煤矿井下火灾的自动探测与灭火技术方案的研究(1)

煤矿井下火灾的自动探测与灭火技术方

案的研究

高彦1 ,田昊2 ,窦昊3 ,冯懋4 ,王少峰5 ,魏苗苗6 ,徐攀峰7

（中国矿业大学（北京） 机电与信息工程学院 北京 海淀 100083）

摘要：介绍了以基于拉曼散射的分布式光纤温度传感器对煤矿井下火灾进行自动探测

的设计，分析了分布式光纤应用于煤矿井下的可行性和优越性，并结合水喷雾技术，共同构成煤矿井下火灾的自动探测及灭火系统。在发生非电气类火灾时，可以用其进行灭火，在平时可以用其对井下进行洒水除尘处理，实现资源的最大化利用。 关键词：煤矿火灾 分布式光纤 温度传感 水喷雾

Research of the automatic fire detection and fire suppression technique scheme in the coal

mine Gao Yan1 ,Tian hao2 ,Dou Hao3 ,Feng Mao4 ,Wang Shaofeng5 ,Wei Miaomiao6 ,Xu Panfeng7 (China University of Mining and Technology Beijing ,College of electrical and Information Engineering,

Beijing ,Haidian,100083 ) Abstract: This paper introduces the distributed optical fiber temperature sensor based on Raman scattering for mine fire designs automatic detection, analysis of the feasibility and superiority of the distributed optical fiber used in coal mine, and combined with water spray technology, constitute the automatic detection of underground coal mine fire and fire extinguishing system. In the event of no electrical fire, it can be used to put out the fire, and be usually used for sprinkling on underground, maximize the use of resources.

Keywords: coal mine fire; distributed optical fiber; temperature sensor; water spray;

0 引言

近年来，对煤矿火灾发生，发展和防止机理及规律等已经有了更加详细的研究；在井下火灾的预报预测方面，新型的井下采取分站式束管系统，通过监测井下的一氧化碳、乙烯、氧气、温度等综合条件，解算出从发火指标变化到发火危险值的时间。在灭火技术方面，逐

步形成了适应普通采煤法和高效高产采煤法的综合防灭火技术。近几年来，在煤矿井下火灾的自动探测的研究上，出现了利用火灾图像的多个参数,并采用先进的人工神经网络技术,进行综合分析判断的方法和利用光纤Bragg光栅技术对波长的变化进行监测进而判断火灾是否发生的方法。但是由于我国火灾基础理论研究起步晚，防灭火关键设备和技术有待完善和配套，煤矿的火灾防治仍然是煤矿安全生产中的重要部分。通过利用分布式光纤温度传感器对煤矿井下火灾进行探测，可以更快捷准确的判断煤矿井下的状况，及时有效的做出反应。光纤不但具有良好的传光特性，而且其本身就可用来进行信息传递，无需任何中间媒体就能把测量值与光纤内的光特性变化联系起来。光纤作为温度传感器的光纤分布式温度监测系统具备了抗电磁干扰、耐腐蚀、防雷击、耐高温、信号衰减小、集信息传感与传输于一体等特点，具备真正的远距离、分布式测量和监控。在矿井下，通过光纤传输光信号是本质安全的。利用水喷雾技术进行煤矿井下火灾的灭火，不但可以节约资源，还能有效灭火，水喷雾系统通过把水雾化提高了灭火的效率，这种灭火方式用水量少，冷却灭火效果好，水渍损失小等优点，在煤矿的生产过程中，水喷雾灭火系统还可以为巷道洒水除尘，在没有火灾发生时，可以将该系统作为除尘的工具，通过喷出的水雾来降低巷道空气中粉尘的含量，改善井下的作业环境。

1． 煤矿井下火灾的自动探测

拉曼散射的分布式光纤温度传感器的工作机理是基于光纤内部光散射的温度特性，利用光时域反射测试技术（OTDR）[1]，将较高功率窄带光脉冲送入光纤，将返回的散射光强随时间的变化探测下来。分布式光纤温度传感器利用光纤为温度信息的传感和传输介质，敷设在温度场中，可以测量光纤沿线的温度分布情况。全分布式光纤传感器是利用一根光纤作为延伸的传感元件，光纤上任意一点既是敏感单元又是其它敏感单元的信息传输通道，可获得被测量沿光纤分布的空间和时间变化的信息，突破了传统的单点测量的模式。

