匹配。光纤工作频带宽，动态范围大，适合于遥测遥控，是一种优良的低损耗传输线；在一定条件下，光纤特别容易接受被测量场的加载，是一种优良的敏感元件。

（7） 光纤本身具有不带电、体积小、质量轻、易弯曲、抗电磁干扰、抗辐射、无能量辐射、隐蔽性强等优点，特别适合于易燃、易爆、空间受严格限制、强电磁干扰等恶劣环境和保密场合下使用。因此，光纤传感技术一问世就受到极大重视，几乎各个领域都在进行研究与应用，产业得到蓬勃发展。

2.4 技术优势对比

针对束管监测系统，该采空区监测技术的优势对比见表1。

2.5 采用新型综合在线监测预警系统

该技术作为温度、瓦斯、一氧化碳监测的最新技术手段，把光纤监测主机放置于井下采区变电所内与井下环网相连接，以实现系统集中的传输和管理。把光缆从监测主机敷设到采空区的工作面顶部位置，共计2 条线路，分别是由采区变电所自采空区进、回风巷道两条。施工完成后，可以帮助企业建立起统一、高效、实时在线的防范安全管理体系，通过网络化集中管理的运行模式，把井下各部门贯穿起来，从而对井下采空区实现实时在线的监测预警。

针对麻家梁矿采空区情况，全光纤综合在线监测技术功能如下。

（1） 实现采空区发火实时在线监测预警。

（2） 实现在线定温定位报警，温差报警及温升速率的报警。

（3） 实现采空区在封闭后的一氧化碳、瓦斯浓度情况的实时在线监测预警。

（4） 实现部门间业务协同、信息共享、多维分析，改善日常管理工作模式、流程及效果。

（5） 采空区在线检测预警系统支持TCP/IP 接口，可以并入集团环网和数字化矿山相结合提高网络资源使用率，表现更加直观。

表1 技术优势对比Table 1 Comparison of the advantages for beam tube monitoring system

2.6 搭建工业以太环网

煤矿井下工业以太环网需要经过特别设计，才能提供工业级的可靠性和稳定性，以满足长期连续运行的需求。煤矿综合自动化网络平台可以采用设备层+控制层+信息层三层结构模式，如图1 所示。

图1 三层网络示意Fig.1 Three-layer network

综合信息自动化控制平台的主干网结构采用环形工业以太网，主干网传输介质为光纤，采用工业以太网交换机进行数据交换。地面、井下连接成一个光纤环网，在控制中心机房通过高性能的工业级核心交换机连接起来，构成一个统一的矿井监控信息子网，该子网运行在一个相对独立的网段中，通过隔离网闸与以后建立的矿企业网（也即是信息网络） 隔离。

按照各部分在系统体系所处的层次，该监测系统模块可划分为4 个子系统。①光纤传感器子系统；②数据采集子系统；③数据传输子系统；④数据处理。

各系统间通过网络有机的联系起来，系统整体架构如图2 所示。

图2 系统整体架构Fig.2 Overall structure of the system

2.7 系统设备

所需系统设备少、方便维护，系统设备见表4。

3 应用实践

（1） 该项技术已实际应用于麻家梁矿井下14201 采空区密闭墙内的标志性气体和温度监测，且系统运行稳定。同时，结合麻家梁矿的安全预防需求，运用此项技术，实时动态监测井下14201 采空区内沿光纤区域的温度、一氧化碳和瓦斯浓度的变化规律，为麻家梁矿采空区温度和标志性气体灾害预测预报提供所需的可靠数据，为掌握采空区自然发火规律提供有效的技术手段。该项技术为麻家梁矿采空区预测预报方面减少人工、构筑和注浆成本共140 万元。

（2） 通过该项监测技术在麻家梁矿14201 采空区密闭墙内的应用，成功指导了实践，将危险隐患消除在萌芽状态，保证了矿井的安全生产。为下一步全矿井乃至集团公司其它矿井采空区气体监测提供了有力的技术依据，为采空区密闭墙内气体的预测预报信息采集方面的推广奠定了坚实的基础。

表4 系统设备Table 4 System equipment

4 结 论

该技术虽在14201 采空区密闭内气体预测预报方面使用效果良好，但在日常运行中仍存在不足。

（1） 由于使用光纤直接将传感器接入采空区密闭墙内，光纤铺设线路长，日常维护不方便。

（2） 传感器直接进入采空区内，如果出现数据不准或故障，无法更换、维修。

（3） 地面主机监控数据未接入矿井安全监控系统，不能实时比照环境内传感器监测数据进行区域分析。

今后将在传感器和光纤的维护方面以及监测数据的融合分析方面开展进一步的研究，进行矿井采空区内气体、温度及其它危险因素的准确监测，为矿井安全生产提供有效准确的技术支持。