矿用分布式光纤温度监测及火灾预警系统在煤矿中的应用

1.概述

矿井火灾预测预报，就是根据火灾发生和发展的规律，应用成熟的经验和先进的科学技术手段，采集处于萌芽状态的火灾信息，进行逻辑推断后给出火情报告。及时而准确地进行火灾早期预报，可以弥补预防之不足。为此鄂庄煤矿通过实际调研，决定引进KJ607矿用分布式光纤温度监测及火灾预警系统（以下简称预警系统）。该项目利用光纤散射的拉曼效应和光时域分析技术，将多模测温光缆沿煤矿井下的采空区、工作面、高压电缆、皮带机、采空区、压风机、移动变压器等设备进行线型敷设，利用分布式光纤测温主机DTS实现对上述井下长距离应用对象进行实时的温度监测和火灾预警，该系统可以通过井下工业以太环网，将温度数据传送至地面监控站。预警主机带继电器输出口，外接了声光报警装置，能实现本地声光报警。

2.KJ607预警系统技术方案的研究

预警系统是利用光纤中传输的高功率光脉冲与光纤分子作用产生拉曼（raman）散射光谱信号，温度信号对散射光谱信号中的反斯克托斯（Anti-Stocks）散射光强度进行调调制，反斯克托斯散射光携带散射区的温度信号，用光的时域反射（OTDR）技术获取沿光纤长度方向的拉曼散射信息，从而实现分布式的光纤温度传感。实际测量中，利用瑞利（Rayleigh）散射光作为解调器，对反斯克托斯散射光进行调节就可以得到所需的温度信号。

利用瑞利散射光功率曲线的解调方法是：首先测出整段传感光纤在温度T= 时的反斯克托斯拉曼散射光功率曲线和瑞利散射光功率曲线，即：

将两条曲线比较得：

然后将任意温度时测的反斯克托斯拉曼散射光功率曲线和瑞利散射光功率曲线，该系统主要由测温主机，测温光缆，上位机软件三部分组成。其中测温主机是核心，主要由防爆外壳以及测温机芯构成。

测温机芯的工作原理，脉冲激光器发出一定宽度的脉冲激光，激光脉冲被耦合进测温光纤，耦合器的一路为激光脉冲沿测温光纤向前传播的通道，另外，两路分别为斯托克斯和番斯托克斯光和参考信号的回波通道，背向散射光经滤波器分离出带有温度信息的反斯托克斯拉曼背向散射光和参考信号背向散射光，这两个通道的散射光分别经过各自的APD进行光电转换后，再由各自的信号放大器进行信号放大，以DSP为核心构成嵌入式处理单元，对传感器输出信号实时采集。有效的去处噪声和干扰，并能够进行快速，准且得调解出温度数据，然后传送到计算机，并存储到数据库中。数据处理和显示软件则对才进的信号进行处理，最后得到温度空间分布并且以图形或表格形式显示出来。

3.KJ607预警系统的应用

3.1 光缆在电缆中的安装

3.1.1 光缆绑扎方法

测温光缆采用每相电缆敷设一条测温光缆的方式来测量电缆表面温度，测温光缆固定在待监测电缆回路上，在电缆中间接头采取加强敷设来实现对电缆接头的重点监控。

3.1.2 电缆本体的绑扎

（1）绑扎方式为可拆卸式；

（2）测温光缆应敷设在电缆本体的侧面，不得敷设在电缆本体的正上方；

（3）绑扎间隔，每隔1米使用尼龙扎带或固定夹具进行绑扎；

（4）直接采用尼龙扎带将测温光缆绑扎在待测电缆表面；

（5）遇到电缆固定夹具时，采用跳越式敷设测温光缆，在夹具两侧10至20 cm处分别使用绑带进行绑扎；

3.2 光缆在输煤皮带机中的安装

探测光缆在皮带的底部直线安装，在皮带下每隔1.5米左右安装一个光缆支架，将测温光缆使用绑带绑扎在光缆支架上。

3.3 光缆在环境监测及峒室火灾监测的安装

将光纤测温光缆安装在煤矿井及峒室顶部，测温光缆采用蛇形敷设的方式全面覆盖整个煤矿井及峒室。

3.4 光缆在采煤工作面的安装

在采煤工作面的上巷和下巷壁上安装测温光缆，并在上巷和下巷之间放置500米—1000米的测温光缆，当工作面采空区逐渐加大时，可以手动移动测温光纤，实现随移随测。

3.5光缆熔接

在以下三种场景处需要进行光缆的熔接操作：

a.不同光缆盘之间接续；

b.光缆断点处；

c.光缆较大损耗点处；

步骤：

a.剥开测温光缆长度约50cm左右；

b.固定测温光缆剥开部分至接头盒内；

c.清洗测温光纤；

d.穿热缩管，对于多纤光缆完成分纤匹对；

e.制作光纤端面，并熔接；

f.盘内光纤固定；

g.密封光缆接头盒，并牢靠固定于高位；

接头盒固定

a.光缆接头盒应采用螺钉方式进行固定；

b.测温光缆在接头盒的进出口处应有较大的弯曲半径；

c.对于潮湿的敷设环境，应对光缆接头盒进行密封处理；

d.接头盒应固定于高位、工作人员不易接触之处；

3.6 系统调试

3.7.1 温度校正

为了进一步保证测温主机的精确性，在实际应用时，根据具体应用的测温光缆，还需要进行性能优化调整，其中之一，就是温度校正。

在温度偏移校准前，首先要准备一个标准的温度探测器，然后选取一段长度至少6米的光纤放入均匀、稳定的温度环境中，如使用恒温水槽，同时使用标准的温度探测器获取此温度环境的温度，然后调整温度偏移值，使得此段光纤的温度同标准温度相同。

温度校正方法：

（1）搭建恒温源，在现场可用冰水混合物代替；

2）重复上述两步即可完成温度校正工作。

3.7存在问题及解决方案

面临的主要问题有：由于测温光缆的强度比较小，容易折断。改进思路：在使用方面，积极探索更好的安装地点，使光缆受到意外伤害的概率最小；需用强度更高的光缆；在特殊地段给光缆加装特殊保护；开发导热性更高的光缆。

4、结语

鄂庄煤矿在107采区使用了火灾预警，该项目安装矿用隔爆光纤测温主机1台，位置在107变电所，沿高压动力电缆敷设，将采区高压电缆、压风机、107运下皮带、107采空区等地点敷设光缆1万米，对采空区、107采区设备进行实时监测，在变电所进行动态画面显示。自投入使用以来，系统工作稳定，温度测量准确。实时将电缆，工作面的温度参数通过井下环网上传至调度中心，曾多次预警移动变压器，高压动力电缆过热故障，对于保证矿井生产的安全运行具有十分重要的意义。