1. 1 采用光时域反射（OTDR）对空间分布场的测量[2]

图1.光纤后向散射原理（Optical backscattering theory）

设光纤总长为L，在距离光源l处有一段长为dl的光纤。能量

E0在?t的时间内由光源

注入光纤，在光纤中以速度v（v?c/n，c为光速，n为光纤纤芯折射率）传输，当传输到l~l?dl段时，一部分能量a?dl（a为损耗系数）在传输的过程中损耗掉了；一部分能量p??（p为后向散射因子，?为后向散射系数）以速度v回到光电探测器处。

dE(l)??E0?exp(?al)

在l~l?dl段的能量损失为：2积分得：

E2(l)??E0?exp(?al)

dE(2l)?p???E0?exp(?2al)?dl

所以l~l?dl段接受的能量为：2又知道 t?2l/v 故

dE(vt)/dt?p???E0?exp(?avt)?v/2?dt

P(t)?v/2?p???E0?exp(?avt),通过对光功

因此在t~t??t时间内的平均功率为：

率的测定可以确定时间，时间不同对应不同的位置，所以不同位置的光功率可以被检测，进而可以实现对沿光纤分布的空间分布场的测量。

1. 2 斯托克斯拉曼散射光功率

激光进入光纤时，在其背向会产生拉曼散射。拉曼散射的频谱，是由位于瑞利散射两旁的、对应的斯托克斯和反斯托克斯谱线组成。反斯托克斯散射光在室温下的温度灵敏度达

0.8%，而斯托克斯散射光则对温度不敏感。因此，可以根据斯托克斯曲线来解调反斯托克

斯曲线，获得沿光纤分布的温度值。

在光纤z处的斯托克斯散射光子数为:

Ns?KsSvs4Neexp[?(?0??s)z]Rs(T)

在光纤Z处的反斯托克斯散射光子数为:

4Na?KaSvaNeexp[?(?0??a)z]Ra(T)

其中

Ks、Ka分别为与光纤斯托克斯和反斯托克斯散射截面有关的系数

S为光纤的背向散射因子，vs、va 分别为斯托克斯和反斯托克斯散射光子频率

Rs(T) 、Rs(T) 分别为与光纤分子低能级和高能级上的布局数有关的系数，它们与光

纤局域处的温度有关。

Rs(T)?[1?exp(?h??v?1)]kT

h??vRa(T)?[exp()?1]?1kT

在实际测量时，可用光纤的斯托克斯散射曲线解调光纤的反斯托克斯散射曲线，

Na(T)Kava4?h?v?[]exp()exp[?(?a??s)z]Ns(T)KsvskT

可用T=To的起始温度来确定被测光纤上各点的温度

Na(T0)Kava4?h?v?[]exp()exp[?(?a??s)z]Ns(T0)KsvskT

相除可得：

?h?vexp()Na(T)Ns(T0)kT?Na(T0)Ns(T)exp(?h?v)kT0

可以得到光纤z局域处的温度为T:

Na(T)Ns(T0)11k??[ln]TT0h?vNa(T0)Ns(T)

?v 为拉曼声子频率; h为普朗克常量; k为玻耳兹曼常量。

上式为典型的用斯托克斯散射OTDR曲线解调反斯托克斯散射OTDR的被测温度T的表达式。

在典型的分布式温度测量系统中，可用波长较短的反斯托克斯谱带获得温度信息，因为反斯托克斯散射比斯托克斯散射信号具有较高的温度灵敏度。在实际应用中，利用光脉冲在光纤中传输时产生的与温度相关的背向散射(斯托克斯光和反斯托克斯光)提取温度信息。它将对温度不敏感的斯托克斯光作为参考通道，采用双通道双波长光强度相比较的方法，可以