采空區(qū)光纖測溫技術的運用

李勇軍，任梅青，郝 宇

(1.重慶南桐礦業(yè)有限責任公司 通風瓦斯部，重慶 400802；2.中煤科工集團重慶研究院有限公司火災爆炸研究分院，重慶 400037)

0 引言

目前國有煤礦中60%以上的礦井開采煤層具有自燃傾向性。采空區(qū)遺留煤炭自然發(fā)火是煤礦開采過程中的主要隱蔽致災因素之一。隨著礦井的不斷延深和開采強度的加大，通風系統(tǒng)愈加復雜，使得煤層自燃危險性有明顯增大的趨勢，其中采空區(qū)煤炭自然發(fā)火占很高比例，且難以處理[1-2]。目前國內(nèi)外對采空區(qū)自然發(fā)火傾向的預測和監(jiān)控措施主要是通過束管系統(tǒng)抽取氣樣到地面，或人工在工作面隅角、回風巷收集氣樣，對標志性氣體進行分析預警，缺乏實效性和直觀性，也不能準確判別高溫異?；虬l(fā)火區(qū)域位置，存在一定的局限性。采用的光纖測溫裝置能夠連續(xù)、密度高地進行監(jiān)測采空區(qū)的溫度，不存在盲點，檢測的信號傳輸距離遠，適于在采空區(qū)復雜環(huán)境中使用，尤其適用于高瓦斯礦井綜放開采采空區(qū)溫度場的監(jiān)測預警，具有較好的經(jīng)濟價值和社會價值[5]。

因此，在工作面回采過程中，對工作面進風巷、回風巷及采空區(qū)等區(qū)域進行溫度監(jiān)測，及時發(fā)現(xiàn)溫度異常，將煤的自燃抑制在早期階段，對預防采空區(qū)(工作面)自然發(fā)火具有重要意義。

1 工作面概況及煤炭自燃過程

1.1 工作面概況

東林煤礦3409一段采煤工作面位于礦井北翼三水平第五采區(qū)，煤層厚度為2.4～2.7 m，平均厚度2.4 m，中部松軟，易破碎呈粉狀，傾角76°～86°，傾向東傾。工作面布置有-75 m風巷、-130 m機巷，采用“U”型下行通風，即由-75 m風巷回風，由-130 m機巷進風。采取區(qū)內(nèi)后退式開采、俯偽斜柔性掩護支架采煤法采煤，落煤工藝為爆破加風鎬落煤。所采4#(K3)煤層自燃傾向性為Ⅱ級(自燃)，最短發(fā)火期為66 d，其特性見表1。

表1 工業(yè)分析及自燃傾向等級鑒定結果

1.2 煤炭自燃過程

理論研究表明煤的自燃分為3個階段：①煤在低溫的條件下，能吸附氧生成不穩(wěn)定的化合物，放出少量的熱，這種氧化過程十分隱蔽，稱其為潛伏期；經(jīng)過該階段后，煤的氧化過程加速，發(fā)熱量增加，如果不能及時散熱，就會加速煤的自燃；②在煤的自然溫度繼續(xù)升高至臨界溫度(70～80 ℃)以上，氧化急劇加快，當煤的溫度迅速升至300～500 ℃時，將會發(fā)生燃燒現(xiàn)象，H2、CO、水蒸汽等征兆性氣體出現(xiàn)，該階段是防止隱患升級的有利時期；③當溫度達到800～2 000 ℃時，煤的燃燒就會出現(xiàn)明火，此時基本就沒有辦法施救，只能被迫封閉工作[3-4]。

2 KJ711分布式光纖測溫度系統(tǒng)

2.1 基本原理

采用同一芯光纖作為溫度信息的傳感和傳導介質，利用光纖拉曼(Raman)散射光譜的溫度效應測量光纖所在的溫度場信息，測量誤差±0.1 ℃；同時運用光纖的光時域反射(OTDR)技術對測量點進行定位的一種新型溫度傳感系統(tǒng)，定位誤差±1 m。其檢測光纖具有不帶電、抗射頻和電磁干擾，防燃、防爆、抗腐蝕，能在有害環(huán)境中安全運行和快速多點測量并定位等特點[5-6]。

2.2 系統(tǒng)構成

KJ711系統(tǒng)主要由監(jiān)控主機(KJ711監(jiān)控軟件)、KJ711-F測溫分站、網(wǎng)絡交換機、測溫光纜、通信光纜和其他必要設備組成[7-8]，如圖1所示。

圖1 分布式光纖測溫系統(tǒng)連接示意圖

3 方案實施

3.1 設備布置

KJ711-F光纖測溫分站放置于七石門，采用通訊光纜連接三石門井下環(huán)網(wǎng)交換機并入井下現(xiàn)有環(huán)網(wǎng)，同時將測溫光纜從工作面引至測溫分站進行監(jiān)測，數(shù)據(jù)通過環(huán)網(wǎng)進行數(shù)據(jù)上傳地面監(jiān)控中心。

