煤矿自燃火灾光纤测温束管监测系统及方法

摘要

本发明涉及煤矿自燃火灾光纤测温束管监测系统及方法，属于监测和预报煤矿自燃发火趋势领域，包括束管监测系统和分布式光纤测温监测系统分别与监测分析系统相连；监测方法包括：A束管监测系统，采集井下气体并检测分析气体成分，将数据输送到监测主机；B监测主机依据步骤A数据计算出采集气体组成成分及含量，通过气体成分的变化判定发火趋势；C分布式光纤测温系统利用拉曼散射效应，得到整根光纤的不同位置的温度变化曲线，将相关数据输送到监测主机；D监测主机实时接收步骤C数据；E监测主机将步骤B数据与步骤D数据进行相关性统计分析，确定发火趋势，确定火源点的位置。本发明既能够判定发火趋势，同时又能确定火源点位置。

说明书

技术领域

本发明涉及一种煤矿自燃火灾光纤测温束管监测系统及方法，属于监测和预报煤矿自 燃发火趋势领域。

背景技术

据统计，在我国开采的煤矿中，存在自燃发火危险的矿井占总矿井数的70％左右，自 燃发火煤层占累计可采煤层数的80％，且自燃火灾发生的次数占矿井火灾总数的94％以上。 因此，自然发火事故的预防必然成为煤矿安全研究的重点。及时准确地发出火灾早期预报， 并能及时确定火源点位置，不仅可以及时采取防灭火措施，将火灾事故消除于萌芽状态， 而且大大减少灭火造成的经济损失，防止火灾甚至爆炸事故的发生，避免因此造成的巨大 经济损失。

研究表明，煤的自燃发展，一般要经过三个时期，即潜伏期、自热期和燃烧期。在潜 伏期，也称准备期，煤体温度与周围环境温度基本没有什么变化，但煤的着火温度降低， 化学活性增强。进入自燃期，煤的氧化速度增加，并分解出水、二氧化碳和一氧化碳。氧 化生成热开始使煤体温度升高，当煤温超过自热的临界值60～80℃时，煤温将急剧上升， 氧化速度加快，并出现煤的干馏，生成碳氢化合物C_mH_n、氢H₂及一氧化碳CO等可燃气 体。这时也是防火灭火最关键的时期。如果此时不及时采取一些防灭火措施，煤温将继续 上升至着火温度而进入燃烧期。

煤在氧化自燃过程中，不仅放出一定的热量，而且还热解释放出CO、C₂H₄和C₂H₆等 碳氢化合物，且分解的气体成分及其浓度与煤温之间有一定的对应关系。因此，直接检测 煤的热解气体产物和空气中成分变化即可判断煤的自燃发展程度，以便进行火灾的早期预 报。

目前，煤矿矿井安全束管监测系统已经开始在煤矿中得到越来越多的普及和应用。矿 井安全束管监测系统是借助束管将井下各处的空气抽取、汇总到指定的地点，再借助色谱 检测装置对管束所采集的空气样本进行分析，实现对CO、CO₂、CH₄、C₂H₄、C₂H₆、O₂、 N₂等气体含量的在线监测，其分析结果在以实时监测报告、分析日报两种方式提供数据的 同时，亦可自动存入数据库中，以便今后对某种气体含量的变化趋势进行分析，从而实现 了对矿井自燃火灾的早期预测，但是因矿井面积非常大，难以找到火源点，有时为避免爆 炸或造成大的火灾，不得不封闭矿井，造成巨大经济损失。

分布式测温光纤系统作为一种新兴的煤矿矿井火灾预警系统，可以实时、准确测知测 温光纤上的位置及温度，集传感和传输与一体，光纤既是感应器又是信号传输通道，系统 利用光纤所处空间温度场对光纤中的向后散射光信号进行调研，再经过信号调解、采集和 处理将温度及位置信息实时显示出来，设定预警温度，及时预警。

