程根银，任 强，齐黎明，徐会军，周 勇

(1.华北科技学院 安全工程学院，北京 东燕郊 065201；2.国家能源集团 科技部，北京 100824；3.国家能源集团乌海能源公司，内蒙古 乌海 016062)

煤炭自燃温度探测法是一种可以直观反映煤层中温度场分布的有效探测方法，该法把测温传感器预埋或通过钻孔布置在易自燃发火区域，根据传感器的温度变化来确定各点的位置的温域、发展变化速度，优点是受外界干扰少、测定准确，若煤温发生改变以及传感器位置合适，则可以对做到有效探测，尽管此种探测法测定准确、可靠，弥补了上述一些探测方法的不足[1]，存在一些问题值得研究：传感器的布置是探测自燃高温区域的关键，数量、位置的准确性决定控制自燃区域高温点的有效性[2]。采空区温度探测技术应用研究有多种方法，段西凯利用FLUENT对采空区温度场进行正逆双向模拟比较与印证，确定采空区隐蔽火源位置，将二次对比分析的误差降至最小[3]；秦跃平等从采空区热源入手，运用数值软解算出在不同工作面阻力、原始岩温下采空区热风的运移规律，并对解算结果进行了分析[4]。以上研究内容仅从某个角度解释了矿井采空区自燃隐患的产生机理，并未将数值模拟、实验室实验与现场试验联合确定采空区“三带”位置。

由于煤的导温系数较小，要准确测定煤温、确定自燃位置，须布置相当数量传感器，因此可以将测量范围更广、施工更便捷的光纤测温系统应用到火区温度探测[5]。通过光纤测温系统实验室验证，表明光纤测温技术能够实现精确、连续测试采空区温度变化，可以为分析和判断采空区自然发火规律提供良好数据资料[6，7]。老石旦矿煤质具有自燃倾向性，原煤含硫量大于0.37%，挥发份大于27%，个别煤层原煤硫份大于2%，易于氧化发热，引起煤层膨胀破裂，扩大氧化面、加快氧化速度，煤层温度升高为煤层自燃创造条件。采空区存在遗留的碎煤、煤尘及煤矸石极易产生煤层自燃隐患；由于老石旦煤矿开采年代较长，井下巷道漫长且通风系统相对复杂，容易造成采空区漏风，使工作面自燃危险性显著增加[8]。

1 采空区光纤传感探测技术

1.1 煤矿采空区火灾监测系统

根据煤矿的实际特点，多通道煤矿采空区光纤分布式温度监测系统结构如图1所示。在地面机房主要放置数据处理系统和分布式光纤测温主机装备，光路在此进入光缆后沿井下巷道布设到16401回采工作面。多通道煤矿采空区光纤分布式温度监测系统包括：用户终端、数据服务器、分布式光纤测温主机、光纤接续盒以及传感光纤和引纤装置等。而分布式光纤测温主机由激光光源、光电检测和处理模块、光学系统、数据处理模块组成。

图1 系统结构图

1.2 传感光纤

传感光纤是指放入采空区内监测温度的传感设备。由于传感光纤可能受到采空区内顶板落物的冲击，因此除易于生产和施工之外，光纤应承受一定拉伸力和冲击力。涂覆层是传感光纤的第一保护层，铠装层是光纤第二保护层，铠装层与涂覆层间有一定间隙以降低外部冲击和拉伸力；抗拉层使传感光纤能够承受一定拉力，使之在受到浮煤的压力后从导线装置中顺利拉伸[9-12]，传感光纤的结构如图2所示。

图2 传感光纤组织图

2 采空区光纤传感探测现场应用

2.1 现场方案

由于采空区内无法人工全面维护，为准确测量采空区温度分布范围以及防止光纤被煤矸石而导致系统失效，采用三路光纤管路对采空区内温度分布情况进行检测，其中在16401运输巷铺设一路，16401回风巷铺设另外俩路。光缆沿巷道煤壁铺设且距离底板1m左右，每隔1m固定于防护网，固定时保证光缆保持一定松弛度；工作面外部沿通信线缆挂钩铺设至分站位置，不得与高压电缆绑在一起，铺设的光缆应有适当的松弛度，防止意外受力或自由坠落时损伤光缆[13-15]。

