基于光纖測溫技術(shù)判定采空區(qū)自燃危險(xiǎn)區(qū)域的研究

曹文輝，王 飛

(1.太原理工大學(xué) 安全與應(yīng)急管理工程學(xué)院，山西 太原 030024； 2.山西省煤礦安全研究生教育創(chuàng)新中心，山西 太原 030024)

隨著我國煤炭需求的不斷增加，各大煤礦紛紛采用機(jī)械化采煤方法來加快采煤速度，從而導(dǎo)致了礦井采空區(qū)遺煤大量堆積，煤自燃危險(xiǎn)性明顯增高，而一旦發(fā)生自燃，輕則影響生產(chǎn)進(jìn)度，造成經(jīng)濟(jì)損失，重則導(dǎo)致嚴(yán)重的安全事故，威脅井下工作人員的生命安全。根據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)顯示，全國具有煤層自燃傾向性的礦井占總量的半數(shù)以上[1]，客觀上增加了煤礦火災(zāi)防治的難度。目前國內(nèi)外學(xué)者對采空區(qū)危險(xiǎn)區(qū)域的判定方法主要有建立采空區(qū)模型進(jìn)行數(shù)值計(jì)算[2-6]及現(xiàn)場測定，其中現(xiàn)場測定方法主要有指標(biāo)氣體分析法[7-9]、示蹤氣體法[10-11]、測溫法[12-13]。指標(biāo)氣體分析法主要通過束管監(jiān)測系統(tǒng)及人工采樣分析等方法來分析各類指標(biāo)氣體，并通過煤自燃過程中氣體濃度及種類的變化對煤自燃狀態(tài)做出預(yù)測；示蹤氣體法主要通過某一溫度下易于熱分解的氣體與SF6同時(shí)釋放，通過測定其分解物，間接判斷隱患點(diǎn)自燃狀態(tài)；測溫法主要采用的有熱電偶、測溫電阻等，近年普遍使用的為紅外測溫儀，并在國外得到了成功的應(yīng)用。除此之外，還有一些其他方法對采空區(qū)自燃狀態(tài)進(jìn)行探查[14-17]。綜上所述，前人對采空區(qū)火災(zāi)監(jiān)測手段進(jìn)行了較為細(xì)致的研究，但經(jīng)過總結(jié)分析，其測定方法還存在一定的缺陷。筆者基于光纖傳感測溫手段來測定采空區(qū)溫度，并通過束管監(jiān)測手段進(jìn)行驗(yàn)證分析，為今后的采空區(qū)危險(xiǎn)區(qū)域劃分及高溫點(diǎn)精確定位提供依據(jù)。

1 光纖測溫原理及依據(jù)

1.1 光纖測溫原理

分布式光纖測溫系統(tǒng)主要具備感溫、測溫、信號發(fā)射、信號傳輸、信號解調(diào)、監(jiān)控報(bào)警等功能，主要結(jié)構(gòu)單元包括光波發(fā)射單元、光波分復(fù)用單元、數(shù)字信號處理單元等。激光控制器發(fā)出預(yù)定頻率的電脈沖，隨后激發(fā)半導(dǎo)體激光器發(fā)射預(yù)定頻率的激光脈沖，并通過雙向耦合器進(jìn)入測溫光纖。光脈沖在光纖中傳播至測量點(diǎn)發(fā)生拉曼散射，散射光攜帶光電信息返回雙向耦合器，并分別進(jìn)入預(yù)定的拉曼通道和瑞利通道。進(jìn)入拉曼通道的光波信號中的斯托克斯光波受濾波器過濾，僅保留攜帶溫度信息的反托斯克斯光波。隨后光波進(jìn)入信號處理單元，首先由光電轉(zhuǎn)換器將光波中攜帶的光信號轉(zhuǎn)換為電信號，再經(jīng)由信號放大器加大信號強(qiáng)度，從而提高探測靈敏度，加強(qiáng)后的信號由預(yù)先設(shè)定的溫度解調(diào)算法對溫度信息進(jìn)行解調(diào)處理，得到測量點(diǎn)的溫度信息。光纖測溫系統(tǒng)工作原理如圖1所示。

圖1 光纖測溫系統(tǒng)工作原理

1.2 光纖測溫依據(jù)

