采空区光纤分布式温度.doc

采空区光纤分布式温度在线监测系统实施方案 目 录1立项背景11.1概述11.2技术依据11.3系统设计依据3 1.3.1法律、法规及有关规定3 1.3.2技术标准31.4系统特点42系统建设目标53技术原理63.1测量原理63.2技术优势分析93.3技术指标124项目实施内容134.1实施地点135系统结构及实施方案155.1系统架构155.2实施方案176系统配置清单181立项背景1.1概述煤炭自燃是我国煤矿开采过程中的主要自然灾害之一，目前国有煤矿中有60%的矿井在开采具有自燃倾向性的煤层。随着近年来开采强度的增大，高产高效新技术的不断发展，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，以及通风系统的相对复杂化，使得煤层自燃危险性有明显增大的趋势。采空区煤炭自燃发火在矿井火灾中占有很高比例。目前对采空区内自然发火倾向的预测主要是通过束管系统抽取样气到地面，对标志气体进行分析预警；该手段欠缺实时性和直观性，束管易损伤漏气导致测量不准确。采空区分布式光纤测温安全监测系统利用先进的计算机技术、网络技术、光纤传感测控技术、光纤通讯技术，通过矿井分布式光纤测温系统实时在线监测采空区及回风巷（以下统称“采空区”）温度，旨在弥补标志气体分析方法预警的不足，既减小了由于束管长距离传输所带来的气体分析误差，又提高了实时性。可以及时准确的对采空区隐患进行预警，降低采空区事故风险，提高井下作业的安全性。1.2技术依据矿井发火隐患日趋严重、防火难度逐渐加大，要求矿井必须具有完善防火预警系统，矿井现多采用的GC4085型井下自燃发火束管监测系统对CH4、CO、O2气体含量进行实时自动监测，采样化验分析与人工观测相结合方式预警；GC4085型井下自燃发火束管监测系统处理采空自燃发火时高温点难以确定，灭火难度大、工作量大，束管极易损伤出现破损漏气而使测量结果不准确。同时，束管系统施工难度大，不便维护。煤的自燃分为三个阶段: 煤在低温的条件下，能吸附氧生成不稳定的化合物，放出少量的热，这种氧化过程十分隐蔽，称其为潜伏期；经过该阶段后，煤的氧化过程加速， 发热量增加，不能及时散热，就加速煤的自燃；如果煤的自热温度继续升高至临界温度（7080）以上，氧化急剧加快，煤的温度迅速，升至300500时，就会发生燃烧现象，H2、CO、水蒸汽征兆性气体出现，该阶段是防止隐患升级的有利时期；当温度达到8002000时，煤的燃烧就会出现明火，此时基本就没有办法施救，只能被迫封闭工作。因此，在工作面回采过程中，对工作面入风巷、回风巷及切眼位置进行温度监测、及时发现温度异常，将煤的自然抑制在早期阶段，对控制预防采空区（工作面）自然发火具有重要意义。光纤传感技术代表了新一代传感器的发展趋势。光纤传感器是以光波为载体，光纤为媒质，感知和传输外界被测量信号的新型传感器。光纤不带电、体积小、质量轻、易弯曲、抗电磁干扰、抗辐射性能好，本质安全，特别适合在易燃、易爆、空间受严格限制及强电磁干扰等恶劣环境下使用。对比于传统的检测方法，光纤传感监测系统有远程传输、多参数、大容量、实时在线、抗干扰、本质安全等优点，便于综合分析各方面的信息，能够大大提高现有安全监测及生产自动化水平。1.3系统设计依据1.3.1法律、法规及有关规定（1）中华人民共和国安全生产法（2002.11.01）；（2）煤矿安全规程；（3）煤矿安全监察条例；（4）煤矿安全监察管理体制改革实施方案（国办发1999104号文；（5）煤矿作业规程编制指南；（6）煤矿安全监控系统通用技术要求；（7）煤矿和非煤矿山安全评价导则；（8）煤矿安全质量标准；（9）信息技术软件包质量要求；（10）安全生产许可证条例（国务院令第397号，2004.01.13）。（11）中华人民共和国矿山安全法（1993.5.1）（12）最新的软件与安全监测技术。1.3.2技术标准（1）中华人民共和国通信行业标准长途通信干线光缆传输系统线路工程验收规范；（2）煤矿安全质量标准（3）重大危险源辨识（GB182182000）；（4）中华人民共和国矿山安全法实施案例（1996.10.11实施）（5）通讯管道施工标准。（6）煤矿安全监控系统通用技术要求；1.4系统特点光纤在线防火预警系统充分利用光纤传感技术的优势，结合人工采样数据对煤矿采空区（工作面）进行分布式温度、气体综合监测分析，为研究采空区自然发火的诱发及形成提供关键数据，预防、减少安全事故，为煤矿安全生产提供安全保障。