本文采用光纤传感技术探测老石旦煤矿采空区温度变化情况，预先将光缆沿两工作面巷道布设完毕，对采空区、采煤工作面以及工作面巷道等处的环境温度变化实施在线监测，同时对高温隐患点实现准确定位。感温光缆可以沿井下采空区巷道敷设至采空区工作面，实时监测沿途环境温度分布趋势，采空区温度升高时可以发出预警信息，为生产管理者及时采取防治火措施提供决策。

16401工作面采空区温度监测系统框架如图3所示。

图3 16401工作面采空区温度监测系统框架示意图

2.2 监测结果分析

16401工作面采空区内光纤测点温度随推进距离的记录如图4所示。

图4 采空区内光纤测点温度随工作面推进距离分布图

据图4可知，随采空区纵深发展，在距离工作面相对较近的范围内温度有一定浮动，但变化不明显，归因于遗煤发生反应生成的热量能得到及时的扩散；以距离工作面约54m处为界限开始，温度变化幅度相对增大，解释为氧化升温带内的温度根据煤的氧化反应的进行程度而表现出不同的数值；距离工作面约78m处开始，温度变化回归曲线明显有所抬升，该区域内氧气浓度偏低，采空区遗煤氧化反应受到限制，反应热的积累速度高于散热速度，形成“窒息带”。

3 采空区光纤传感系统数值模拟

16401工作面运输巷风量为640m3/min，回风巷风量为660m3/min。运用FLUENT软件构建数学模型，完成空气流场、氧气浓度分布、采空区温度场等计算内容，形成的计算模型及网格划分如图5所示。

图5 计算模型及网格划分

沿垂直方向、距离底板1.5m截面(y=1.5m)和沿采空区深度方向不同截面(z=10m、20m、40m、80m、140m)采场速度、压力及温度等分布云图分别如图6—8所示。

图6 速度场云图及漏风风速“三带“分布(y=1.5m截面)

结合图6和图8可以看出：距离回采工作面约50m范围内为散热带；50～85m为氧化自然带；超过85m的区域为窒息带。

图7 O2浓度场云图(y=1.5m截面)

图8 温度场云图(y=1.5m截面)

结合O2浓度场云图与温度场云图分析，在采空区进风侧散热带范围约为0～90m，氧化自然带范围约为90～110m，超过110m的区域为窒息带；采空区回风侧散热带范围平均为0～50m，氧化自然带范围约为50～88m，超过88m的区域为窒息带；将现场实测值输入至CFD软件中，即可得到模拟计算结果，再将其与实验室实测值进行对比，得到对比结果如图9所示。

图9 模拟结果与实测结果对比

可以看出：实测值和计算值的分布规律存在差异与一定的相关性，对光纤测温效果进行实验测试，对比分析所测得数据，其误差在2℃以内，满足采空区温度测量精度要求，变化趋势是一致的。计算过程中假设经过防灭火技术的综合作用下多数漏风源得到很好地防堵，但实际生产中漏风量高于计算时的情况，致使实测时受到风速的影响大，带走更多热量，所以升温较慢。随着工作面推进，实测情况下，漏入采空区的空气多，氧气较充分，采空区煤炭氧化释放的热量也多，所以温升略高于计算值。

4 结 论

1)基于光纤技术的采空区分布式温度在线监测系统，对采空区内温度进行了实时在线监测，对老石旦煤矿16401工作面进行了准确的“三带”划分：距离推进工作面0～54m范围为散热带，54～88m为氧化自燃带，超过88m进入到窒息带。利用分布式光纤测温系统，可监测光纤光缆沿线的温度分布，通过软件可以实时定位、显示采空区的温度分布情况，为采空区内自然发火情况进行了有效监控，为煤矿井下防火安全提供依据。

2)通过理论分析，可以看出光纤测温系统具有其独特的优点具有自定位功能，其故障点易于查找，在线监测可以实现对光纤沿线各点温度的实时记录，相对于传统的电子传感器来说，光纤传感器部分无需电源，其安全性和适应能力大为提高。

3)光纤传感技术的有效测试距离一般都在8km(多模光缆)或20km(单模光缆)以上，对应的有效测试点可以达到数千或上万个，采用多通道主机，其监测覆盖面可以达到全部机电设备。对于监测距离长，测试点多的应用，光纤传感系统则体现出了极大的优势。