祿 偉 田兆君,2 熊珊珊 銀亞飛 張瓊?cè)A

1.湖南科技大學(xué) 資源環(huán)境與安全工程學(xué)院 2.煤礦安全開采技術(shù)湖南省重點實驗室3.南方煤礦頂板及煤與瓦斯突出災(zāi)害預(yù)防控制安全生產(chǎn)國家安全監(jiān)督總局重點實驗室

在火電廠企業(yè)中，煤炭儲存運(yùn)輸過程中的自燃問題給企業(yè)的正常生產(chǎn)和運(yùn)營帶來了極其嚴(yán)重的影響，因此火電廠對于儲煤堆自燃的監(jiān)測和預(yù)警就尤為重要。目前對于煤炭儲存設(shè)計中所采用的煙霧探測器、紅外成像儀等技術(shù)雖然有其優(yōu)良性，但也存在許多不足。煙霧探測器不是直接對目標(biāo)溫度的監(jiān)測，在應(yīng)用過程中具有信息反饋的遲滯性和范圍的不確定性，容易受外界環(huán)境的干擾影響。紅外探測技術(shù)能夠及時精準(zhǔn)的監(jiān)測儲煤堆的溫度場，但是其監(jiān)測的目標(biāo)具有范圍大、時間長、跨度廣的特點，所以在應(yīng)用中有其局限性而且系統(tǒng)復(fù)雜且價格較高。綜上所述，迫切需要一種本質(zhì)安全、監(jiān)測距離長精度高、信息分析處理快、抗干擾性強(qiáng)的溫度探測傳感系統(tǒng)來應(yīng)用于儲煤堆。

1 光纖溫度傳感技術(shù)的發(fā)展

光纖傳感器是利用光的散射原理且經(jīng)過光調(diào)制器和探測器一系列手段制成的具有實時監(jiān)測功能的傳感技術(shù)。在傳播過程中一些光子通過背向散射回來，如瑞利散射、布里淵散射和拉曼散射等，如圖1。

光纖傳感技術(shù)始于20世紀(jì)70年代，是伴隨著光纖通信技術(shù)的發(fā)展而迅速發(fā)展起來的。隨著科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展，光纖傳感技術(shù)日益成熟。根據(jù)使用功能的需求，出現(xiàn)了適應(yīng)于不同場所的光纖傳感器[1]。70年代末Rogers首先提出DTS可利用偏振光時域后向散射技術(shù)實現(xiàn)溫度的分布式測量[2]。1997年英國的Ricardo Feced等人實現(xiàn)了0.1m空間分辨率高溫測量，該技術(shù)是通過采用特殊涂層的光纖實現(xiàn)的，并且采用單光子計數(shù)技術(shù)[3]。2010年，日本的Ryosuke Shimano等人采用了相干光時域反射技術(shù)和雙向摻鉺光纖放大器實現(xiàn)了溫度分辨率為0.02℃，空間分辨率為2m，測量距離為31km的分布式測溫系統(tǒng)[4-5]。上述成果可充分說明光纖溫度傳感技術(shù)的研究已取得了豐厚的成果。

圖1 激光散射光譜分析

2 光纖光柵技術(shù)

光纖光柵技術(shù)是由加拿大渥太華通信研究中心研發(fā)人員通過在摻鍺石英光纖中發(fā)現(xiàn)的光敏效應(yīng)，并采用駐波寫入法制成世界上第一根光纖光柵[6]。此后研究人員通過研發(fā)不同的寫入和調(diào)制技術(shù)，使得光纖光柵工業(yè)制造技術(shù)得到不斷的更新和完善。周期性結(jié)構(gòu)和非周期性結(jié)構(gòu)是光纖光柵的重要組成部分，通過光纖光柵的周期性結(jié)構(gòu)可以把其分為Bragg光柵和透射光柵。早在1988年該技術(shù)成果就被應(yīng)用于航空、航天領(lǐng)域中的無損檢測當(dāng)中。在國內(nèi)日漸成熟的光纖光柵技術(shù)也被逐漸開發(fā)形成了以應(yīng)力應(yīng)變監(jiān)測系統(tǒng)、結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測系統(tǒng)和溫度在線監(jiān)測系統(tǒng)等為主且應(yīng)用于橋梁隧道、采礦結(jié)構(gòu)和電力工程方面的先進(jìn)技術(shù)并取得較為理想的成果。

