基于分布式光纤测温技术的煤矿火灾监测系统设计

【摘要】随着我国煤矿采掘机械化和电气化程度的提高，煤矿火灾隐患也逐步增多。煤矿井下环境复杂，电气设备众多，一旦发生火灾，后果将不堪设想。文章分析了矿井火灾产生的原因及传统解决方案，提出了基于分布式光纤测温技术的煤矿火灾监测系统方案。结果表明，该系统与传统监测方法相比，具有监测精度高，范围广，系统维护工作量低等特点。

【关键词】光纤测温；煤矿；监测系统

1.引言

煤矿井下发生火灾是影响煤矿安全生产的重要因素之一。一旦发生火灾事故将很可能引发更大范围的灾难性安全事故，危害极大。据统计，全国煤矿矿井火灾事故以死亡人数统计计算，火灾只占1.52%，排在各类灾害的最后；但在一次死亡3人以上的各类事故中，以死亡人数计算，火灾事故却占到3.72%，仅次于瓦斯事故、顶板事故和水害事故，位居第四。 2002-2012年期间，因煤矿机电运输设备不完好、失爆或使用非阻燃、非防爆矿用设备等原因，导致瓦斯爆炸、火灾等特别重大事故18起、死亡1117人，分别占同期特别重大事故总起数的29.5%和死亡人数的32.2%。

2.矿井火灾原因分析

根据煤矿火灾发生引燃源的不同，可分为内因火灾和外因火灾。内因火灾一般是由煤炭自燃而引起的火灾，易发生在断层、煤柱、停采线、采空区等丢煤区，封闭不严的旧采区内。外因火灾是指由外部火源，如电气设备产生的电弧火花、电缆着火、瓦斯爆炸、放炮等而引起的火灾。煤矿井下敷设有大量的动力电缆，连接高压开关柜。这些电缆分布在巷道沿线，分别连接着各个电气设备，并连接到控制室，由于电缆集中敷设，一旦起火影响范围广，修复时间长，造成的损失大。煤矿井下一旦发生火灾事故将很可能引发更大范围的灾难性安全事故，危害极大。

3.矿井火灾监测技术发展

由于内因引发的煤矿火灾一般采用束管监测方法。具体方案是通过采集分析采空区内相关气体的浓度来判断采区内的状况。由于气体分析仪器一般设在地面，需在采空区与地面之间敷设长距离气体采样束管或人工采集气样。长距离束管管路容易破损漏点或由于积水、积尘导致而堵塞。管路破损漏点后影响分析结果，管路堵塞后难以故障处理，维护工作量大。就地采集气样工人不仅劳动强度大，而且时间滞后性大，不能及时反映采空区当前的状况。并且地面气体分析仪自动化程度低，对人员要求素质高。使用气相色谱仪进行气体分析时，对色谱图基线选取、检验方式是否正确等因素都直接影响到检测结果是否精确。

针对外因引发的煤矿火灾一般监测各机电设备或环境温度的温度变化来衡量各设备是否运转正常或区域环境温度是否正常。传统的温度检测方法主要有电子传感、红外传感、热成像仪和光纤传感技术等。电子传感技术无法应用于高压开关柜电气接点的监测，且在电缆沟内易受干扰，误报率极高。红外传感技术应用于高压开关柜，具有不易安装、受柜内电磁干扰误差较大的弊端；电缆沟内、煤仓内易受分成干扰，可靠性差。热成像仪具有产品造价高，依赖人工巡检，周期长，多个位置无法检测等缺点。而且上述方法均只能测一个点或很小范围的局部温度，如果对整个危险区域进行大范围连续监测，则系统造价成本很高。

采用烟雾传感器监测环境中烟雾浓度是监测煤矿火灾的另一种监测方法。但该方法也存在较大的滞后性。当巷道内充满烟雾时，矿井火灾已经发展到了较为难以治理的程度，同时已经产生大量有毒有害气体随风流向井下各地点扩散，具有一定的危险性。

