基于光纖傳感技術(shù)的老石旦礦火區(qū)探測研究

程根銀，任 強，齊黎明，徐會軍，周 勇

(1.華北科技學(xué)院 安全工程學(xué)院，北京 東燕郊 065201；2.國家能源集團 科技部，北京 100824；3.國家能源集團烏海能源公司，內(nèi)蒙古 烏海 016062)

煤炭自燃溫度探測法是一種可以直觀反映煤層中溫度場分布的有效探測方法，該法把測溫傳感器預(yù)埋或通過鉆孔布置在易自燃發(fā)火區(qū)域，根據(jù)傳感器的溫度變化來確定各點的位置的溫域、發(fā)展變化速度，優(yōu)點是受外界干擾少、測定準(zhǔn)確，若煤溫發(fā)生改變以及傳感器位置合適，則可以對做到有效探測，盡管此種探測法測定準(zhǔn)確、可靠，彌補了上述一些探測方法的不足[1]，存在一些問題值得研究：傳感器的布置是探測自燃高溫區(qū)域的關(guān)鍵，數(shù)量、位置的準(zhǔn)確性決定控制自燃區(qū)域高溫點的有效性[2]。采空區(qū)溫度探測技術(shù)應(yīng)用研究有多種方法，段西凱利用FLUENT對采空區(qū)溫度場進行正逆雙向模擬比較與印證，確定采空區(qū)隱蔽火源位置，將二次對比分析的誤差降至最小[3]；秦躍平等從采空區(qū)熱源入手，運用數(shù)值軟解算出在不同工作面阻力、原始巖溫下采空區(qū)熱風(fēng)的運移規(guī)律，并對解算結(jié)果進行了分析[4]。以上研究內(nèi)容僅從某個角度解釋了礦井采空區(qū)自燃隱患的產(chǎn)生機理，并未將數(shù)值模擬、實驗室實驗與現(xiàn)場試驗聯(lián)合確定采空區(qū)“三帶”位置。

由于煤的導(dǎo)溫系數(shù)較小，要準(zhǔn)確測定煤溫、確定自燃位置，須布置相當(dāng)數(shù)量傳感器，因此可以將測量范圍更廣、施工更便捷的光纖測溫系統(tǒng)應(yīng)用到火區(qū)溫度探測[5]。通過光纖測溫系統(tǒng)實驗室驗證，表明光纖測溫技術(shù)能夠?qū)崿F(xiàn)精確、連續(xù)測試采空區(qū)溫度變化，可以為分析和判斷采空區(qū)自然發(fā)火規(guī)律提供良好數(shù)據(jù)資料[6，7]。老石旦礦煤質(zhì)具有自燃傾向性，原煤含硫量大于0.37%，揮發(fā)份大于27%，個別煤層原煤硫份大于2%，易于氧化發(fā)熱，引起煤層膨脹破裂，擴大氧化面、加快氧化速度，煤層溫度升高為煤層自燃創(chuàng)造條件。采空區(qū)存在遺留的碎煤、煤塵及煤矸石極易產(chǎn)生煤層自燃隱患；由于老石旦煤礦開采年代較長，井下巷道漫長且通風(fēng)系統(tǒng)相對復(fù)雜，容易造成采空區(qū)漏風(fēng)，使工作面自燃危險性顯著增加[8]。

1 采空區(qū)光纖傳感探測技術(shù)

1.1 煤礦采空區(qū)火災(zāi)監(jiān)測系統(tǒng)

根據(jù)煤礦的實際特點，多通道煤礦采空區(qū)光纖分布式溫度監(jiān)測系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。在地面機房主要放置數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)和分布式光纖測溫主機裝備，光路在此進入光纜后沿井下巷道布設(shè)到16401回采工作面。多通道煤礦采空區(qū)光纖分布式溫度監(jiān)測系統(tǒng)包括：用戶終端、數(shù)據(jù)服務(wù)器、分布式光纖測溫主機、光纖接續(xù)盒以及傳感光纖和引纖裝置等。而分布式光纖測溫主機由激光光源、光電檢測和處理模塊、光學(xué)系統(tǒng)、數(shù)據(jù)處理模塊組成。