该系统具有以下优点：（1）复用能力强，可实现对一线多点、两维点阵或空间分布的连续监测；（2）采空区发火点精准定位，误差小，显示直观，反应迅速。（3）光缆既是温度传感器又是信号传输通道，不再需要其它的测量或传输装置。（4）一根光缆能够提供多个测量点的信息，安装快捷简便且成本低廉，安装后长期使用且免维护；（5）光纤具有耐高温（能承受超过400高温）、抗腐蚀、阻水和长寿命的特质，适用于各种复杂有害或恶劣环境；（6）光纤具有抗电磁辐射干扰的特质，适合高压、复杂电磁等特殊环境使用，本质安全，不带电，不受外界电磁场干扰，长期漂移小；（7）火灾探测光缆为防静电光缆，并且是无电监测，不产生电火花，适用于煤矿、油库、军火库等易燃易爆危险区域环境；（8）光纤本身轻细纤柔，体积小，重量轻，不仅便于布设安装，而且对埋设部位的材料性能和力学参数影响甚小，能实现无损埋设；2系统建设目标随着我国煤炭事业的发展，高产、高效煤矿对生产过程监控、全矿井生产安全环境监测、生产过程信息综合利用等方面的网络化、自动化和智能化提出了更高的要求。本项目将光纤传感器应用于煤矿安全监测，特别是煤矿采空区内部环境的监测，将对采空区自然发火的预测预报起到重要作用。项目的实施为深入研究煤矿采空区发火机理，掌握自然发火预警规律提供有效的技术手段，对煤矿采空区灾害监测和控制有着重大意义。可以减少劳动量，提高工作效率，消除了人员检测数据误差，数据更准确，实时性更好。少打钻孔，节约大量的人力、物力、财力，可以分区定位、防治时重点更明确，有的放矢。上面采空区留设的测温光缆对下面采掘活动提供数据支持，使防灭火工作更加有效。3技术原理3.1测量原理系统采用拉曼散射原理和光时域反射技术实现温度和距离的测定。拉曼散射原理是依据光在光纤中传播过程中，产生后向拉曼散射光谱的温度效应。当入射的光量子与光纤物质分子产生碰撞时，产生弹性碰撞和非弹性碰撞。弹性碰撞时，光量子和物质分子之间没有能量交换，光量子的频率不发生任何改变，表现为瑞利散射光保持与入射光相同的波长；在非弹性碰撞时，发生能量交换，光量子可以释放或吸收声子，表现为产生一个波长较长的斯托克斯光和一个波长较短的反斯托克斯光。由于反斯托克斯光受温度影响比较敏感，系统采用以斯托克斯光通道作为参考通道，反斯托克斯光通道作为信号通道，有两者的比值可以消除光源信号波动、光纤弯曲等非温度因素，实现对温度信息的采集光纤测温的原理是依据后向拉曼（Raman）散射效应。图3.1 激光散射光谱分析光时域反射技术（即OTDR原理）是对空间分布的温度实现空间测量的理论基础。激光脉冲在光纤中传输时，在时域里，入射光经过背向散射返回到光纤入射端所需时间为t，激光脉冲在光纤中所走过的路程为2L，有： （1） （2）V为光在光纤中传输速度；C为真空中的光速；n为光纤折射率。图3.2 光纤后向散射原理示意图光纤分布式测温系统集光纤通讯、光纤传感、信号解调、报警控制等功能于一体。系统可分为五大组成部分：光信号发射模块、光信号接收模块、光波分复用模块、DSP数据处理模块以及定标控温模块。系统利用半导体激光器产生窄脉宽光脉冲信号进入光纤，经过光波分复用装置，将产生的拉曼散射光耦合至光电探测模块，由于受温度影响的反斯托克斯光信号很弱，采用双路微信号光电探测APD以及信号放大电路进行光信号和电信号之间的转换，将转换后相应的电压值经DSP高速处理芯片进行数据采集以及初步解调。 （3）其中，k为玻尔兹曼常数，h为普朗克常数；c为真空中的光速；k为波尔兹曼常数；v0为入射光频度；T为绝对温度。由上式可以看出，要得知光纤所处环境的实时温度T，必须知道T0，所以系统中引入一段定标光纤，对于固定的温度（控温模块定标温度）有： （4）所以有以上各式可以看出，温度信息T只是与光纤固定参数以及定标温度有关的量。图3.3 系统原理框图3.2技术优势分析煤矿为监测采空区自然发火情况，一般均采用束管系统，束管系统主要利用红外技术对井下气体成份的分析，实现CO、CO2、CH4、O2、N2（计算值）等气体含量的监测，对其含量变化情况进行预测。煤矿采空区分布式温度监测系统采用长距离矿用铠装光缆作为温度传感器，与传统的温度传感器相比具有本质安全，耐腐蚀，不受电磁干扰等优点，光缆沿走向敷设于井下巷道、工作面及采空区内，也可直接埋设于火灾隐患的高温区域，连续监测长距离大范围的环境温度信息，为煤矿井下温度监测等应用提供优质的温度监测方案。