火灾事故大部分是由于温度过高引起的，如果在火灾发生之前能及时、准确地监测电缆、机电设备、环境温度变化并发出预警，使用户有充分的时间采取相应的措施，这对避免事故发生尤为重要。矿井分布式光纤测温系统解决了前述方案的缺点，能够实时、连续、大范围的环境温度监测。

4.基于分布式光纤测温技术的煤矿火灾监测方案

系统由矿用感温光缆、矿用测温主机、报警装置、网络接入设备、地面监控主机组成。感温光缆沿煤矿井下巷道、带式输送机、大型机电设备或采煤工作面布置，采集机电设备或环境温度。测温主机对感温光缆采集的温度数据进行处理，显示。测温主机根据现场要求设定测量时间、报警阀值等；针对环境变化设置多个不同报警控制区域，每个单独的报警区域可设置不同的报警值。当温度达到报警值通过继电器信号输出至报警装置实现就地声光报警。测温主机与地面集控主机通过以太网连接，地面监控主机实时监测各测温主机温度信号，分析热量传播路径。

5.光纤测温主机开发

分布式光纤测温技术原理。如图2所示，光纤测温技术以光时域反射原理为基础。由激光器给光纤中注入一定能量和宽度的窄脉冲光脉冲，激光脉冲在光纤中向前传输的同时不断产生后向喇曼散射光波，这些后向喇曼散射光波的强度受所在光纤散射点的温度影响而有所改变。信号处理装置根据光纤中光波的传输速度和后向光回波的时间对温度信息定位。

窄脉冲光源是保证整个系统空间分辨率的前提条件，按理论计算10ns的脉冲宽度对应于1米的空间分辨率，要想空间分辨率做的小光源的脉冲宽度就要保证足够小。整个光源分为激光器、窄脉冲驱动源、温度控制电路等几部分组成，其核心部分为高精度的半导体激光器，然而半导体激光器是很脆弱的部件。在电路装配时受静电干扰影响，工作过程中受电压、电流的浪涌影响而极易被损坏，当电源被随意关闭或开启、或出现较快速电压波动时都会导致激光器永久性的损坏。使用脉冲激光光源及背光散射信号的窄带检测技术，具有更高的信噪比。

分布式光纤测温主机长期使用后会导致光源信号变弱，这将导致后向喇曼散射光强度变弱，从而导致最终计算出来的温度会有所变差；通常将测温主机发回厂家重新进行校准。为了避免重新进行校准，产品设计了一种自动校准方法。通过自动校准可根据光源发射出来光的强度自动对后端放大电路增益进行调整，确保放大电路输出的信号强度一致。

6.结语

随着我国煤矿采掘机械化和电气化程度的提高，煤矿火灾隐患也逐步增多。煤矿井下环境复杂，电气设备众多，一旦发生火灾，后果将不堪设想。矿井分布式光纤测温系统能够连续测量光纤沿线周围的环境温度，其测量范围广，温度空间准。系统能进行不间断的自动测量，维护工作量小。其采用感温光缆作为传感器，不需供电，安全性高，特别适合煤矿井下等恶劣环境。通过对煤矿巷道、电缆及煤层温度监测，可以有效防止矿井火灾事故的发生。

参考文献

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[3]刘媛，张勇，雷涛，苏美开，刘统玉.分布式光纤测温技术在电缆温度监测中的应用[J].山东科学，2008（6）：50-54.

[4]国家煤矿安全监察局.煤矿安全规程[M].北京：煤炭工业出版社，2004.

基金项目：天地科技技术创新基金项目（编号：KJ-2013-TDCZ-01）；天地（常州）自动化股份有限公司科研项目（编号：2012SY014）。

作者简介：贾文琪（1978—），男，江苏武进人，大学本科，工程师，现供职于天地（常州）自动化股份有限公司，从事矿用产品研发工作。

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