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

1.2 傳感光纖

傳感光纖是指放入采空區(qū)內(nèi)監(jiān)測溫度的傳感設(shè)備。由于傳感光纖可能受到采空區(qū)內(nèi)頂板落物的沖擊，因此除易于生產(chǎn)和施工之外，光纖應(yīng)承受一定拉伸力和沖擊力。涂覆層是傳感光纖的第一保護層，鎧裝層是光纖第二保護層，鎧裝層與涂覆層間有一定間隙以降低外部沖擊和拉伸力；抗拉層使傳感光纖能夠承受一定拉力，使之在受到浮煤的壓力后從導(dǎo)線裝置中順利拉伸[9-12]，傳感光纖的結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 傳感光纖組織圖

2 采空區(qū)光纖傳感探測現(xiàn)場應(yīng)用

2.1 現(xiàn)場方案

由于采空區(qū)內(nèi)無法人工全面維護，為準(zhǔn)確測量采空區(qū)溫度分布范圍以及防止光纖被煤矸石而導(dǎo)致系統(tǒng)失效，采用三路光纖管路對采空區(qū)內(nèi)溫度分布情況進行檢測，其中在16401運輸巷鋪設(shè)一路，16401回風(fēng)巷鋪設(shè)另外倆路。光纜沿巷道煤壁鋪設(shè)且距離底板1m左右，每隔1m固定于防護網(wǎng)，固定時保證光纜保持一定松弛度；工作面外部沿通信線纜掛鉤鋪設(shè)至分站位置，不得與高壓電纜綁在一起，鋪設(shè)的光纜應(yīng)有適當(dāng)?shù)乃沙诙?，防止意外受力或自由墜落時損傷光纜[13-15]。

本文采用光纖傳感技術(shù)探測老石旦煤礦采空區(qū)溫度變化情況，預(yù)先將光纜沿兩工作面巷道布設(shè)完畢，對采空區(qū)、采煤工作面以及工作面巷道等處的環(huán)境溫度變化實施在線監(jiān)測，同時對高溫隱患點實現(xiàn)準(zhǔn)確定位。感溫光纜可以沿井下采空區(qū)巷道敷設(shè)至采空區(qū)工作面，實時監(jiān)測沿途環(huán)境溫度分布趨勢，采空區(qū)溫度升高時可以發(fā)出預(yù)警信息，為生產(chǎn)管理者及時采取防治火措施提供決策。

16401工作面采空區(qū)溫度監(jiān)測系統(tǒng)框架如圖3所示。

圖3 16401工作面采空區(qū)溫度監(jiān)測系統(tǒng)框架示意圖

2.2 監(jiān)測結(jié)果分析

16401工作面采空區(qū)內(nèi)光纖測點溫度隨推進距離的記錄如圖4所示。

圖4 采空區(qū)內(nèi)光纖測點溫度隨工作面推進距離分布圖

據(jù)圖4可知，隨采空區(qū)縱深發(fā)展，在距離工作面相對較近的范圍內(nèi)溫度有一定浮動，但變化不明顯，歸因于遺煤發(fā)生反應(yīng)生成的熱量能得到及時的擴散；以距離工作面約54m處為界限開始，溫度變化幅度相對增大，解釋為氧化升溫帶內(nèi)的溫度根據(jù)煤的氧化反應(yīng)的進行程度而表現(xiàn)出不同的數(shù)值；距離工作面約78m處開始，溫度變化回歸曲線明顯有所抬升，該區(qū)域內(nèi)氧氣濃度偏低，采空區(qū)遺煤氧化反應(yīng)受到限制，反應(yīng)熱的積累速度高于散熱速度，形成“窒息帶”。