拉曼散射型光纖溫度傳感技術(shù)主要是根據(jù)光纖內(nèi)部光子在碰撞反射中的能量變化來推斷溫度的變化，不受其他外界參量的影響。因此在煤礦井下使用過程中，選取拉曼散射式光纖傳感技術(shù)對礦井采空區(qū)進(jìn)行測溫。

拉曼散射過程描述的光子在光纖內(nèi)傳播時(shí)，與光纖內(nèi)的SiO2發(fā)生碰撞，光子從SiO2中吸收能量致使光子能量增加，頻率增大，或者光子與SiO2發(fā)生碰撞，光子損失能量致使光子能量減少，頻率減小。而在光子與光纖發(fā)生能量交互時(shí)，會產(chǎn)生反向的散射信號。光時(shí)域反射原理如圖2所示。

圖2 光時(shí)域反射原理

設(shè)光子發(fā)生散射的點(diǎn)與發(fā)出點(diǎn)距離為L，則光子從發(fā)出到探測器接收散射信號共經(jīng)過2L的長度，光子在光纖中的傳播速度為v，散射光從發(fā)出到接收的時(shí)間為t，可得：

(1)

式中：c為光在真空中的傳播速度；n為光纖纖芯的折射率。

根據(jù)研究，光信號在光纖中傳播時(shí)，其功率隨距離的增加呈負(fù)指數(shù)衰減，具體關(guān)系如下：

Pout=Pine-αL

(2)

式中：Pout為輸出功率；Pin為輸入功率；α為光纖的損耗系數(shù)；L為距離。

可以根據(jù)接收的功率推算光子的傳遞時(shí)間，從而推算散射點(diǎn)位置，并根據(jù)功率與散射點(diǎn)的一一對應(yīng)關(guān)系，來實(shí)現(xiàn)對線性區(qū)間的測量。

2 基礎(chǔ)參數(shù)測試

對光纖測溫裝置(ZWX8-Z礦用隔爆兼本安型分布式光纖測溫主機(jī))基本性能參數(shù)(溫度精度，定位精度，響應(yīng)時(shí)間)進(jìn)行測試，具體測試方法如下頁所示,光纖測溫主機(jī)性能參數(shù)測試結(jié)果見表1。

表1 ZWX8-Z光纖測溫主機(jī)性能參數(shù)測試結(jié)果

1)溫度精度測試

溫度精度主要指光纖測溫主機(jī)所測溫度與實(shí)際溫度的誤差，是反映光纖測溫系統(tǒng)的可靠性主要指標(biāo)。將測溫光纖與測溫主機(jī)相連接，調(diào)節(jié)水浴箱溫度為25、40、55、70 ℃(1～4號測試點(diǎn))，使用測溫光纖分別對其溫度進(jìn)行3次測試，通過每組測量溫度與實(shí)際溫度對比，確定光纖測溫系統(tǒng)的溫度精度。測溫系統(tǒng)溫度精度分析如表2所示。

表2 測溫系統(tǒng)溫度精度分析 單位：℃

2)定位精度測試

定位精度主要指光纖測溫主機(jī)所顯示熱源位置與實(shí)際熱源位置的距離誤差，是反映光纖測溫系統(tǒng)精確性的主要指標(biāo)。將測溫光纖與測溫主機(jī)相連接，調(diào)節(jié)水浴箱溫度為60 ℃，將測溫光纖10、20、30、40、50 m(1～5號測試點(diǎn))分別置于水浴箱中，讀取測溫主機(jī)所測溫度點(diǎn)距離，確定光纖測溫系統(tǒng)的定位精度。測溫系統(tǒng)定位精度分析如表3所示。

表3 測溫系統(tǒng)定位精度分析 單位：m

3)測溫響應(yīng)時(shí)間測試

測溫響應(yīng)時(shí)間是判斷光纖測溫時(shí)效性的主要參數(shù)。將測溫光纖與測溫主機(jī)相連接，調(diào)節(jié)水浴箱溫度為55、65 ℃，將測溫光纖置于水浴箱中并開始計(jì)時(shí)，記錄從光纖接觸水浴到測溫主機(jī)正確反映水浴溫度所耗時(shí)間，確定光纖測溫系統(tǒng)的測溫響應(yīng)時(shí)間。測溫系統(tǒng)響應(yīng)時(shí)間結(jié)果分析如表4所示。

