KJ428矿用分布式激光火情监测装置应用与推广

KJ428矿用分布式激光火情监测装置应用与推广

王晓龙

平顶山天安煤业股份有限公司十一矿 河南 平顶山 467047

KJ428矿用分布式激光火情监测系统是对矿山火灾、危险区域火灾进行预测预报，能有效预防火灾事故的发生，对保障安全生产有重要的意义；有效解决火灾预测预警等重大技术问题，有效减少或避免火灾事故及其带来的损失，提升火灾防治与监测监控技术水平，而且对于行业的技术进步都将取得阶段性技术跨越；可有效解决火灾预警等问题，提供的先进的面域化技术与预测预警技术，实现地面集中监测监控，为井下环境提供更安全的保障，提高矿井的安全系数，保障井下人员的人身安全，减少煤矿灾害带来的人员伤亡，

一、设备组成

KJ428矿用分布式激光火情监测系统采用TDLAS激光气体检测技术和分布式光纤测温技术，主要由KJK660 矿用隔爆兼本安型光纤测温控制柜、KJ428-Z矿用本安型激光火情监测主机、KJ428-C气体采样泵、KJ428矿用分布式激光火情监测服务器和KJ428矿用分布式激光火情监测系统上位机软件组成，可同时完成CH₄浓度、CO浓度、C₂H₂浓度、O₂浓度、CO₂浓度和温度等参数的监测，并具有火情位置定位功能，具有监测现场取气自动化、采集分析自动化、参数关联分析等优点，可根据火情监测模型实现火情预警预报。

二、工作原理

KJ428矿用分布式激光火情监测系统主要是为解决现有束管系统在煤矿采空区火灾监控预警中响应慢、无法定位的缺陷，在分析采空区火灾成因及过程的基础上，在井下采面利用光纤传感技术实现采空区分布式长距离连续测温，利用TDLAS波长调制吸收光谱技术连续监测采空区CH4、CO、C2H2、CO2、O2等气体浓度，实时将采集的的数据通过光纤环网上传至地面，利用采空区自燃发火研究规律，达到监测、预警、防火效果评估的目的。

KJ428矿用分布式激光火情监测系统所采用的主要原理为TDLAS激光气体检测技术和分布式光纤测温技术，主要由KJK660 矿用隔爆兼本安型光纤测温控制柜、KJ428-Z矿用本安型激光火情监测主机、KJ428-C气体采样泵、KJ428矿用分布式激光火情监测服务器和KJ428矿用分布式激光火情监测系统上位机软件组成。其中，KJK660 矿用隔爆兼本安型光纤测温控制柜、KJ428-Z矿用本安型激光火情监测主机、KJ428-C气体采样泵采用井下就近布置的方式，更加靠近监测地点（简称井下设备）；而KJ428矿用分布式激光火情监测服务器和KJ428矿用分布式激光火情监测系统上位机软件则部署与地面（简称地面设备），井下设备和地面设备之间通过以太网光纤网络进行数据、指令等信息的传输和交换。

KJ428矿用分布式激光火情监测系统通过KJ428-C气体采样泵把监测地点的气体抽取到KJ428-Z矿用本安型激光火情监测主机内部完成气体浓度检测，通过铺设至监测地点内的测量光缆由KJK660 矿用隔爆兼本安型光纤测温控制柜完成温度测量信息的解调和传输，气体浓度监测数据和温度监测可通过RS485数字信号或者RJ45以太网电信号经光纤环网交换机转化为以太网光信号传输至地面的KJ428矿用分布式激光火情监测服务器和KJ428矿用分布式激光火情监测系统上位机软件，由上位机软件完成数据的显示、存储及火灾模型分析，同时上位机软件可远程控制井下设备的运行。

2.1 气体监测原理

KJ428-Z矿用本安型激光火情监测主机（以下简称KJ428-Z）是KJ428矿用分布式激光火情监测系统的关键组成部分，采用可调谐激光二极管吸收光谱（TDLAS）技术实现气体浓度检测，可同时完成CH4、CO、C2H2、O2和CO2等气体浓度的测量和分析，具有测量误差小、分辨率高、完全避免水汽、煤尘和其他气体的交叉干扰等优点。同时KJ428-Z还具有采样泵控制功能和温度数据采集中继功能，可接收远程的PC指令控制采样泵的启停和工作状态，并接收KJK660 矿用隔爆兼本安型光纤测温控制柜传输的光纤测温数据并通过RS485数字信号或者以太网电信号进行传输。

气体监测设备控制气体采样泵通过束管将监测地点的气体抽入KJ428-Z矿用本安型激光火情监测主机内完成气体测量，通过通信网络将测量结果上传地面PC机。PC机也可以通过通信网络对气体监测设备远端控制、参数设置和数据查询等。

