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摘要：煤层自燃发火是煤矿生产的主要灾害之一，严重威胁着煤矿安全生产，为了控制这类灾害的发生，煤层自燃发火的预测预报技术备受关注。在煤层氧化时，首先要放出热量使煤体温度升高，这是煤层发火征兆必备条件之一。根据龙煤集团鹤岗分公司兴安煤矿实际情况，引进测温光纤技术，通过对自燃发火煤层温度变化的监测监控，及时、准确地预测预报煤炭自燃发火征兆，判断自燃发火发展的趋势，及时采取措施降低温度，达到防止火灾发生的目的。
关键词：煤层自燃发火 温度变化监测监控 测温光纤系统
中图分类号：TM451+.7
煤层开采过程中一直伴随着煤炭自燃。目前，兴安煤矿煤层自燃火灾仍然十分普遍，大部分煤层都存在自燃发火危险，煤层自燃火灾严重制约矿井的安全生产。因此，煤炭自燃火灾的防治必须从源头开始，实时监控采空区温度变化情况，及时采取防灭火措施，确保矿井安全生产。
一、兴安矿现状
兴安矿井煤系地层厚1120米，有煤层41个，其中可采和局部可采煤层23个，其中11、12、17-1、17-2、18、21、22、27、30号层共9个煤层属容易自然发火煤层，自燃发火期平均为5个月，由于煤层自燃发火期短，对煤层自然发火预测预报是重中之重。
二、兴安矿火灾预测预报技术
兴安矿井煤层自燃发火的预测预报技术采用气体检测法、测温法。
1、气体检测法采用气体传感器、检测管及色谱仪检测气体含量情况。气体传感器具有使用方便、电信号输出、易携带等特点，但稳定性、灵敏度和元件使用寿命仍不能满足要求；检测管操作误差大，不具备自动分析能力；色谱仪分析精确，稳定和可靠性高，但气体取样的钻孔工程量大。
2、测温法是采用温度计，测温电阻，红外测温仪等设备对煤层巷道内温度进行监测。温度计虽使用简单，但只能接触测量；测温电阻、红外测温仪虽然测量范围广、速度快、准确及灵敏度高，但极易受环境影响，对于光亮或者抛光的金属表面的测温读数影响较大，只限于测量巷道外部温度，无法测量采空区内温度变化情况。
以上预测预报技术所获得的信息是不完整的，无法全面的描述煤层自燃发火的过程，容易引起误报或者漏报，从而浪费大量人力物力进行灭火工作。为了完整反映煤层自燃发火温度变化情况，兴安矿引进测温光纤技术，通过对自燃发火煤层温度变化的监测监控，及时、准确、全面地预测预报煤炭自燃发火征兆，判断自燃发火发展的趋势，及时采取措施降低煤体温度，达到防止火灾发生的目的。
三、测温光纤系统的原理及组成
1、原理
测温光纤监测预报系统采用光纤测温技术，该技术为拉曼散射和光时域反射技术，可以实现温度和距离的测定。
拉曼散射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。
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：
V为光在光纤中传输速度；C为真空中的光速；n为光纤折射率。
光纤后向散射原理示意图
2、系统软硬件设备
测温光纤系统集光纤通讯、光纤传感、信号解调、报警控制等功能于一体。系统可分为五大组成部分：光信号发射模块、光信号接收模块、光波分复用模块、DSP数据处理模块以及定标控温模块。系统利用半导体激光器产生窄脉宽光脉冲信号进入光纤，经过光波分复用装置，将产生的拉曼散射光耦合至光电探测模块，由于受温度影响的反斯托克斯光信号很弱，采用双路微信号光电探测APD以及信号放大电路进行光信号和电信号之间的转换，将转换后相应的电压值经DSP高速处理芯片进行数据采集以及初步解调。
（3-3）
