采空区光纤监控方案

采空区分布式测温安全监测系统

技术方案

北京蔚蓝仕科技有限公司

1、概述

采空区是指地下矿产被采出后留下的空洞区。矿井火灾是煤矿主要灾害之一，其中采空区煤炭自燃发火占很高比例。目前主要是通过监测采空区的标志气体进行分析预警，该手段欠缺实时性和直观性。 采空区分布式测温安全监测系统。该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，能够实现采空区及回风巷（以下统称“采空区”）温度的实时在线监测功能。该系统的实施旨在弥补标志气体分析方法的不足，及时准确的对采空区隐患进行预警，降低采空区自然发火的风险，提高井下作业的安全性。

2、系统原理

系统同时利用单根光缆实现温度监测和信号传输，综合利用光纤拉曼散射效应（Raman scattering）和光时域反射测量技术（Optical Time-Domain Reflectometry，简称OTDR）来获取空间温度分布信息。 其中光纤拉曼散射效应（Raman scattering）用于实现温度测量，光时域反射测量技术（Optical Time Domain Reflectometer）用于实现温度定位，是近几年发展起来的一种用于实时测量空间温度场分布的高科技技术，它能够连续测量光纤沿线的温度分布情况，测量距离在可达30公里，空间定位精度达到米的数量级，能够进行不间断的自动测量，特别适宜于需要长距离、大范围多点测量的应用场合。

2.1测温原理—拉曼散射

激光光脉冲射入传感用的光

纤之中，在光脉冲向前的传播过

程中，由于光纤的密度、应力、

材料组成、温度和弯曲变形等原

因发生散射现象，有一部分的散

射光会按照入射光相反的方向传播，称之为背向散射光，返回的背向散射光包括：

 瑞利（RayLeigh）散射，由光纤折射率的微小变化引起，其频率与入射光脉冲一致；

 拉曼（Raman）散射，由光子与光声子相互作用引起，其频率与入射光脉冲相差几十太赫兹；

 布里渊（Brillouin）散射，由光子与光纤内弹性声波场低频声子相互作用引起。其频率与入射光脉冲相差几十吉赫兹；

针对温度检测需求，Rayleigh 散射信号对温度变化不敏感；Brillouin 散射信号的变化与温度和应力有关，但信号剥离难度大；Raman

散射信号的变化与

温度有关，而且 Raman 散射信号相对容易获取和分析，因此工业应用主要采集Raman 散射信号进行温度分析。

Raman散射会产生两个不同频率的信号：斯托克斯(Stokes)光（比光源波长长的光）和反斯托克斯(Anti-Stokes)光（比光源波长短的光），光纤受外部温度的调制使光纤中的反斯托克斯(Anti-Stokes)光强发生变化，Anti-Stokes与Stokes的比值提供了温度的绝对指示，利用这一原理可以实现对沿光纤温度场的分布式测量。

2.2 定位原理—光时域反射

光学时域反射技术（OTDR）最初用于评价通信光纤、光缆和耦合器的性能，是用于检验光纤损耗、光纤故障的手段。一般将DTS测温原理和定位原理称为ROTDR，其工作机理是向被测光纤发射光脉冲，发生拉曼散射现象，在光纤中形成背向散射光和前向散射光。其中，背向散射光向后传播至光纤的起始端（也就是光脉冲的注入端），由于每一个背向传播的散射光都对应光纤上的一个散射点，因此，根据背向散射光的行进时间便可判断出光纤上发生散射点的位置。

d=(c×t) / 2 × (IOR)

其中，c是光在真空中的速度，而t是信号发射后到接收到信号（双程）的总时间，IOR是光纤折射率。

通过采集和分析入射光脉冲从光纤的一端（注入端）注入后在光纤内传播时产生的 Raman 背向反射光的时间和强度信息得到相应的位置和温度信息，在得知每一点的温度和位置信息后，就可以得到一个关于整根光纤的不同位置的温度曲线。

3、系统特点

3.1相对于传统火灾探测系统的优点

 在分布式光纤测温系统中，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；

 一根光缆能够提供上万个测量点的信息，安装快捷简便且成本

低廉，安装后长期使用且免维护；

 光纤具有耐高温（能够承受超过400℃的高温）、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；



 光纤具有抗电磁辐射干扰的特质，适用于高压场合； 火灾探测光缆为防静电光缆，并且是无电监测，不会产生电火

花，适用于易燃易爆环境；

 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

设等

根据采空区安全监控的要求，系统设计的功能性主要考虑功能实用性、测量数据准确性、井下设备安全性和人机互操作性几个方面。

3.2功能特点

3.2.1设备安全性

系统所有井下设备的设计符合《煤矿安全质量标准》。传感器全部采用无源设计，任何设备运转和故障时均不会危及井下安全。

软件系统实行用户权限制，不同的用户拥有不同的权限，每个用户只能进行相应权限内的操作，实现全面的防护措施。

3.2.2人机互操作性

为了满足人机操作的要求，系统提供整体平面图形实时显示实时展示采空区的监测数据和预报警状态，并以表格或曲线的方式提供各种统计数据。

3.2.3可靠性

系统可靠性的设计从技术成熟性、设备容错性和系统易恢复性三个方面考虑。

3.2.4稳定性

系统的信息采集传输子系统设计满足井下特殊环境的温度、湿度、电磁、震动、压力、冲击、尘土、腐蚀、防水和海拔的要求；信息采集传输、采集过程控制、数据运算存储、信息展示和状态预警等子系统设