表4 測溫響應(yīng)時(shí)間分析

3 現(xiàn)場試驗(yàn)及結(jié)果分析

3.1 試驗(yàn)區(qū)域概況

山西官地礦試驗(yàn)工作面開采2#煤層，煤厚約為0.4～3.0 m，煤層傾角1°～9°，平均傾角5°，在工作面中部的煤層產(chǎn)狀變化大。該試驗(yàn)工作面設(shè)計(jì)可采走向長714 m，傾向長度220 m，平均采高2.6 m，采用后退式采煤工藝，回采率為85%。該工作面采取“Y”型通風(fēng)方式。

3.2 采空區(qū)光纖的組成

由于煤礦井下采空區(qū)環(huán)境較為復(fù)雜，使用普通的測溫光纖容易被壓斷，從而導(dǎo)致測量信號傳輸中斷，所以埋入采空區(qū)的光纖需要進(jìn)行鎧化處理，但不能影響光纖的導(dǎo)熱性能。鎧化光纖結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 鎧化光纖結(jié)構(gòu)示意圖

3.3 采空區(qū)光纖的布置路徑

本次采用ZWX8-Z礦用隔爆兼本安型分布式光纖測溫主機(jī)系統(tǒng)對其進(jìn)行全面溫度監(jiān)測，并對終采線前200 m采空區(qū)光纖布置路徑進(jìn)行設(shè)計(jì)，即：將 1號測溫光纖預(yù)先沿運(yùn)輸巷呈線性鋪設(shè)；將2號光纖沿工作面傾向方向鋪設(shè)于液壓支架底部，隨后將一捆測溫光纖固定于液壓支架上，使其隨移架過程自動地沿工作面走向方向進(jìn)行鋪設(shè)，當(dāng)傾向鋪設(shè)長度達(dá)到50 m左右時(shí)，將其再次沿液壓支架底部向工作面傾向方向鋪設(shè)且重復(fù)上述操作，使其在采空區(qū)內(nèi)部呈“己”字形鋪設(shè)至鋪設(shè)完畢，實(shí)現(xiàn)對采空區(qū)內(nèi)部環(huán)境溫度的實(shí)時(shí)監(jiān)測，并實(shí)現(xiàn)對高溫點(diǎn)的精確定位。隨著工作面的開采，測溫光纖逐漸被埋入采空區(qū)，實(shí)現(xiàn)對采空區(qū)溫度的持續(xù)實(shí)時(shí)監(jiān)測，從而為管理者決策提供依據(jù)。該工作面采空區(qū)測溫光纖布置路徑如圖4 所示。

圖4 采空區(qū)測溫光纖布置路徑

為了防止光纖損壞，在鋪設(shè)過程中采用冗余鋪設(shè)，即同一線路鋪設(shè)2條測溫光纖，其中一條備用，且在鋪設(shè)過程中對其易于受砸位置包裹電纜皮予以保護(hù)，降低其損壞率。

3.4 監(jiān)測結(jié)果分析及驗(yàn)證

3.4.1 結(jié)果分析

從光纖埋入到工作面推進(jìn)200 m后，對采空區(qū)內(nèi)部的光纖測溫?cái)?shù)據(jù)進(jìn)行收集整理，選取連續(xù)3日生產(chǎn)班溫度對其進(jìn)行匯總制圖，測溫結(jié)果如圖5 所示。

(a)1號光纖

由圖5可知：1號測溫光纖從35 m處開始，溫度明顯高于地溫，且溫度呈現(xiàn)較為明顯的上升趨勢，90 m 處達(dá)到溫度的峰值23.9 ℃，隨后溫度逐步下降，在110 m處明顯脫離高溫區(qū)域，至120 m處溫度已基本接近地溫，隨后溫度趨于并低于地溫；2號光纖前220 m溫度都保持在18 ℃以下，從240 m處開始溫度出現(xiàn)升高且上升趨勢明顯，在500 m處達(dá)到第一個(gè)小峰值24 ℃左右，保持一定溫度波動區(qū)間后持續(xù)上升，在600 m處達(dá)到整個(gè)采空區(qū)溫度峰值25.6 ℃，其后溫度有所下降，在720 m處溫度明顯脫離高溫區(qū)域且快速下降，且于750 m外趨于地溫。