其中，k为玻尔兹曼常数，h为普朗克常数；c为真空中的光速；k为波尔兹曼常数；V0为入射光频度；T为绝对温度。
由上式可以看出，要得知光纤所处环境的实时温度T，必须知道T0，所以系统中引入一段定标光纤，对于固定的温度（控温模块定标温度）有：
所以有以上各式可以看出，温度信息T只是与光纤固定参数以及定标温度有关的量。
对温度测量点的空间定位是通过光时域反射（OTDR）技术实现的，当激光脉冲在光纤中传输时，由于光纤中存在折射率的微观不均匀性，会产生后向散射。入射光经过光纤中散射点返回到光纤入射端所需时间为t，则光纤中散射点与光纤入射端的距离L（如图3-6所示）为：
式中，V为光在光纤中传输速度；c为真空中的光速；n为光纤折射率。因此利用光时域反射技术可以确定沿光纤温度场中每个温度采集点的位置及异常温度点、光纤故障点、断点的距离定位信息。
2、测温光纤系统组成
测温光纤系统由测温光缆、矿用分布式温度检测仪、井下交换机、通讯光缆、井上交换机、井上PC机组成。
四、温控光纤的应用效果
兴安矿井在综采一队工作面布置了导温光纤系统，对采空区内温度进行了实时在线监测，提供了大量温度数据，准确地预报了采空区及巷道温度变化情况，合理有效的采取了防灭火工作，节省了是时间、减少人力和物力的消耗，确保了矿井的安全生产。
五、测温光纤系统的特点
1、通过光纤布置路线上的温度采集，实现了的温度数据实时在线采集，形成了实时数据库。
2、实时显示光纤路线上温度，对高温点进行准确定位。
3、当光纤上温度超过指定数值时或升温速度过快时，发出报警信息。
4、通过历史数据库，可查询、对比各个时间点、各个煤层的温度变化情况，并绘制曲线。
5、通过对数据分析，可对煤的氧化性、放热性、煤自燃的影响因素及煤自燃过程的特性进行研究，并能估算煤的氧化放热强度，形成数值模拟采空区自燃温度场、煤自燃危险区域判定等。
6、对存在煤炭自燃危险性的停采、缓采工作面实现煤层发火时的实时、准确、定位、监测预报，为采空区的自然发火防治提供技术支持，确保工作面停采、缓采期间的防灭火工作。火灾防控人员可以根据预测预报结果制定有效地防灭火技术措施，从而可以取得较好的经济效益和社会效益。
关键词：煤层自燃发火 温度变化监测监控 测温光纤系统
中图分类号：TM451+.7
煤层开采过程中一直伴随着煤炭自燃。目前，兴安煤矿煤层自燃火灾仍然十分普遍，大部分煤层都存在自燃发火危险，煤层自燃火灾严重制约矿井的安全生产。因此，煤炭自燃火灾的防治必须从源头开始，实时监控采空区温度变化情况，及时采取防灭火措施，确保矿井安全生产。
一、兴安矿现状
兴安矿井煤系地层厚1120米，有煤层41个，其中可采和局部可采煤层23个，其中11、12、17-1、17-2、18、21、22、27、30号层共9个煤层属容易自然发火煤层，自燃发火期平均为5个月，由于煤层自燃发火期短，对煤层自然发火预测预报是重中之重。
二、兴安矿火灾预测预报技术
兴安矿井煤层自燃发火的预测预报技术采用气体检测法、测温法。
1、气体检测法采用气体传感器、检测管及色谱仪检测气体含量情况。气体传感器具有使用方便、电信号输出、易携带等特点，但稳定性、灵敏度和元件使用寿命仍不能满足要求；检测管操作误差大，不具备自动分析能力；色谱仪分析精确，稳定和可靠性高，但气体取样的钻孔工程量大。
2、测温法是采用温度计，测温电阻，红外测温仪等设备对煤层巷道内温度进行监测。温度计虽使用简单，但只能接触测量；测温电阻、红外测温仪虽然测量范围广、速度快、准确及灵敏度高，但极易受环境影响，对于光亮或者抛光的金属表面的测温读数影响较大，只限于测量巷道外部温度，无法测量采空区内温度变化情况。