发明内容

本发明的目的是提供一种煤矿自燃火灾光纤测温束管监测系统，既能够判定发火趋势， 进行火灾预警，同时又可以测知火源点位置，极大便利了火灾治理，减少经济损失。

本发明的另一目的是提供一种煤矿自燃火灾光纤测温束管监测方法，对束管监测系统 的判断发火趋势的分析数据和分布式光纤测温监测系统的位置及温度的相关数据进行相关 性统计分析，确定发火趋势，确定火源点位置。

本发明所述的煤矿自燃火灾光纤测温束管监测系统，包括束管监测系统、分布式光纤 测温监测系统及监测分析系统；束管监测系统包括束管组件，束管组件与井上的控制柜之 间通过束管相连，控制柜连接色谱仪，色谱仪位于井上；束管组件包括单管，单管沿回风 巷道布置，并随采煤工作面推进不断移动，单管位于回风巷道内的一端设置粉尘过滤器， 另一端连接输气泵站，输气泵站与束管分路箱相连，束管分路箱与控制柜相连；分布式光 纤测温监测系统包括测温光纤与测温分站，采空区两侧回风巷道和进风巷道内分别布置测 温光纤，测温光纤与测温分站；监测分析系统位于井上，包括监测主机，监测主机连接交 换机，交换机分别与测温分站、输气泵站、控制柜、色谱仪相连。

本发明所述的煤矿自燃火灾光纤测温束管监测系统，束管监测系统采集井下气体，并 由控制柜将气体输送到色谱仪进行分析，色谱仪将分析数据传输到监测主机；分布式光纤 测温监测系统采集井下采空区测温光纤上相应位置及温度信息并将数据传输到监测主机； 监测主机对两组数据进行相关性统计分析，确认发火趋势，确定火源点位置。

所述的色谱仪连接报警装置，达到设定值时，及时报警；色谱仪对采样气体进行分析， 达到火灾预警的数据时，报警装置报警。报警装置为常规报警装置，可以设置声音报警、 短信报警等。

所述的控制柜连接2-60个束管组件，一般连接2个、3个、4个、5个、6个、7个、 8个、9个、10个、16个、30个、60个；所述的测温分站连接4-8条布置到不同矿井的测 温光纤，一般一个矿井布置2条测温光纤，分别布置在进风巷道和回风巷道；相应的，2 个矿井可以布置4条光纤，3个矿井可以布置6条光纤，4个矿井可以布置8条光纤，这8 条光纤可以连接到一个测温分站。分布式光纤测温监测系统可以设置多个，可以设置2-60 个，一般设置2个、3个、4个。可以同时对多个矿井设置束管监测系统，方便简单。

所述的测温分站连接报警装置，可以设置多种报警模式，比如连续升温报警、最高温 度报警、快速升温报警等，达到报警设定值后，报警装置报警。报警装置为常规报警装置， 可以设置声音报警、短信报警等。

分布式光纤测温监测系统能够准确测知光纤上相应位置及温度并实时返回数据，但是 因为受到周围工作设备温度影响，以及光纤距离火源点远近不同的影响，温度并不能绝对 反应火源温度，不能判定发火趋势。

束管监测系统采集井下气体，并由控制柜将气体分路输送到色谱仪进行分析，计算出 采集气体成分以及气体组成成分的含量，通过气体成分的变化趋势来判定发火趋势，监测 主机利用常规的爆炸三角形和四方图，烷烯比等数据规律判定发火趋势，确定发火趋势， 并将发火趋势的相关数据与分布式光纤测温监测系统输送到监测主机的温度及位置信息数 据进行相关性统计分析，确定发火趋势，并依据火源高温度位置分布，判定火源点的位置。

确定火源点的位置后，极大地提高了火灾治理可控程度，简化了火灾预防和治理，减 少了巨大的经济损失。对应束管监测系统预警级别，采取相应措施进行处置即可。

当一氧化碳气体含量缓慢上升，浓度达到100PPM以上，出现乙烷时，有发火可能， 早期预警，立即查看火源点位置，及时灭火。避免了原来需要人工查找火源点位置的繁杂， 有效节省了时间，能够在最关键的抢救时间做好抢救工作，减少了经济损失，避免了人员 伤亡。

