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分布式光纖測(cè)溫技術(shù)在煤礦井下火災(zāi)隱患早期監(jiān)測(cè)中的應(yīng)用研究

更新時(shí)間：2026-09-02　點(diǎn)擊量：208

分布式光纖測(cè)溫技術(shù)在煤礦井下火災(zāi)隱患早期監(jiān)測(cè)中的應(yīng)用研究

摘要

我國(guó)井工煤礦井下環(huán)境復(fù)雜，瓦斯、煤塵共存，火災(zāi)是煤礦重大災(zāi)害類型之一，煤層自然發(fā)火、皮帶輸送機(jī)摩擦起火、井下動(dòng)力電纜過熱是誘發(fā)井下火災(zāi)的三類主要誘因。井下巷道延伸距離大，粉塵濕度高，傳統(tǒng)點(diǎn)式溫度傳感器、煙霧探測(cè)器屬于離散式監(jiān)測(cè)，普遍存在監(jiān)測(cè)盲區(qū)；井下有源傳感設(shè)備受防爆規(guī)范約束，且煙霧報(bào)警屬于事后報(bào)警模式，難以實(shí)現(xiàn)過熱隱患的早期識(shí)別。分布式光纖測(cè)溫（DTS）依托拉曼散射光學(xué)傳感機(jī)理，感溫光纜井下無(wú)源，具備本安防爆特性，抗粉塵潮濕、抗電磁干擾，能夠?qū)崿F(xiàn)長(zhǎng)距離連續(xù)分布式溫度測(cè)量。本文闡述DTS系統(tǒng)測(cè)溫基本工作原理，分析固定溫度閾值與溫升速率協(xié)同報(bào)警算法；針對(duì)皮帶運(yùn)輸機(jī)、井下電纜橋架、采空區(qū)與煤柱自燃、機(jī)電硐室等煤礦典型場(chǎng)景開展應(yīng)用研究；結(jié)合礦山工程案例，論述系統(tǒng)硬件組成、光纜敷設(shè)工藝、報(bào)警參數(shù)整定、礦山監(jiān)控平臺(tái)對(duì)接等工程實(shí)施關(guān)鍵技術(shù)。工程實(shí)踐結(jié)果表明，分布式光纖測(cè)溫技術(shù)能夠在煙霧與明火生成之前捕捉井下局部過熱異常，實(shí)現(xiàn)煤礦火災(zāi)隱患前置預(yù)警，有效提升煤礦災(zāi)害防控能力，對(duì)智慧礦山安全監(jiān)測(cè)體系建設(shè)具備重要工程價(jià)值。

**關(guān)鍵詞：**分布式光纖測(cè)溫；DTS；煤礦井下；煤層自燃；皮帶機(jī)火災(zāi)；井下電纜；本安防爆；早期預(yù)警；智慧礦山；感溫光纜

1 引言

煤炭作為我國(guó)主體能源，在國(guó)民經(jīng)濟(jì)發(fā)展當(dāng)中發(fā)揮不可替代作用?，F(xiàn)階段國(guó)內(nèi)大量井工煤礦開采深度持續(xù)增加，井下地質(zhì)條件愈發(fā)復(fù)雜，煤礦災(zāi)害防控壓力持續(xù)加大。煤礦井下火災(zāi)事故一旦發(fā)生，不僅燒毀設(shè)備設(shè)施，造成礦井停產(chǎn)，高溫?zé)煔膺€會(huì)生成大量有毒有害氣體，同時(shí)極易引爆井下積聚的瓦斯與煤塵，造成群死群傷的惡性安全生產(chǎn)事故。因此開展井下火災(zāi)隱患早期監(jiān)測(cè)預(yù)警，是煤礦安全生產(chǎn)工作當(dāng)中至關(guān)重要一環(huán)。

目前國(guó)內(nèi)煤礦安全監(jiān)控系統(tǒng)大量采用點(diǎn)式溫度傳感器、煙霧傳感器。點(diǎn)式傳感器只能獲取有限離散點(diǎn)位溫度數(shù)據(jù)，長(zhǎng)距離巷道條件下測(cè)點(diǎn)稀疏，大量中間區(qū)域無(wú)法覆蓋；煙霧傳感器必須待可燃物燃燒產(chǎn)生煙霧方可觸發(fā)報(bào)警，此時(shí)火情已經(jīng)發(fā)展到一定階段。井下使用的電子傳感器均需要供電，設(shè)備本身要嚴(yán)格滿足防爆要求，測(cè)點(diǎn)數(shù)量越多，井下電氣危險(xiǎn)源隨之增加。人工巡檢模式受人員、時(shí)間、空間約束，隱蔽位置過熱隱患很難及時(shí)發(fā)現(xiàn)。國(guó)家大力推進(jìn)智慧礦山建設(shè)，要求提升災(zāi)害超前感知能力，傳統(tǒng)監(jiān)測(cè)手段已經(jīng)難以滿足早期預(yù)警的現(xiàn)實(shí)需求。

