2022年采空区光纤分布式温度 2.pdf
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1、采空区光纤分布式温度在线监测系统实施方案目 录1 立项背景.11.1 概述.11.2 技术依据 .11.3 系统设计依据.31.3.1法律、法规及有关规定.31.3.2技术标准.31.4 系统特点 .42 系统建设目标 .5名师资料总结-精品资料欢迎下载-名师精心整理-第 1 页,共 17 页 -3 技术原理.63.1 测量原理 .63.2 技术优势分析.93.3 技术指标 .124 项目实施内容 .134.1 实施地点 .135 系统结构及实施方案 .155.1 系统架构 .155.2 实施方案 .176 系统配置清单 .181 立项背景1.1 概述煤炭自燃是我国煤矿开采过程中的主要自然灾害
2、之一,目前国有煤矿中有 60%的矿井在开采具有自燃倾向性的煤层。随着近年来开采强度的增大,高产高效新技术的不断发展,矿井的不断延深和深部开拓特别是近距离煤层开采带来的问题,以及通风系统的相对复杂化,使得煤层自燃危险性有明显增大的趋势。采空区煤炭自燃发火在矿井火灾中占有很高比例。目前对采空区内自然发火倾向的预测主要是通过束管系统抽取样气到地面,对标志气体进行分析预警;该手段欠缺实时性和直观性,束管易损伤漏气导致测量不准确。采空区分布式光纤测温安全监测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,通过矿井分布式光纤测温系统实时在线监测采空区及回风巷(以下统称“采空区”)温度,
3、旨在弥补标志气体分析方法预警的不足,既减小了由于束管长距离传输所带来的气体分析误差,又提高了实时性。可以及时准确的对采空区隐患进行预警,降低采空区事故风险,提高井下作业的安全性。名师资料总结-精品资料欢迎下载-名师精心整理-第 2 页,共 17 页 -1.2 技术依据矿井发火隐患日趋严重、防火难度逐渐加大,要求矿井必须具有完善防火预警系统,矿井现多采用的 GC4085型井下自燃发火束管监测系统对 CH4、CO、O2气体含量进行实时自动监测,采样化验分析与人工观测相结合方式预警;GC4085 型井下自燃发火束管监测系统处理采空自燃发火时高温点难以确定,灭火难度大、工作量大,束管极易损伤出现破损漏
4、气而使测量结果不准确。同时,束管系统施工难度大,不便维护。煤的自燃分为三个阶段:煤在低温的条件下,能吸附氧生成不稳定的化合物,放出少量的热,这种氧化过程十分隐蔽,称其为潜伏期;经过该阶段后,煤的氧化过程加速,发热量增加,不能及时散热,就加速煤的自燃;如果煤的自热温度继续升高至临界温度(7080)以上,氧化急剧加快,煤的温度迅速,升至300500时,就会发生燃烧现象,H2、CO、水蒸汽征兆性气体出现,该阶段是防止隐患升级的有利时期;当温度达到8002000时,煤的燃烧就会出现明火,此时基本就没有办法施救,只能被迫封闭工作。因此,在工作面回采过程中,对工作面入风巷、回风巷及切眼位置进行温度监测、及
5、时发现温度异常,将煤的自然抑制在早期阶段,对控制预防采空区(工作面)自然发火具有重要意义。光纤传感技术代表了新一代传感器的发展趋势。光纤传感器是以光波为载体,光纤为媒质,感知和传输外界被测量信号的新型传感器。光纤不带电、体积小、质量轻、易弯曲、抗电磁干扰、抗辐射性能好,本质安全,特别适合在易燃、易爆、空间受严格限制及强电磁干扰等恶劣环境下使用。对比于传统的检测方法,光纤传感监测系统有远程传输、多参数、大容量、实时在线、抗干扰、本质安全等优点,便于名师资料总结-精品资料欢迎下载-名师精心整理-第 3 页,共 17 页 -综合分析各方面的信息,能够大大提高现有安全监测及生产自动化水平。1.3 系统
6、设计依据1.3.1 法律、法规及有关规定(1)中华人民共和国安全生产法(2002.11.01);(2)煤矿安全规程;(3)煤矿安全监察条例;(4)煤矿安全监察管理体制改革实施方案(国办发 1999104号文;(5)煤矿作业规程编制指南;(6)煤矿安全监控系统通用技术要求;(7)煤矿和非煤矿山安全评价导则;(8)煤矿安全质量标准;(9)信息技术软件包质量要求;(10)安全生产许可证条例(国务院令第 397号,2004.01.13)。(11)中华人民共和国矿山安全法(1993.5.1)(12)最新的软件与安全监测技术。1.3.2 技术标准(1)中华人民共和国通信行业标准长途通信干线光缆传输系统线路
