1、分布式光纖測(cè)溫系統(tǒng)一、興安礦現(xiàn)狀興安礦井煤系地層厚 1120米，有煤層 41個(gè)，其中可采和局部可采 煤層23個(gè)，煤層總厚度為 75.99 米，2006年10月26日黑龍江省煤田地 質(zhì)研究所對(duì)興安礦煤層自然傾向性分類和自然發(fā)火期核定說(shuō)明： 11、 -1 -212、17-1、17-2、18、21、22、27、30號(hào)層9個(gè)煤層屬容易自然發(fā)火煤 層。各煤層自然發(fā)火期： 11 號(hào)層自然發(fā)火期： 4個(gè)月； 17-1號(hào)層、 17-2 號(hào)層自然發(fā)火期： 8個(gè)月； 18號(hào)層自然發(fā)火期： 6個(gè)月； 21號(hào)層自然 發(fā)火期： 10 個(gè)月、 12、27、30號(hào)煤層自然發(fā)火期 12個(gè)月屬自然發(fā)火 煤層， 23 、24、2

2、8、33等煤層自然發(fā)火期 12 個(gè)月以上，屬不易自然 發(fā)火煤層。由于煤層自燃發(fā)火期短， 在對(duì)煤層自然發(fā)火潛伏期溫度的變化進(jìn) 行觀測(cè)時(shí)發(fā)現(xiàn)現(xiàn)有的觀測(cè)技術(shù)落后。二、強(qiáng)化溫度觀測(cè)技術(shù)興安礦煤層自燃發(fā)火的預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)工作主要以人工觀測(cè)采空區(qū)后 部鉆孔為主， 這種方法在技術(shù)上限制了觀測(cè)的連續(xù)性和準(zhǔn)確性， 為改 變現(xiàn)有的觀測(cè)技術(shù)， 興安礦引進(jìn)了山東微感光電子有限公司研發(fā)的分 布式光纖測(cè)溫監(jiān)測(cè)預(yù)報(bào)系統(tǒng)。三、分布式光纖測(cè)溫監(jiān)測(cè)預(yù)報(bào)系統(tǒng)原理及系統(tǒng)軟硬件設(shè)備1、原理分布式光纖測(cè)溫監(jiān)測(cè)預(yù)報(bào)系統(tǒng)采用分布式光纖測(cè)溫技術(shù)， 該技術(shù)為拉曼散射和光時(shí)域反射技術(shù)，可以實(shí)現(xiàn)溫度和距離的測(cè)定拉曼散射是依據(jù)光在光纖中傳播過(guò)程中， 產(chǎn)生后

3、向拉曼散射光譜 的溫度效應(yīng)。當(dāng)入射的光量子與光纖物質(zhì)分子產(chǎn)生碰撞時(shí)，產(chǎn)生彈性 碰撞和非彈性碰撞。彈性碰撞時(shí)，光量子和物質(zhì)分子之間沒(méi)有能量交 換，光量子的頻率不發(fā)生任何改變，表現(xiàn)為瑞利散射光保持與入射光 相同的波長(zhǎng)；在非彈性碰撞時(shí)，發(fā)生能量交換，光量子可以釋放或吸 收聲子，表現(xiàn)為產(chǎn)生一個(gè)波長(zhǎng)較長(zhǎng)的斯托克斯光和一個(gè)波長(zhǎng)較短的反 斯托克斯光。由于反斯托克斯光受溫度影響比較敏感， 系統(tǒng)采用以斯 托克斯光通道作為參考通道，反斯托克斯光通道作為信號(hào)通道， 有兩 者的比值可以消除光源信號(hào)波動(dòng)、 光纖彎曲等非溫度因素，實(shí)現(xiàn)對(duì)溫度信息的采集，光纖測(cè)溫的原理是依據(jù)后向拉曼（Raman）散射效應(yīng)。光時(shí)域反射技術(shù)（即

4、 OTDR原理）是對(duì)空間分布的溫度實(shí)現(xiàn)空間測(cè)量的理論基礎(chǔ)。激光脈沖在光纖中傳輸時(shí)，在時(shí)域里，入射光經(jīng)過(guò)背向散射返回到光纖入射端所需時(shí)間為t，激光脈沖在光纖中所走 過(guò)的路程為2L,有:(3-1)2L 二V tv=C2、系統(tǒng)軟硬件設(shè)備分布式光纖測(cè)溫系統(tǒng)集光纖通訊、光纖傳感、信號(hào)解調(diào)、報(bào)警控制等功能于一體。系統(tǒng)可分為五大組成部分：光信號(hào)發(fā)射模塊、光信 號(hào)接收模塊、光波分復(fù)用模塊、DSP數(shù)據(jù)處理模塊以及定標(biāo)控溫模塊。系統(tǒng)利用半導(dǎo)體激光器產(chǎn)生窄脈寬光脈沖信號(hào)進(jìn)入光纖，經(jīng)過(guò)光波分 復(fù)用裝置，將產(chǎn)生的拉曼散射光耦合至光電探測(cè)模塊， 由于受溫度影 響的反斯托克斯光信號(hào)很弱，采用雙路微信號(hào)光電探測(cè) APD以及信