3 采空區(qū)光纖傳感系統(tǒng)數(shù)值模擬

16401工作面運輸巷風(fēng)量為640m3/min，回風(fēng)巷風(fēng)量為660m3/min。運用FLUENT軟件構(gòu)建數(shù)學(xué)模型，完成空氣流場、氧氣濃度分布、采空區(qū)溫度場等計算內(nèi)容，形成的計算模型及網(wǎng)格劃分如圖5所示。

圖5 計算模型及網(wǎng)格劃分

沿垂直方向、距離底板1.5m截面(y=1.5m)和沿采空區(qū)深度方向不同截面(z=10m、20m、40m、80m、140m)采場速度、壓力及溫度等分布云圖分別如圖6—8所示。

圖6 速度場云圖及漏風(fēng)風(fēng)速“三帶“分布(y=1.5m截面)

結(jié)合圖6和圖8可以看出：距離回采工作面約50m范圍內(nèi)為散熱帶；50～85m為氧化自然帶；超過85m的區(qū)域為窒息帶。

圖7 O2濃度場云圖(y=1.5m截面)

圖8 溫度場云圖(y=1.5m截面)

結(jié)合O2濃度場云圖與溫度場云圖分析，在采空區(qū)進風(fēng)側(cè)散熱帶范圍約為0～90m，氧化自然帶范圍約為90～110m，超過110m的區(qū)域為窒息帶；采空區(qū)回風(fēng)側(cè)散熱帶范圍平均為0～50m，氧化自然帶范圍約為50～88m，超過88m的區(qū)域為窒息帶；將現(xiàn)場實測值輸入至CFD軟件中，即可得到模擬計算結(jié)果，再將其與實驗室實測值進行對比，得到對比結(jié)果如圖9所示。

圖9 模擬結(jié)果與實測結(jié)果對比

可以看出：實測值和計算值的分布規(guī)律存在差異與一定的相關(guān)性，對光纖測溫效果進行實驗測試，對比分析所測得數(shù)據(jù)，其誤差在2℃以內(nèi)，滿足采空區(qū)溫度測量精度要求，變化趨勢是一致的。計算過程中假設(shè)經(jīng)過防滅火技術(shù)的綜合作用下多數(shù)漏風(fēng)源得到很好地防堵，但實際生產(chǎn)中漏風(fēng)量高于計算時的情況，致使實測時受到風(fēng)速的影響大，帶走更多熱量，所以升溫較慢。隨著工作面推進，實測情況下，漏入采空區(qū)的空氣多，氧氣較充分，采空區(qū)煤炭氧化釋放的熱量也多，所以溫升略高于計算值。

4 結(jié) 論

1)基于光纖技術(shù)的采空區(qū)分布式溫度在線監(jiān)測系統(tǒng)，對采空區(qū)內(nèi)溫度進行了實時在線監(jiān)測，對老石旦煤礦16401工作面進行了準(zhǔn)確的“三帶”劃分：距離推進工作面0～54m范圍為散熱帶，54～88m為氧化自燃帶，超過88m進入到窒息帶。利用分布式光纖測溫系統(tǒng)，可監(jiān)測光纖光纜沿線的溫度分布，通過軟件可以實時定位、顯示采空區(qū)的溫度分布情況，為采空區(qū)內(nèi)自然發(fā)火情況進行了有效監(jiān)控，為煤礦井下防火安全提供依據(jù)。

2)通過理論分析，可以看出光纖測溫系統(tǒng)具有其獨特的優(yōu)點具有自定位功能，其故障點易于查找，在線監(jiān)測可以實現(xiàn)對光纖沿線各點溫度的實時記錄，相對于傳統(tǒng)的電子傳感器來說，光纖傳感器部分無需電源，其安全性和適應(yīng)能力大為提高。

3)光纖傳感技術(shù)的有效測試距離一般都在8km(多模光纜)或20km(單模光纜)以上，對應(yīng)的有效測試點可以達到數(shù)千或上萬個，采用多通道主機，其監(jiān)測覆蓋面可以達到全部機電設(shè)備。對于監(jiān)測距離長，測試點多的應(yīng)用，光纖傳感系統(tǒng)則體現(xiàn)出了極大的優(yōu)勢。