7、工程验收规范;(2)煤矿安全质量标准(3)重大危险源辨识(GB182182000);(4)中华人民共和国矿山安全法实施案例(1996.10.11实施)名师资料总结-精品资料欢迎下载-名师精心整理-第 4 页,共 17 页 -(5)通讯管道施工标准。(6)煤矿安全监控系统通用技术要求;1.4 系统特点光纤在线防火预警系统充分利用光纤传感技术的优势,结合人工采样数据对煤矿采空区(工作面)进行分布式温度、气体综合监测分析,为研究采空区自然发火的诱发及形成提供关键数据,预防、减少安全事故,为煤矿安全生产提供安全保障。该系统具有以下优点:(1)复用能力强,可实现对一线多点、两维点阵或空间分布的连续监测;
8、(2)采空区发火点精准定位,误差小,显示直观,反应迅速。(3)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。(4)一根光缆能够提供多个测量点的信息,安装快捷简便且成本低廉,安装后长期使用且免维护;(5)光纤具有耐高温(能承受超过400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;(6)光纤具有抗电磁辐射干扰的特质,适合高压、复杂电磁等特殊环境使用,本质安全,不带电,不受外界电磁场干扰,长期漂移小;(7)火灾探测光缆为防静电光缆,并且是无电监测,不产生电火花,适用于煤矿、油库、军火库等易燃易爆危险区域环境;(8)光纤本身轻细纤柔,体积小,重量轻,不仅便于布
9、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;名师资料总结-精品资料欢迎下载-名师精心整理-第 5 页,共 17 页 -2 系统建设目标随着我国煤炭事业的发展,高产、高效煤矿对生产过程监控、全矿井生产安全环境监测、生产过程信息综合利用等方面的网络化、自动化和智能化提出了更高的要求。本项目将光纤传感器应用于煤矿安全监测,特别是煤矿采空区内部环境的监测,将对采空区自然发火的预测预报起到重要作用。项目的实施为深入研究煤矿采空区发火机理,掌握自然发火预警规律提供有效的技术手段,对煤矿采空区灾害监测和控制有着重大意义。可以减少劳动量,提高工作效率,消除了人员检测数据误差,数据更准确
10、,实时性更好。少打钻孔,节约大量的人力、物力、财力,可以分区定位、防治时重点更明确,有的放矢。上面采空区留设的测温光缆对下面采掘活动提供数据支持,使防灭火工作更加有效。3 技术原理3.1 测量原理系统采用拉曼散射原理和光时域反射技术实现温度和距离的测定。拉曼散射原理是依据光在光纤中传播过程中,产生后向拉曼散射光谱的温度效应。当入射的光量子与光纤物质分子产生碰撞时,产生弹性碰撞和非弹性碰撞。弹性碰撞时,光量子和物质分子之间没有能量交换,光量子的频率不发生任何改变,表现为瑞利散射光保持与入射光相同的波长;在非弹性碰撞时,发生能量交换,光量子可以释放或吸收声子,表现为产生一个波长较长的斯托克斯光和一
11、个波长较短的反斯托克斯光。由于反斯托克斯光受温度影响比较敏感,系统采用名师资料总结-精品资料欢迎下载-名师精心整理-第 6 页,共 17 页 -以斯托克斯光通道作为参考通道,反斯托克斯光通道作为信号通道,有两者的比值可以消除光源信号波动、光纤弯曲等非温度因素,实现对温度信息的采集光纤测温的原理是依据后向拉曼(Raman)散射效应。图 3.1 激光散射光谱分析光时域反射技术(即OTDR 原理)是对空间分布的温度实现空间测量的理论基础。激光脉冲在光纤中传输时,在时域里,入射光经过背向散射返回到光纤入射端所需时间为t,激光脉冲在光纤中所走过的路程为 2L,有:(1)(2)V 为光在光纤中传输速度;C
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