5、 號(hào)放大電路進(jìn)行光信號(hào)和電信號(hào)之間的轉(zhuǎn)換， 將轉(zhuǎn)換后相應(yīng)的電壓值經(jīng)DSP高速處理芯片進(jìn)行數(shù)據(jù)采集以及初步解調(diào)。T _T0khcv0In R(T)-In(T。)(3-3)其中，k為玻爾茲曼常數(shù)，h為普朗克常數(shù)；c為真空中的光速;k為波爾茲曼常數(shù)；V0為入射光頻度；T為絕對(duì)溫度。由上式可以看出，要得知光纖所處環(huán)境的實(shí)時(shí)溫度 T,必須知道To，所以系統(tǒng)中引入一段定標(biāo)光纖，對(duì)于固定的溫度（控溫模塊定標(biāo)溫度）有：1k-I nR(To) 4I n()(3-4)Tohcvos所以有以上各式可以看出，溫度信息T只是與光纖固定參數(shù)以及 定標(biāo)溫度有關(guān)的量。對(duì)溫度測(cè)量點(diǎn)的空間定位是通過(guò)光時(shí)域反射(OTDR )技術(shù)實(shí)

6、現(xiàn) 的，當(dāng)激光脈沖在光纖中傳輸時(shí)，由于光纖中存在折射率的微觀不均 勻性，會(huì)產(chǎn)生后向散射。入射光經(jīng)過(guò)光纖中散射點(diǎn)返回到光纖入射端 所需時(shí)間為t，則光纖中散射點(diǎn)與光纖入射端的距離 L (如圖3-6所 示)為：V tL(3-5)2、，C V(3-6)n式中，V為光在光纖中傳輸速度；c為真空中的光速；n為光纖 折射率。因此利用光時(shí)域反射技術(shù)可以確定沿光纖溫度場(chǎng)中每個(gè)溫度 采集點(diǎn)的位置及異常溫度點(diǎn)、光纖故障點(diǎn)、斷點(diǎn)的距離定位信息。圖3-4礦用分布式溫度檢測(cè)儀(1)儀器的研制及集成儀器由礦用光纖分布式溫度監(jiān)測(cè)裝置、 工控機(jī)、顯示器及礦用感 溫光纜組成。系統(tǒng)主機(jī)實(shí)現(xiàn)光信號(hào)發(fā)生、背向散射信號(hào)的光譜分析、 光電

7、轉(zhuǎn)換、信號(hào)放大和信號(hào)處理的功能，采用電源和數(shù)據(jù)總線的模塊 化結(jié)構(gòu)，包含以下A、B模塊：A、開(kāi)關(guān)電源模塊：把交流220V電源轉(zhuǎn)換為直流電源。B、模擬電源模塊：產(chǎn)生供光電探測(cè)器和放大器用的高精度直流電源。光電轉(zhuǎn)換和放大器模塊：內(nèi)置高速高增益光電探測(cè)器和放大器、 光電探測(cè)器的溫度監(jiān)測(cè)和控制部件。其功能是把輸入的光信號(hào)轉(zhuǎn)換為 電信號(hào)，并放大到適當(dāng)?shù)碾妷核健Ｄ?shù)轉(zhuǎn)換與數(shù)字信號(hào)處理模塊：內(nèi)置高性能單片機(jī)、高速模數(shù)轉(zhuǎn) 換器和數(shù)字信號(hào)處理器。其功能是把輸入的模擬電信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信 號(hào)，并根據(jù)上位機(jī)的命令換算為原始數(shù)據(jù)、溫度數(shù)據(jù)或背景數(shù)據(jù)。激光二極管和控制模塊：內(nèi)置高功率半導(dǎo)體激光器及其驅(qū)動(dòng)電 路、光電探測(cè)器