计均满足7×24小时的连续运转要求。

3.2.5易变更性

系统设计充分考虑采空区的动态变化特点，支持根据采空区变化而取消、改变或增加监测点。

4.总体方案

系统为分布式光纤温度监测系统，依据后向拉曼（Raman）散射原理和光时域反射（OTDR）定位原理进行设计，具有光信号的发生、光谱分析、光电转换、信号放大和处理等功能。

系统主要实现功能，通过监测采空区的环境温度，能够及时为煤矿单位提供准确的温度信息，为防火工作提供可靠的依据。

系统的容量采用模块拓展方式。即增加通道拓展模块，并与测温主机通讯，来实现系统的容量扩展，最多通道可拓展至16个通道。

系统拓扑结构如下：

5.系统结构

系统主要包括地面工作站、信号传输部分、火灾探测光缆等部分组成。

地面工作站由测温主机、测温软件、UPS（使用单位若能满足要求可不装）等组成。测温主机：高性能高稳定光学器件、数据采集系统、工控机，用以完成采集现场实时数据，分析并显示实时和历史数据。

信号传输部分由信号传输光缆和光缆接续部分组成。

火灾探测光缆：特别设计的用于矿井下采空区火灾探测的光缆。

5.1 系统参数介绍

5.2光纤测温主机

光纤测温主机是光纤分布式温度监

测系统的核心设备，一方面为现场多模

感温光缆提供激光脉冲信号，另一方面

采集散射光信号进行分析，输出光缆沿线的温度数据和位置信息。 产品特点

 光学器件集成在一个高度集成的光学构件中，该光学构件全面密

封，有效防止光学器件出现凝结和灰尘现象，避免光器件出现过早老化，延长系统寿命；

 温度测量精度最高可达到±0.5℃，定位精度最高可达到1米，温

度分辨率最高可达到0.1℃；

光学通道数固定为1通道，可通过多路转换开关扩展到16通道； 使用国际互联网通信接口，实现远程诊断和系统维护升级，使得维护方便，节约维护成本；

适应各种传感光纤，对光纤的适应性较强；

火灾报警、系统故障报警具有声、光及图文界面报警功能，且火灾报警信息和故障信息有明显区别，报警时能明确指示出报警或故障区域，并保持至复位；    

 采用继电器输出模块进行分区报警设置，可根据工程要求实现无

限个继电器报警输出；

5.3 多路转换开关 SWT

多路转换开关内部封装光

开关器件，是分布式光纤测温系

统中实现光通道数量扩展主要

设备，可扩展至16通道，与光纤测温主机通过RS232通讯。多路转换开关。

5.4

继电器输出模块 Relay

继电器输出模块为分布式光纤

测温系统提供多组无源常开干结

点继电器输出端子，当系统监测到

告警信息时，可以立即通过继电器

向通用报警控制器等其他系统输出闭合信号，通告火灾区间，实现系统集成。

5.5 多模测温光缆

为分布式温度实时监测与信号传输载体，外护套上带长度计米标志，通过E2000，8°倾角法兰与光纤测温主机相连，根据测温需求定制不同长度和不同型号的光缆。

外置式测温光缆采用2芯多模

62.5/125μm光缆，光缆外护套为多层高

强度材料，抗压能力大于120MP，测温

光缆具有优良的热传导特性、机械性能、

防水性能及抗腐蚀特性。

6系统功能

6.1显示功能

系统能通过电子地图、报表和图形曲线的方式显示实时数据和历史数据

6.2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（温升速率报警）、光纤破坏报警、装置异常等报警功能；必要时，向有关人员手机发出报警信号。

6.3数据存储和查询功能

可通过数据查询功能查询设定条件下的历史数据。

6.4打印功能

系统具有对数据报表和图形曲线打印的功能；

6.5备用电源

具有备用电源。当电网停电后，保证对井下各个采空区监控量继续监控。

6.6多系统组网功能

系统有网络接口和232串口可以与其他系统进行数据通讯，将本系统的数据上传给上一级系统或者服务器。可以通过网络进行远程访问系统数据，随时了解煤矿采空区温度情况。

7 安装方案

7.1 火灾探测光缆布设示意图

7.2 安装前的准备工作

 查看现场，确定现场感温光缆的敷设线路，确定放置分站的

位置， 由于矿上有通向调度室的光缆，可供我们使用，确定

分站到主光缆的距离；

 到达现场安装的物品检查一便，看是否齐全。（包括仪器，

工具等）

 测温光缆的铺设：光缆敷设应注意事项：

 保证光缆的洁净

 保证光缆不进水

 保证光缆护套不受伤 。

 保证光缆不被盗

7.3安装方法（假设长度360M，宽度180M）

 采空区的基本信息：巷道的长度约为360m，宽度约为180m；  首先，从采煤区的进口沿巷道内侧敷设感温光缆360m，然后

随着采煤层的掘进，以每间隔20米敷设感温光缆一次，采用U型方式铺设,不用剪接光纤。

 将光纤的另一头通过光缆接续盒连接到信号传输光缆上，系

统通过传输光缆到地面的测温主机处，通过光缆终端盒连接到多路转换开关上，然后再连接到测温主机上。

 在监控室内，需要提供220V的交流电源，该电源连接到不间

断的电源.用于对交换机及计算机供电，若需要将监测数据传输到远方，还要有宽带网络或者无线通信设备。

 需备用一张桌子用于主机和显示器的安放，交换机需要连接

上配置的光缆跳线头，通过网线传输到电脑上，进行软件及整机的调试。