该系统的稳步分布可以用于确定发火点的位置，避免了由于束管漏气造成的误差，对指导防治火灾和保证工作人员安全具有重要意义，可为深入研究煤矿采空区发火机理和掌握自然发火预警规律提供有效的技术手段，对煤矿采空区灾害监测和控制有着重大意义。针对束管系统，该系统的优势对比如表1所示：表1 光纤分布式系统与束管系统的对比光纤分布式温度监测系统束管系统测量指标采空区温度采空区气体数据的实时性实时采集显示需要取气再进行分析，实时性差监测范围可监测最多8km长度的采空区内部温度情况密闭墙内10米以内的气体着火点定位可定位在着火点2m的范围无法定位反应速度感温光缆可在60s内检测到温度变化最快需要15分钟的分析时间检测方式现场检测需要将现场气体抽出在井上分析，容易出现漏气维护成本低高采样连续性可在回采过程中连续监测需在工作面开采完成后再进行监测由于采空区内为混合型气体，且分布不是均匀的，采空区上部和下部的气体浓度也不相同，这样束管系统抽采上来的气体不能准确的反映采空区内部真实的气体成分和浓度；同时，由于束管系统的抽气管路长，存在漏气的情况，束管内漏容易造成取样气体被稀释，分析出来的气体浓度偏低，束管外漏会造成一氧化碳、甲烷等有毒有害气体扩散到巷道内造成危险；束管系统不能跟随回采工作面进行连续监测，需要等回采完封闭后才能开始监测，连续性实时性较差。光纤采空区分布式温度在线监测系统则采用不带电的感温光缆作为传感器，能够真实有效的检测整个采空区内部的温度分布，而采空区的有害气体释放及自然发火等情况均与温度有直接的关系，所以对采空区进行温度的监测更具有直观性；本系统通过连续的监测，可以监视采空区从起火、自燃到灭火的整个过程，且可以观察记录起火的位置、范围大小等数据，对采空区自然发火的研究有重要意义；感温光缆可以在回采工作面的回撤过程中连续监测之前已经采完塌落的采空区内部的情况，而不需要等整个工作面采完后再对采空区进行监测。这些优点都是束管系统无法比拟和取代的。分布式采空区温度监测软件具有友好的中文操作界面，强大的数据处理和管理功能，具有以下特点：l l显示功能：可显示全程分区图及其温度分布曲线；可显示系统监测曲线、系统参数；可显示重点监测点的温度随时间变化曲线；l l报警功能：具有定温报警（设定最大温度/最低温度值）、差温报警（实时温度与平均温度差别过大，用于判别局部过热点）、温升过快报警、光纤破坏报警、装置异常等报警功能；可手机短消息报警，报警分工作级和管理级两层，按照事件的重要级别发送到工作层人员和管理层人员；l l分区测量：能对测量区域在长度上进行分区，至少可分为128个区，对某些区域进行局部重点监测和分区报警；l l查询功能：可以查询历史数据并显示或打印历史曲线；可以在系统图上直接查询设备信息、运行参数、统计信息等；l l分析功能：历史趋势显示，对未来趋势进行评估，提供检修参考信息；l l报表功能：提供强大的数据库保存功能，可以根据用户需要定制年报表、月报表、日报表等；用户也可定制各种表格：实时数据表、历史数据及统计报表、报警一览表等；l lTCP/IP 接入： 几个控制器的信号可以在一台PC机上分析处理，系统功能强而高效。系统采用长距离矿用铠装光缆作为温度传感器，与传统的电子温度传感器相比具有本质安全，耐腐蚀，不受电磁干扰等优点，光缆沿走向敷设于井下巷道、工作面及采空区内，也可直接埋设于火灾隐患的高温区域，连续监测长距离大范围的环境温度信息，为煤矿井下温度监测等应用提供优质的温度监测方案。该系统的稳步分布可以用于确定发火点的位置，避免了由于束管漏气造成的误差，对指导防治火灾和保证工作人员安全具有重要意义，可为深入研究煤矿采空区发火机理和掌握自然发火预警规律提供有效的技术手段，对煤矿采空区灾害监测和控制有着重大意义。3.3技术指标项目数值单位测温距离4km测温范围-30130温度分辨率0.1测温精度1测温响应时间60s空间分辨率2m信道数12-4项目实施内容4.1实施地点本项目实施地点为：-750水平1504采空区分布式温度监测。2、实施内容：项目实施内容为：工作面走向长度为200m，切向长度90m，在走向长度每隔7-8m敷设一条径向测温光缆，需要约2000m矿用测温光缆。人工采样气体数据调度室数据显示通防科数据显示集团相关部门Web数据发布矿用光纤分布式解调仪（12通道）安装在-510水平，采用660V供电井下环网交换机RJ45接口1504综采工作面7米1504回风巷铠装测温光缆：24芯5系统结构及实施方案5.1系统架构采空区分布式温度在线监测系统包括矿用光纤分布式测