分布式光纖測(cè)溫DTS技術(shù)將感溫光纜作為傳感載體，不需要井下布置任何電子器件，依靠光信號(hào)感知沿線溫度，憑借本安防爆、連續(xù)分布式測(cè)量的技術(shù)優(yōu)勢(shì)，逐步在煤礦井下火災(zāi)監(jiān)測(cè)領(lǐng)域得到應(yīng)用。本文圍繞DTS技術(shù)原理、煤礦場(chǎng)景適配方案、工程實(shí)施要點(diǎn)開展研究，為同類礦山項(xiàng)目提供參考。

2 分布式光纖測(cè)溫系統(tǒng)工作原理

分布式光纖測(cè)溫基于拉曼散射效應(yīng)。激光脈沖射入感溫光纖內(nèi)部，光信號(hào)在光纖內(nèi)部產(chǎn)生瑞利散射、拉曼散射等散射光。拉曼散射光分為斯托克斯光與反斯托克斯光，反斯托克斯光強(qiáng)度對(duì)環(huán)境溫度高度敏感。測(cè)溫主機(jī)采集返回散射光信號(hào)，對(duì)比兩種散射光光強(qiáng)比值，解算出光纖沿線每一處位置對(duì)應(yīng)的溫度數(shù)值；結(jié)合光信號(hào)的回傳時(shí)間，計(jì)算溫度異常對(duì)應(yīng)的空間位置，實(shí)現(xiàn)整條光纖沿線連續(xù)分布式溫度和位置同步輸出。

整套系統(tǒng)主要由DTS測(cè)溫主機(jī)、感溫光纜、通訊模塊、地面監(jiān)控軟件組成。井下部署部分只有感溫光纜，無(wú)電源、無(wú)電路，實(shí)現(xiàn)無(wú)源本安。測(cè)溫主機(jī)放置于地面機(jī)房或者井下防爆硐室，采集全部溫度數(shù)據(jù)，完成解析、存儲(chǔ)、報(bào)警判斷，通過以太網(wǎng)、RS485對(duì)外輸出數(shù)據(jù)，對(duì)接礦山監(jiān)控平臺(tái)。

系統(tǒng)具備雙重報(bào)警邏輯：固定溫度閾值報(bào)警，當(dāng)局部溫度超過設(shè)定溫度值觸發(fā)報(bào)警；溫升速率報(bào)警，監(jiān)測(cè)單位時(shí)間內(nèi)溫度上升幅度，針對(duì)皮帶摩擦、電纜短路這類快速升溫事故實(shí)現(xiàn)快速告警。兩種報(bào)警邏輯協(xié)同工作，既適配煤層自燃緩慢蓄熱，又適配機(jī)電故障快速發(fā)熱工況。米級(jí)空間定位精度，可以直接給出高溫點(diǎn)所在巷道位置。

3 煤礦井下典型應(yīng)用場(chǎng)景分析

3.1 皮帶輸送機(jī)火災(zāi)監(jiān)測(cè)

皮帶運(yùn)輸機(jī)是井下物料運(yùn)輸核心設(shè)備。皮帶長(zhǎng)期運(yùn)行會(huì)出現(xiàn)跑偏、托輥卡滯不轉(zhuǎn)，托輥與皮帶持續(xù)摩擦，局部溫度急劇升高，引燃皮帶、浮煤。皮帶巷距離往往可達(dá)數(shù)公里。將感溫光纜沿著皮帶機(jī)架全長(zhǎng)敷設(shè)，覆蓋皮帶上下重點(diǎn)區(qū)域，整條皮帶全程溫度連續(xù)監(jiān)測(cè)。一旦出現(xiàn)摩擦過熱，不等冒煙起火即可發(fā)出預(yù)警，定位摩擦發(fā)熱具體段落，提醒現(xiàn)場(chǎng)人員及時(shí)檢修，避免皮帶火災(zāi)。

3.2 井下動(dòng)力電纜監(jiān)測(cè)

井下高壓動(dòng)力電纜、電纜接頭、接線盒是電氣火災(zāi)高發(fā)位置。過載、接頭接觸不良、絕緣老化，都會(huì)造成局部發(fā)熱。把感溫光纜緊貼電纜或者電纜橋架敷設(shè)，實(shí)現(xiàn)電纜全線溫度監(jiān)測(cè)，識(shí)別接頭過熱、電纜本體異常升溫，防范井下電氣火災(zāi)。井下機(jī)電設(shè)備多，電磁環(huán)境復(fù)雜，光纖傳感不受電磁干擾，測(cè)量結(jié)果穩(wěn)定可靠。

3.3 采空區(qū)及煤柱煤層自燃監(jiān)測(cè)