3 分布式光纖技術(shù)

根據(jù)不同工業(yè)需求光纖傳感技術(shù)逐漸發(fā)展為以分布式光纖和光纖光柵傳感為主的探測技術(shù)。雖然隨著光纖技術(shù)的不斷研究和進(jìn)步，出現(xiàn)了較多不同種類的光纖溫度傳感器，但是在當(dāng)前能應(yīng)用于工程實際現(xiàn)場且技術(shù)相對成熟，能夠作為分布式使用的傳感技術(shù)目前只有三種：布里淵散射型光纖溫度傳感技術(shù)、布拉格光纖光柵式溫度傳感技術(shù)和拉曼散射型光纖溫度傳感技術(shù)[7-9]。

基于光散射原理的分布式光纖傳感技術(shù)，其在工程實際應(yīng)用中布設(shè)簡單且實時監(jiān)測距離較長，信號參數(shù)分辨率高、對于應(yīng)變和溫度等物理量的響應(yīng)速度快，又可用于各種工程行業(yè)的特殊場所，因此受到研究者的關(guān)注和研究[10-11]。

4 實際應(yīng)用分析

4.1 理論分析

光纖探測技術(shù)的發(fā)展和完善逐漸被水利、電力、隧道、礦業(yè)等工程所采用，而在礦業(yè)方面尤其是煤炭行業(yè)的應(yīng)用更加具有代表性和前景性。煤炭行業(yè)的儲存和運(yùn)輸?shù)倪^程具有其它工程所沒有的特殊性和復(fù)雜性，其環(huán)境具有易燃易爆、高溫高濕等特性，這些基本特性都限制了一般火災(zāi)溫度探測系統(tǒng)在煤炭行業(yè)的使用，因此必須分析光纖感溫探測系統(tǒng)在礦業(yè)儲存、運(yùn)輸方面應(yīng)用的可行性。

在礦業(yè)方面，煤炭的長時間運(yùn)輸和儲存都面臨著較為嚴(yán)重的自燃問題，一般的火災(zāi)探測系統(tǒng)很難滿足這些要求?，F(xiàn)有礦業(yè)儲存和運(yùn)輸一般使用束管監(jiān)測系統(tǒng)，但是束管監(jiān)測系統(tǒng)有其自身的局限性，只能采集局部區(qū)域的氣體進(jìn)行檢測才能判斷煤堆是否發(fā)生火災(zāi)，檢測過程時間較長且不能持續(xù)性監(jiān)測，這就是束管系統(tǒng)的缺陷。而光纖感溫探測火災(zāi)系統(tǒng)是通過大功率的光源器件將光脈沖射入光纖中，通過光纖中光的拉曼散射和后時域反射來判斷火災(zāi)點的，所以這個系統(tǒng)是本安的，它具有不帶電、抗射頻和電磁干擾、防燃防爆、抗高壓等特性，而且具有監(jiān)測范圍廣、精度高、反應(yīng)敏捷等特點[12]。

4.2 技術(shù)與經(jīng)濟(jì)比較

煤炭行業(yè)運(yùn)輸和儲存過程中的火災(zāi)探測的困難之處并非在于火源點的高溫引起的，儲煤堆的自燃也并非是發(fā)生在局部地點。無論是長途運(yùn)輸過程還是外部儲煤場的自燃區(qū)域雖然具有一定的規(guī)律性，但是其火源點的數(shù)量和空間方位是不確定的，而且外部儲煤場具有監(jiān)測空間跨度大、距離長的特點。因此對礦業(yè)常用的束管監(jiān)測系統(tǒng)、光纖監(jiān)測系統(tǒng)和紅外探溫監(jiān)測系統(tǒng)在技術(shù)與經(jīng)濟(jì)方面進(jìn)行如下對比分析，見下表。

表 三種溫度監(jiān)測系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)對比

（1）束管監(jiān)測系統(tǒng)是利用色譜分析技術(shù)對煤體在自燃不同階段產(chǎn)生的標(biāo)志性氣體監(jiān)測，從而判斷火災(zāi)發(fā)生的位置和階段。這種技術(shù)的優(yōu)點是可以很精準(zhǔn)的判斷煤發(fā)生自燃的階段，能及時預(yù)報煤堆發(fā)火點溫度變化便于采取相應(yīng)措施。缺點是需要的設(shè)備和儀器較多，且只能在布置束管的位置監(jiān)測。對于空間大、范圍廣的監(jiān)測目標(biāo)監(jiān)測難度和局限性較大。