以上预测预报技术所获得的信息是不完整的，无法全面的描述煤层自燃发火的过程，容易引起误报或者漏报，从而浪费大量人力物力进行灭火工作。为了完整反映煤层自燃发火温度变化情况，兴安矿引进测温光纤技术，通过对自燃发火煤层温度变化的监测监控，及时、准确、全面地预测预报煤炭自燃发火征兆，判断自燃发火发展的趋势，及时采取措施降低煤体温度，达到防止火灾发生的目的。
三、测温光纤系统的原理及组成
1、原理
测温光纤监测预报系统采用光纤测温技术，该技术为拉曼散射和光时域反射技术，可以实现温度和距离的测定。
拉曼散射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。
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：
V为光在光纤中传输速度；C为真空中的光速；n为光纤折射率。
光纤后向散射原理示意图
2、系统软硬件设备
测温光纤系统集光纤通讯、光纤传感、信号解调、报警控制等功能于一体。系统可分为五大组成部分：光信号发射模块、光信号接收模块、光波分复用模块、DSP数据处理模块以及定标控温模块。系统利用半导体激光器产生窄脉宽光脉冲信号进入光纤，经过光波分复用装置，将产生的拉曼散射光耦合至光电探测模块，由于受温度影响的反斯托克斯光信号很弱，采用双路微信号光电探测APD以及信号放大电路进行光信号和电信号之间的转换，将转换后相应的电压值经DSP高速处理芯片进行数据采集以及初步解调。
（3-3）
其中，k为玻尔兹曼常数，h为普朗克常数；c为真空中的光速；k为波尔兹曼常数；V0为入射光频度；T为绝对温度。
由上式可以看出，要得知光纤所处环境的实时温度T，必须知道T0，所以系统中引入一段定标光纤，对于固定的温度（控温模块定标温度）有：
所以有以上各式可以看出，温度信息T只是与光纤固定参数以及定标温度有关的量。
对温度测量点的空间定位是通过光时域反射（OTDR）技术实现的，当激光脉冲在光纤中传输时，由于光纤中存在折射率的微观不均匀性，会产生后向散射。入射光经过光纤中散射点返回到光纤入射端所需时间为t，则光纤中散射点与光纤入射端的距离L（如图3-6所示）为：
式中，V为光在光纤中传输速度；c为真空中的光速；n为光纤折射率。因此利用光时域反射技术可以确定沿光纤温度场中每个温度采集点的位置及异常温度点、光纤故障点、断点的距离定位信息。
2、测温光纤系统组成
测温光纤系统由测温光缆、矿用分布式温度检测仪、井下交换机、通讯光缆、井上交换机、井上PC机组成。
四、温控光纤的应用效果
兴安矿井在综采一队工作面布置了导温光纤系统，对采空区内温度进行了实时在线监测，提供了大量温度数据，准确地预报了采空区及巷道温度变化情况，合理有效的采取了防灭火工作，节省了是时间、减少人力和物力的消耗，确保了矿井的安全生产。
五、测温光纤系统的特点
1、通过光纤布置路线上的温度采集，实现了的温度数据实时在线采集，形成了实时数据库。
2、实时显示光纤路线上温度，对高温点进行准确定位。
3、当光纤上温度超过指定数值时或升温速度过快时，发出报警信息。
4、通过历史数据库，可查询、对比各个时间点、各个煤层的温度变化情况，并绘制曲线。
5、通过对数据分析，可对煤的氧化性、放热性、煤自燃的影响因素及煤自燃过程的特性进行研究，并能估算煤的氧化放热强度，形成数值模拟采空区自燃温度场、煤自燃危险区域判定等。
6、对存在煤炭自燃危险性的停采、缓采工作面实现煤层发火时的实时、准确、定位、监测预报，为采空区的自然发火防治提供技术支持，确保工作面停采、缓采期间的防灭火工作。火灾防控人员可以根据预测预报结果制定有效地防灭火技术措施，从而可以取得较好的经济效益和社会效益。