气体监测设备支持对四路束管气体的轮循检测。从而实现对多个监测地点或一个监测地点多点气体监测。每轮的测量过程分为：气体预抽、束管切换、气体置换、气体测量、待机。

设备对气体测量采用激光原理，相比较电化学、红外等传感器，它具有测量稳定、精度高、使用寿命长等特点。

气体监测设备放置于井下，相对于放置于地面，它减少了束管的长度，相应也减少束管的铺设和束管漏气堵塞等故障点，同时也降低对抽气泵吸气的要求。

2.2 分布式光纤测温原理

当激光脉冲在光纤中传输的过程中与光纤分子相互作用，发生多种形式的散射，有瑞利散射、布里渊散射和拉曼散射。光纤测温原理是依据背向拉曼散射的温度效应。由于瑞利散射对温度不敏感；布里渊散射对温度和应力都敏感，容易受外界环境干扰，影响测量的准确度；拉曼散射效应可以用入射光与散射介质的相互作用、能量转移加以解释，入射光与散射介质发生非弹性碰撞，在相互作用时，入射光可以放出或吸收一个与散射介质分子振动相关的高频声子，称作为斯托克斯光(Stokes)或反斯托克斯光(Anti—Stokes)。长波一侧波长为λs(λs=λo+△λ)的谱线称为斯托克斯线(stokes)，短波一侧波长为λa(λa=λo一△λ)的谱线称为反斯托克斯线，其中斯托克斯光与温度无关，而反斯托克斯光的强度则随温度变化。测量入射光和反射光之间的时间差，可得发射散射光的位置距入射端的距离，这样就实现了分布式的测量。

用反斯托克斯光和斯托克斯光的比值表示温度：

式中：Ia，Is分别是Anti—Stokes和Stokes的光强度，λa，λs分别为Anti—Stokes

和Stokes的波长，h为普朗克常量，c为光速，μ为波尔兹曼常数，T为绝对温度。

温度监测设备放置于井下，通过测温光缆从而对采空区进行温度测量，通过通信网络将测量结果上传地面PC机。PC机也可以通过通信网络对温度监测设备远端控制、参数设置和数据查询等。

温度监测设备对铺设在采空区的测温光缆，可以连续测量到光缆各点温度，从而实现采空区内测温光缆通过区域的整条线温度测量。分布式光纤测温有精度高、细度密、定位准、不受电器磁场干扰等优点。

三、安装使用情况

KJ428矿用分布式激光火情监测系统分为井下设备部分和地面设备部分，其中井下设备部分包括KJK660 矿用隔爆兼本安型光纤测温控制柜、KJ428-Z矿用本安型激光火情监测主机、KJ428-C气体采样泵。为了提高束管抽采效率，降低束管堵塞、漏气的可能，使取样气体保持和监测地点气样一致，保证气体测量结果能够真实准确反映监测地点的实际情况，井下设备的井下布置时需满足两个条件：

1）靠近监测地点。靠近监测地点后可缩短束管长度，降低抽采阻力和堵塞、漏气的可能性，提高测量的真实性；

2）靠近供电电源。井下设备的供电电源为660V AC，因此，设备布置时应尽量靠近660V AC交流电源处，方便设备取电。

根据上述两个原则，井下设备的布置如下：矿用本安型激光火情监测主机、矿用隔爆兼本安型光纤测温控制柜、气体采样泵、束管过滤箱安装在己二东翼制氮垌室，四路束管和测温光缆由己二东翼制氮垌室铺设到己16-17-22091综采工作面，铺设距离1538米，如下所示。

井下设备地

目前在己_16-17-22091综采工作面的上隅角内部铺设了4根束管，4根束管同时对上隅角内部的气体成分进行监测，后期束管根据己_16-17-22091综采工作面的推进进度做相应交替性的截断裁管。KJ428矿用分布式激光火情监测服务器和KJ428矿用分布式激光火情监测系统上位机软件安装在地面实验室里，使用通信光缆连接井下安装的矿用本安型激光火情监测主机。

四、设备运行情况

KJ428矿用分布式激光火情监测系统在井下采用激光气体检测技术测量煤炭自燃发火特征气体浓度具备测量精度高，测量下限低，无气体交叉干扰，测量不受粉尘、水汽的影响的特性，非常适合用于煤炭自燃特征气体浓度检测；温度检测采用光纤传感技术，本质安全，铺设简单，无需维护，测量准确，可对采空区发火点精确定位；采用的井下快速抽气方案具备本地实时连续测量，响应速度快，不受管路影响；地面系统软件集成了基于温度和煤炭自燃发火气体浓度的预测预报模型；在管路防护、检测上充分考虑了煤矿现场多尘多水的情况，设计方案先进、完善。

综上所述，KJ428矿用分布式激光火情监测装置采用激光测量手段，创造性的将采空区气体测量和温度测量结合在一起，通过对定时的气体测量数据和连续的温度测量数据比对、分析，给出火情预判，从而有力帮助井下安全生产。

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