（2）紅外探溫監(jiān)測系統(tǒng)主要應(yīng)用紅外成像技術(shù)，利用探測范圍內(nèi)的紅外輻射分布圖在設(shè)備中形成紅外熱像圖。這種技術(shù)的優(yōu)點在于可以即時且全方位的監(jiān)測煤堆溫度分布，不需要布置各種探頭和收集分析裝置。缺點就是只能監(jiān)測被測物的表面溫度，對于其內(nèi)部自燃發(fā)生的溫度變化無法探測。

（3）光纖監(jiān)測系統(tǒng)主要是應(yīng)用溫度等物理因素可以改變光纖中光線傳導(dǎo)特性而制成。這種技術(shù)能夠連續(xù)實時的監(jiān)測光纖沿線的溫度場分布和變化情況，具有測量距離長、測量時間短、信息反饋快等優(yōu)點，且在實際應(yīng)用中布設(shè)簡單，操作方便。

通過上述分析可以得出在技術(shù)層次光纖監(jiān)測系統(tǒng)無論是其在監(jiān)測范圍上還是精度和反應(yīng)速度上都優(yōu)于其它兩個系統(tǒng)，無需鋪設(shè)大量的溫度探頭，且操作布置簡單。在經(jīng)濟(jì)方面，雖然在小空間監(jiān)測范圍內(nèi)紅外溫度監(jiān)測系統(tǒng)相較于光纖感溫監(jiān)測系統(tǒng)較有優(yōu)勢。但是當(dāng)監(jiān)測范圍增大時，紅外溫度監(jiān)測系統(tǒng)則需購置多套系統(tǒng)，而光纖感溫監(jiān)測系統(tǒng)只需加強(qiáng)光纖布置范圍即可，因此其經(jīng)濟(jì)優(yōu)于其它兩個系統(tǒng)。

且最先進(jìn)的分布式光纖感溫火災(zāi)探測系統(tǒng)，較現(xiàn)有的探測手段相比，其抗干擾能力大大增強(qiáng)，同時由于利用先進(jìn)的OTDC技術(shù)實現(xiàn)光纖沿線的連續(xù)監(jiān)測，較傳統(tǒng)的“點式”探測技術(shù)相比，其探測精度高、定位準(zhǔn)確[13]。國內(nèi)的明鑫科技公司研制的MXFGCW2型光纖測溫系統(tǒng)，溫度分辨率達(dá)到±0.1℃，測溫距離最遠(yuǎn)可達(dá)到30km，最高測量溫度300℃，空間分辨率小于3m[14]。因此針對于礦業(yè)火災(zāi)點探測的精確度高、探測范圍廣、時間長、空間時間分辨率高等要求，分布式光纖感溫探測技術(shù)是完全符合的。

5 儲煤堆光纖鋪設(shè)的研究

對于煤礦和火電廠的大型儲煤堆而言，它們的儲存量巨大、分布廣泛且外部環(huán)境多變，擁有與井下采空區(qū)相同的自燃問題，但是它們之間又有諸多的差別。井下采空區(qū)的自燃一般是由于臨近工作面的漏風(fēng)為其提供氧氣，而且采空區(qū)無法填實阻止氧氣的進(jìn)入，隨著采空區(qū)內(nèi)部溫度積聚逐漸發(fā)生自燃。而經(jīng)過長期對大型儲煤堆自燃問題的研究發(fā)現(xiàn)其自燃部位一般為其表面淺部：煤堆底層周邊易自燃；煤堆交匯處易自燃；煤堆向風(fēng)面易自燃；過水區(qū)域易自燃；斷面疏松區(qū)易自燃[15]。這些研究表明對于儲煤堆在中底部壓實的情況下，自燃一般發(fā)生在其表面淺部的富氧區(qū)，因此對于煤礦和火電廠的大型儲煤堆自燃的監(jiān)測只需要布置在其幾個易自燃區(qū)域即可。