8、的溫度監(jiān)測(cè)和控制電路。其功能是實(shí)現(xiàn)光信號(hào)的發(fā)生和光電探測(cè)器的閉環(huán)程序溫度控制光纖器件模塊 : 內(nèi)置光纖濾波器和定標(biāo)光纖段。光纖濾波器的功 能是從背散射光信號(hào)中提取與溫度有關(guān)的感溫信號(hào)和與溫度無(wú)關(guān)的 參考信號(hào)； 定標(biāo)光纖段的長(zhǎng)度在 100 米左右，其溫度由內(nèi)置精密測(cè)溫 芯片實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，通過(guò)定標(biāo)光纖段測(cè)量到的溫度與測(cè)溫芯片測(cè)量的溫度 的比較，來(lái)消除系統(tǒng)光源起伏、 光電探測(cè)器及放大器增益的起伏的影 響。光開(kāi)關(guān)模塊（適用于感溫光纖路數(shù)大于 1 的機(jī)型）：內(nèi)置光開(kāi)關(guān)， 在多條感溫光纖之間巡回切換，實(shí)現(xiàn)一臺(tái)主機(jī)監(jiān)測(cè)多路感溫光纖。 （2）儀器測(cè)試通過(guò)試驗(yàn)測(cè)試， 進(jìn)行光纖和儀器通道的溫度校正， 得到擬合參數(shù) 用

9、于校準(zhǔn)感溫光纖對(duì)實(shí)際溫度的響應(yīng)。在感溫光纖中取出 6 米（選取整段光纜的前端位置） ，將此段光 纜盤(pán)成圈； 纏繞半徑盡量大并且正好可以放入恒溫槽水域內(nèi)。 在恒溫 水槽出水口處接上膠管， 打開(kāi)存液容器的蓋子， 往槽內(nèi)加入工作介質(zhì)（0100C用水作為工作介質(zhì)，0C以下用酒精作為工作介質(zhì)）。插上恒 溫槽電源，開(kāi)啟“電源”和“循環(huán)”開(kāi)關(guān)，將溫度設(shè)定到指定溫度放 入之前盤(pán)好的待測(cè)光纜待溫度穩(wěn)定；在測(cè)溫范圍內(nèi)， 平均選擇范圍內(nèi)至少 6 個(gè)溫度點(diǎn)，將恒溫水域控 制在這幾個(gè)恒溫點(diǎn)處穩(wěn)定一段時(shí)間， 記錄下此時(shí)溫度計(jì)的實(shí)際值以及 軟件的測(cè)量值。記錄軟件測(cè)量值時(shí)，取溫度峰值最高點(diǎn)為測(cè)量值。將把上面的記錄的溫度數(shù)據(jù)和

10、實(shí)際溫度逐一記錄輸入 EXCEL 表格中，X值對(duì)應(yīng)“溫度數(shù)據(jù)”，Y值對(duì)應(yīng)“實(shí)際溫度”，然后根據(jù)公 式進(jìn)行擬合趨勢(shì)線及趨勢(shì)公式的顯示， 得出“斜率值”、“截距值” 和“平方根”，并輸入到系統(tǒng)軟件的光纖參數(shù)設(shè)置中。擬合系數(shù)的驗(yàn)證：將標(biāo)定光纖的溫度升溫到不同標(biāo)定的另幾個(gè)溫度點(diǎn)，查看測(cè)量溫度和真實(shí)溫度是否滿足士 1C指標(biāo)圖3-5實(shí)驗(yàn)測(cè)試示意圖纖多種氣體監(jiān)測(cè)系統(tǒng)主要由微型計(jì)算機(jī)、傳輸電纜、連接光纜、光端 機(jī)和探測(cè)器等組成。圖3-7系統(tǒng)整體檢測(cè)方案四、分布式光纖測(cè)溫監(jiān)測(cè)預(yù)報(bào)系統(tǒng)安裝情況監(jiān)測(cè)分站放置于三水平南一石門(mén)變電所內(nèi)， 對(duì)采空區(qū)環(huán)境溫度進(jìn) 行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。系統(tǒng)的數(shù)據(jù)傳輸采用網(wǎng)口，遵循 TCP/IP協(xié)議，將

