文档介绍：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。
—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。
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

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。

系统所有井下设备的设计符合《煤矿安全质量标准》