通過溫度對采空區(qū)自燃“三帶”進(jìn)行劃分：當(dāng)溫度明顯高于地溫且出現(xiàn)較為顯著的上升趨勢時(shí)，則認(rèn)為該位置處于自燃帶；當(dāng)溫度不斷降低且逐步接近地溫甚至低于地溫時(shí)則認(rèn)為處于窒息帶。

該工作面采空區(qū)自燃“三帶”分布情況為：35 m以內(nèi)為散熱帶；35～110 m內(nèi)為自燃帶，運(yùn)輸巷一側(cè)自燃帶延伸至120 m處；110 m以外為窒息帶。且采空區(qū)內(nèi)部高溫區(qū)域出現(xiàn)在距離工作面80～100 m內(nèi)，高溫點(diǎn)出現(xiàn)在采空區(qū)距工作面100 m，距離運(yùn)輸巷50 m處。

3.4.2 結(jié)果驗(yàn)證

為了驗(yàn)證光纖測溫結(jié)果的準(zhǔn)確性，通過在采空區(qū)鋪設(shè)束管監(jiān)測系統(tǒng)進(jìn)行同步監(jiān)測，主要測定采空區(qū)大約150 m范圍內(nèi)O2體積分?jǐn)?shù)分布。取樣點(diǎn)間隔為50 m，上下巷道同時(shí)觀測，借以通過分析采空區(qū)O2體積分?jǐn)?shù)分布，從而判斷工作面自燃“三帶”的分布。束管布置路徑及測點(diǎn)位置如圖6所示。

圖6 束管布置路徑及測點(diǎn)位置圖

由于該工作面在測量周期內(nèi)基本沒有自燃?xì)怏w產(chǎn)生，故束管監(jiān)測系統(tǒng)數(shù)據(jù)只取O2體積分?jǐn)?shù)進(jìn)行分析，并借此對采空區(qū)自燃“三帶”進(jìn)行劃分。該工作面各測點(diǎn)O2體積分?jǐn)?shù)測定結(jié)果如表5所示。

表5 各測點(diǎn)O2體積分?jǐn)?shù)

以O(shè)2體積分?jǐn)?shù)7%～16%為自燃帶劃分指標(biāo)，由表5可知，該工作面采空區(qū)自燃“三帶”分布情況為：38 m內(nèi)為散熱帶，與光纖測溫所得結(jié)果35 m以內(nèi)為散熱帶基本相符；38～105 m為自燃帶，但由于老采空區(qū)漏風(fēng)問題，運(yùn)輸巷一側(cè)自燃帶延伸至120 m左右，與光纖測溫結(jié)果35～110 m為自燃帶基本一致；105 m以外為窒息帶，與光纖測溫結(jié)果110 m以外為窒息帶基本相符。

4 結(jié)論

1)通過分析測試結(jié)果，分布式光纖測溫技術(shù)溫度精度達(dá)到1 ℃，空間定位精度達(dá)到1 m，響應(yīng)時(shí)間在15 s以內(nèi)，可以實(shí)現(xiàn)對異常溫度點(diǎn)的快速精確定位。

2)通過分布式光纖測溫系統(tǒng)對礦井采空區(qū)進(jìn)行溫度監(jiān)測，能夠準(zhǔn)確快速地反映采空區(qū)內(nèi)部溫度實(shí)時(shí)變化情況。

3)根據(jù)分布式光纖的測溫結(jié)果，該礦井自燃“三帶”分布情況為：35 m以內(nèi)為散熱帶；35～110 m內(nèi)為自燃帶，運(yùn)輸巷一側(cè)自燃帶延伸至120 m處；110 m以外為窒息帶。與現(xiàn)場束管實(shí)測數(shù)據(jù)基本吻合，說明光纖測溫技術(shù)可以作為礦井采空區(qū)危險(xiǎn)區(qū)域判定的輔助工具。

4)通過實(shí)測發(fā)現(xiàn)，該工作面采空區(qū)高溫點(diǎn)位置為距工作面100 m，距離運(yùn)輸巷50 m處，高溫區(qū)域位置為距工作面80～100 m，有效彌補(bǔ)了束管監(jiān)測手段無法實(shí)現(xiàn)高溫點(diǎn)精確定位的不足。