11、儀器 采集的現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)上傳于井下網(wǎng)絡(luò)交換機(jī)，通過(guò)煤礦井下環(huán)網(wǎng)上傳于井 上調(diào)度室進(jìn)行數(shù)據(jù)分析，以及各種預(yù)警報(bào)警的判斷和輸出。測(cè)溫光纜從主機(jī)出來(lái)后，用兩條900米雙芯主光纜敷設(shè)至四水平11層中部區(qū)二段底板層綜采一隊(duì)和四水平南 17-1層2-4區(qū)一段二分 層綜采二隊(duì)采空區(qū)。光纜的彎曲部分應(yīng)小于光纜直徑的 20倍，為確 保不增加光纜的損耗。光纜的敷設(shè)可使用扎帶進(jìn)行捆綁， 測(cè)溫光纖綁 扎采用可拆卸式，每0.5米1米捆扎一次。三水平南一石門(mén)變電所通訊光纜井上井下井下交換機(jī)分布式測(cè)溫主機(jī)測(cè)溫光纜 一隊(duì)=采面二隊(duì)°。poLQJo圖4-1光纜敷設(shè)走向光纜與光纜之間的連接使用光纜接續(xù)盒將兩斷光纜連接在一起

12、,光纜接續(xù)盒的作用是保護(hù)熔接點(diǎn)，接續(xù)盒可采取壁掛式放置，如圖所示：圖4-2接續(xù)盒懸掛圖光纖鋪設(shè)路線:A、三水平南一石門(mén)變電所-三水平南一石門(mén)-三水平中部區(qū)下山-四水平11層中部區(qū)二段總軌道T軌道T采空區(qū)B、水平南一石門(mén)變電所三水平南一石門(mén)四水平南 17-1層2-4區(qū) 一段二分層軌道-采空區(qū)五、分布式光纖測(cè)溫監(jiān)測(cè)預(yù)報(bào)系統(tǒng)的調(diào)試、運(yùn)行情況2013年 2 月份廠家將分布式光纖測(cè)溫監(jiān)測(cè)預(yù)報(bào)系統(tǒng)系統(tǒng)安裝并 進(jìn)行調(diào)試，在調(diào)試過(guò)程中發(fā)現(xiàn)該系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)頻繁掉線、 軟件無(wú)故退出， 無(wú)法正常使用，現(xiàn)場(chǎng)分析為硬件設(shè)施不配套。5 月份廠家將該系統(tǒng)的硬件配套設(shè)施更換后，并派一名工程師前 來(lái)指導(dǎo)，發(fā)現(xiàn)系統(tǒng)運(yùn)行正常但是頻繁掉

13、線。 經(jīng)井下現(xiàn)場(chǎng)檢查交換機(jī)時(shí) , 發(fā)現(xiàn)該系統(tǒng) IP 地址與瓦斯監(jiān)測(cè)監(jiān)控系統(tǒng) IP 地址沖突。將分布式光纖測(cè)溫監(jiān)測(cè)預(yù)報(bào)系統(tǒng)的 IP 地址更換后，再次檢驗(yàn)系 統(tǒng)，發(fā)現(xiàn)系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)無(wú)法接收到井下搜集的數(shù)據(jù)， 系統(tǒng)仍就無(wú)法正常 使用。再次進(jìn)行系統(tǒng)分析， 原因?yàn)榫陆粨Q機(jī)設(shè)備硬件與瓦斯監(jiān)測(cè)監(jiān) 控系統(tǒng)硬件部分不兼容。拆除系統(tǒng)信號(hào)轉(zhuǎn)換卡（信號(hào)卡為瓦斯監(jiān)測(cè)系統(tǒng)信號(hào)轉(zhuǎn)換卡）后， 系統(tǒng)可正常運(yùn)行，經(jīng)過(guò) 48 小時(shí)的連續(xù)觀測(cè)分布式光纖測(cè)溫監(jiān)測(cè)預(yù)報(bào) 系統(tǒng)沒(méi)有出現(xiàn)掉線或不穩(wěn)定狀況，該系統(tǒng)現(xiàn)已正常運(yùn)行。六、分布式光纖測(cè)溫監(jiān)測(cè)預(yù)報(bào)系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)和存在問(wèn)題1 、優(yōu)點(diǎn)：（ 1 ）對(duì)工作面采空區(qū)內(nèi)溫度進(jìn)行實(shí)時(shí)在線監(jiān)測(cè)。（2）通過(guò)該系統(tǒng)搜集的數(shù)據(jù)分析，可對(duì)煤的氧化性、放熱性、煤自 燃的影響因素及煤自燃過(guò)程的特性進(jìn)行研究， 并能估算煤的氧化放熱 強(qiáng)度，形成數(shù)值模擬采空區(qū)自燃溫度場(chǎng)、煤自燃危險(xiǎn)區(qū)域判定等。（3）該系統(tǒng)可以對(duì)存在煤炭自燃危險(xiǎn)性的停采、緩采工作面實(shí)現(xiàn)煤 層發(fā)火時(shí)的實(shí)時(shí)、準(zhǔn)確、定位、監(jiān)測(cè)預(yù)報(bào)，為采空