采空區(qū)、遺留破碎煤柱，通風(fēng)供氧條件下煤體發(fā)生氧化蓄熱，溫度緩慢上升，逐步發(fā)展為煤層自燃。這類隱患升溫周期長(zhǎng)，隱蔽性強(qiáng)。把感溫光纜布置在采空區(qū)密閉墻、煤柱周邊巷道，持續(xù)監(jiān)測(cè)區(qū)域溫度緩慢變化，捕捉煤體氧化蓄熱早期信號(hào)，指導(dǎo)礦井采取注氮、注漿等防滅火措施，做到自燃隱患提前干預(yù)。

3.4 采掘工作面與機(jī)電硐室監(jiān)測(cè)

采掘工作面機(jī)電設(shè)備集中，變電所硐室電氣設(shè)備密集，屬于井下防火重點(diǎn)區(qū)域。光纜布置于硐室、工作面周邊，監(jiān)測(cè)機(jī)電設(shè)備周邊溫度異常變化，作為現(xiàn)有安全監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的有效補(bǔ)充。

4 工程實(shí)施關(guān)鍵技術(shù)

4.1 光纜選型與敷設(shè)

煤礦井下選用具備抗拉、耐磨損、阻燃外護(hù)套的專用礦用感溫光纜。敷設(shè)過程避免硬彎折、尖銳物體劃傷光纜；皮帶巷道沿機(jī)架固定，電纜橋架位置緊貼電纜布置；采空區(qū)密閉位置做好光纜防護(hù)。光纜接頭做好熔接保護(hù)，降低光路損耗。

4.2 報(bào)警閾值整定

報(bào)警閾值不能直接套用固定數(shù)值，必須結(jié)合礦井井下常年環(huán)境溫度進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)整定。區(qū)分環(huán)境溫度波動(dòng)、設(shè)備正常發(fā)熱和真正故障過熱，規(guī)避誤報(bào)警。設(shè)置預(yù)警、一級(jí)報(bào)警、二級(jí)火警多級(jí)閾值，同時(shí)配置溫升速率參數(shù)，兼顧緩慢升溫和急劇升溫兩類事故模式。

4.3 系統(tǒng)平臺(tái)對(duì)接

DTS主機(jī)輸出標(biāo)準(zhǔn)通訊協(xié)議，對(duì)接煤礦已有的綜合監(jiān)控平臺(tái)、火災(zāi)報(bào)警控制器，溫度曲線、報(bào)警信息上傳監(jiān)控中心，實(shí)現(xiàn)報(bào)警彈窗、聲光提示，滿足礦山集中監(jiān)控管理需求。

4.4 運(yùn)維管理

系統(tǒng)投入運(yùn)行之后建立定期巡檢制度，檢查光纜外護(hù)套完好，定期核對(duì)系統(tǒng)測(cè)溫準(zhǔn)確性，防止光纜被采掘機(jī)械意外損傷，保障系統(tǒng)長(zhǎng)期可靠工作。

5 應(yīng)用存在局限性與優(yōu)化方向

分布式光纖測(cè)溫也存在一定局限：光纜一旦斷裂，斷裂點(diǎn)之后區(qū)段全部失去監(jiān)測(cè)能力，現(xiàn)場(chǎng)施工和生產(chǎn)過程要做好光纜防護(hù)；對(duì)于密閉采空區(qū)內(nèi)部，光纜無(wú)法伸入深部，只能監(jiān)測(cè)邊界溫度變化，需要結(jié)合瓦斯等其他監(jiān)測(cè)手段形成多參數(shù)聯(lián)合研判。未來(lái)發(fā)展方向可以推動(dòng)多參量復(fù)合光纖傳感，實(shí)現(xiàn)溫度、氣體一體化感知，進(jìn)一步提升災(zāi)害綜合研判能力。

6 結(jié)論

煤礦井下火災(zāi)隱患防控核心在于早期感知。分布式光纖測(cè)溫DTS技術(shù)依靠井下無(wú)源本安防爆、連續(xù)分布式無(wú)盲區(qū)測(cè)溫的突出優(yōu)勢(shì)，可以實(shí)現(xiàn)皮帶摩擦、電纜過熱、煤層自燃等隱患的前置預(yù)警，彌補(bǔ)傳統(tǒng)點(diǎn)式傳感器、煙霧探測(cè)設(shè)備的短板。通過科學(xué)開展光纜敷設(shè)、合理整定報(bào)警閾值、完成礦山平臺(tái)對(duì)接，可以充分發(fā)揮設(shè)備監(jiān)測(cè)效能。該技術(shù)契合智慧礦山建設(shè)發(fā)展方向，在煤礦井下災(zāi)害監(jiān)測(cè)領(lǐng)域具備很高推廣應(yīng)用價(jià)值。