沿3409工作面進風巷、切割至回風巷敷設1條環(huán)型感溫光纖，直接對采場全域進行溫度監(jiān)測，如圖2所示。

圖2 東林煤礦采空區(qū)光纖測溫系統(tǒng)布置圖

3.2 感溫光纖

為防止采空區(qū)冒落矸石砸壞光纖，確保其具有較高的抗壓與抗拉力，以增強感溫光纜在采空區(qū)的抗破壞能力，采用了新型雙層鎧裝鋼絲結構的DFC-2SW型感溫光纖，具體參數(shù)見表2。

3.3 敷設要求

在進、回風巷兩側每隔1～2 m打深度不小于3 m的錨桿，將感溫光纜固定在錨桿上，并進行掩埋處理，防止感溫光纜位移，保證定位的準確性。在感溫光纖走向改變或轉角處，敷設弧度必須滿足感溫光纖最小半徑要求(感溫光纜半徑的20倍)。采空區(qū)感溫光纜采用直埋敷設的方式。

表2 DFC-2SW型感溫光纖技術參數(shù)

4 系統(tǒng)功能

4.1 實時數(shù)據(jù)監(jiān)測

系統(tǒng)可24 h連續(xù)對3409工作面及采空區(qū)進行溫度監(jiān)測，并每隔15 s進行一次數(shù)據(jù)上傳，真正實現(xiàn)了對采空區(qū)溫度的實時在線監(jiān)測，如圖3所示。

圖3 采場溫度監(jiān)測實時圖表

從圖3曲線可以看出不同區(qū)域的溫度變化，如巷道溫度較低，基本保持恒定；采煤工作面溫度相對較高，溫度變化相對較大，與現(xiàn)場實測情況相符。

4.2 某監(jiān)測點數(shù)據(jù)連續(xù)監(jiān)測

系統(tǒng)實現(xiàn)了對3409工作面采空區(qū)溫度的實時連續(xù)監(jiān)測，如圖4為某點連續(xù)5 d的溫度數(shù)據(jù)，通過監(jiān)測系統(tǒng)，可以直觀地觀測到重點防滅火區(qū)域的溫度變化情況，并在溫度升高、異常時能提前采取措施進行防治。

圖4 某監(jiān)測點溫度時間曲線對比圖

4.3 歷史數(shù)據(jù)查詢

系統(tǒng)可查詢出井下工作面及采空區(qū)在規(guī)定時間段的遙測歷史數(shù)據(jù)，并以曲線的方式在界面上顯示出來，以更加形象的方式來分析遙測歷史數(shù)據(jù)，如圖5所示。同一設備不同測點的曲線可用不同顏色顯示便于查看。

圖5 歷史曲線查詢

4.4 監(jiān)測效果

采用礦用KJ711分布式光纖測溫系統(tǒng)對東林煤礦3409工作面及采空區(qū)進行溫度監(jiān)測不僅彌補了現(xiàn)有監(jiān)測手段的不足，還能達到如下效果：①連續(xù)監(jiān)測整個工作面及采空區(qū)的溫度變化，不再是局部點的監(jiān)測，彌補了過去傳統(tǒng)人工定點測溫及礦井安全監(jiān)測系統(tǒng)溫度測點較少的不足；②全天24 h不間斷監(jiān)測，每隔15 s對工作面采空區(qū)溫度進行監(jiān)測一次，并實時顯示當前溫度數(shù)據(jù)，真正做到對3409工作面采空區(qū)溫度的實時在線監(jiān)測；③對隱患點精確定位，其定位精度為1 m，并能在圖形上直觀顯示，為排查隱患節(jié)省時間，進而將隱患控制在萌芽狀態(tài)；④采用分區(qū)設置，對不同區(qū)域位置進行區(qū)別對待，并且能對任一溫度監(jiān)測點繪制趨勢曲線，為早期預防提供數(shù)據(jù)依據(jù)；⑤與現(xiàn)有監(jiān)測措施結合，對采空區(qū)浮煤自燃進行綜合預警，提高預警的及時性和準確性，為采空區(qū)隱蔽致災因素防治奠定扎實的理論與實踐基礎[9-10]。

5 結語

采空區(qū)分布式光纖測溫度系統(tǒng)是采空區(qū)煤溫監(jiān)測及自然發(fā)火預警領域最新發(fā)展的一種技術，具有范圍廣、實時性、適應惡劣環(huán)境等特點，很好地解決了點式測溫等傳統(tǒng)的測溫方法存在的溫度監(jiān)測點有限，傳感器易氧化、易腐蝕的缺點，彌補了標志性氣體分析方法預警的不足， 并且能對采集的溫度數(shù)據(jù)進行趨勢分析，及時準確地對采空區(qū)隱患進行預測預警，降低采空區(qū)自然發(fā)火的風險，提高了井下作業(yè)的安全性。