由于煤的熱傳導(dǎo)效率比較低，導(dǎo)熱效果不好。因此對于傳統(tǒng)的感溫探測系統(tǒng)，當(dāng)某點自燃比較嚴(yán)重且使周圍煤體溫度升高，隨著溫度的變化情況經(jīng)過很長時間才能傳導(dǎo)到附近的測溫探頭，這會導(dǎo)致煤炭在儲煤堆的溫升程度不能被及時的反映出來，經(jīng)常錯過了滅火的最佳時間。針對這一問題，參考光纖測溫系統(tǒng)原理、公路隧道溫度監(jiān)測、土木地基巖土形變檢測等領(lǐng)域的檢測布置，結(jié)合煤礦特點，提出了Ⅰ、Ⅱ兩種光纖在儲煤堆的鋪設(shè)形式，如圖2、3。

理論上這兩種光纖的鋪設(shè)方法都滿足儲煤堆的自燃在時間上、空間上的監(jiān)測需求，下面根據(jù)這兩種光纖鋪設(shè)方法的特點，結(jié)合現(xiàn)場的經(jīng)濟(jì)性、可行性和實用性對其進(jìn)行分析比較，分析其優(yōu)缺點。

第一種鋪設(shè)方案。它的優(yōu)點是需要光纖通道比較少，僅需要三根光纖就可以對儲煤堆溫度進(jìn)行檢測，而且最主要的是施工方便，非常適合于儲煤堆這種有坡度的施工現(xiàn)場。它的缺點是儲煤堆的側(cè)面截面積一般非常大，三根光纖在其長度方向可以連續(xù)監(jiān)測，但在垂直方向上難以覆蓋性全面檢測。

圖2 第一種光纖鋪設(shè)方法

圖3 第二種光纖鋪設(shè)方法

第二種鋪設(shè)方案。它的優(yōu)點是需要的光纖通道少，只用兩根光纖就能對儲煤堆側(cè)面進(jìn)行全面溫度監(jiān)測。他的缺點是施工不方便，而且鋪設(shè)方案中對于光纖曲折鋪設(shè)有可能降低光纖的監(jiān)測精度。

通過對兩種光纖鋪設(shè)方案的優(yōu)缺點的比較可以得出，第一種方案適合于小斷面的儲煤堆，其施工方便，經(jīng)濟(jì)簡單。第二種適合大斷面的儲煤堆，施工雖然有點難度，但是其監(jiān)測范圍更加明確全面。在工程上的應(yīng)用，可根據(jù)其實際現(xiàn)場情況進(jìn)行選擇，或者結(jié)合兩種方案聯(lián)合使用。

6 結(jié)束語

本文結(jié)合光纖探測技術(shù)的基本原理和在井下采空區(qū)火災(zāi)探測技術(shù)的應(yīng)用，重點分析了光纖感溫火災(zāi)探測技術(shù)在火電廠和大型碼頭儲煤堆自燃問題監(jiān)測的可行性，提出幾種光纖在煤堆的布置方案，最終得出光纖感溫探測技術(shù)在礦業(yè)的生產(chǎn)和存儲過程有著廣闊的前景和應(yīng)用價值。

7 展望

光纖感溫探測技術(shù)的發(fā)展日新月異，技術(shù)上的難關(guān)也被科研技術(shù)人員一一攻克，但是現(xiàn)在仍然存在諸多問題，例如光纖探測精度的提升，測控軟件的優(yōu)化與設(shè)計，關(guān)于不同環(huán)境的光纖布置規(guī)范等。然而未來光纖技術(shù)的發(fā)展將擁有廣闊的空間是毋庸置疑的。對于礦業(yè)方面將光纖對于巖石形變的檢測可以與火災(zāi)探測系統(tǒng)相結(jié)合，而發(fā)展出礦井采空區(qū)自燃防治監(jiān)測的新技術(shù)?；痣姀S與大型碼頭儲煤堆的光纖火災(zāi)探測系統(tǒng)與灌漿凝膠泡沫技術(shù)相結(jié)合，是火災(zāi)的探測與防治相結(jié)合的新趨勢。對于大型城市建筑也可采用光纖感溫探測系統(tǒng)，在發(fā)生火災(zāi)時根據(jù)建筑內(nèi)的實時溫度分布圖可以得出最佳應(yīng)急逃生線路圖，以減少火災(zāi)事故的財產(chǎn)和生命損失。因此在火災(zāi)探測方面，光纖感溫探測技術(shù)的應(yīng)用前景更加廣闊。

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