一氧化碳气体含量缓慢上升，浓度达到300PPM以上，出现乙烯时，发火趋势较大， 中期预警；立即组织消防措施，组织人员到火源点位置及时灭火。避免了原来需要人工查 找火源点位置的繁杂，有效节省了时间，减少了经济损失，避免了人员伤亡。

当乙烷和乙烯比例达到1时，火灾即将发生，紧急预警；需要立刻灭火，或者采取其 他紧急措施，如无法确定火源点位置，根据情况需要封井以避免造成大的火灾或者爆炸。

监测主机是进行束管监控和光纤测温的操作控制、数据收集、数据处理分析、实现指 标气体趋势分析、煤矿自燃发火趋势判断、火源高温点判定、数据库存储、人机交互的计 算机软硬件系统。系统包含用户界面、设备控制、数据采集、数据分析、数据库系统、发 火预警、网络传输等模块。

交换机可实现双向信息传输功能，不仅可将来自于下端设备的信息经本设备内部的交 换机通过以太网传输出去，而且还可将来自于上端的信息传送给下端的以太网设备。

测温分站是利用铺设在井下的测温光纤作为温度传感器，采用拉曼散射效应和光时域 反射原理，分站对激光信号进行处理分析，来获取空间温度分布信息。其中光纤拉曼散射 效应用于实现温度测量，光时域反射测量技术用于实现温度定位。分站符合煤矿井下防暴 安全要求，具有光纤和网络数据接口。

测温光纤一种能传输光能的波导介质，能够利用拉曼反射和光时域反射原理将温度和 位置信息返回测温分站检测处理。

色谱仪是一种常规的气体分析仪器，用于检测气体组成成份和各成份的含量。基本原 理是由载气带入样气，通过色谱柱，使各组分分离，依次导入检测器，以得到各组分含量 相关的检测信号。按照导入检测器的先后次序，经过对比，可以区别出是什么组分，根据 峰高度或峰面积可以计算出各组分含量。

控制柜是一种将井下气体抽送至井上并传导至色谱仪中进行分析的一种仪器，由输出 控制接口板、电磁阀驱动电路、抽气泵、自动进样器等组成，它们各自装在微机和控制柜 内，并按规定的顺序和时间将气体送入气相色谱仪中。

束管具有阻燃抗静电特性的多路单管集束使用管路，用于运载井下气体。

束管分路箱由箱壳及滤水器组成，束管从需要进行检测的监测点分别接入分路箱一端 入口，经分路箱中的滤水器，从另一端出口连接到多路束管。

输气泵站是一种符合煤矿安全认证的气体传输驱动装置，用于将井下气体抽取输送送 至井上分析。具有除尘滤水，多路传输，网络远程控制的特点。

单管是一种运载井下气体单独管路，具有阻燃抗静电的特性，用于铺设到工作面采集 井下气体。

粉尘过滤器能够过滤粉尘杂质，可以过滤进入束管系统的井下气体中粉尘杂质。

本发明所述的煤矿自燃火灾光纤测温束管监测方法，包括如下步骤：

A束管监测系统，在监控主机的控制下，采集井下气体，井下气体通过粉尘过滤器过 滤掉粉尘，经过输气泵站的驱动，经束管分路箱将多余的水分过滤掉之后，集中输送到控 制柜，控制柜进行多路切换，将气体分别依次输送到色谱仪，色谱仪对气体进行色谱分析， 并将分析数据通过交换机输送到监测主机；

B监测主机采集色谱仪输送数据并进行分析，计算出采集气体成分以及气体组成成分 的含量，通过气体成分的变化趋势来判定发火趋势；

监测主机利用常规的爆炸三角形和四方图，烷烯比等数据规律判定发火趋势；当一氧 化碳气体含量缓慢上升，浓度达到100PPM以上，出现乙烷时，有发火可能，早期预警； 需要采取相应措施，查找火源位置并及时灭火，避免发生火灾，造成人员伤亡及财产损失；

一氧化碳气体含量缓慢上升，浓度达到300PPM以上，出现乙烯时，发火趋势较大， 中期预警；需要立即采取措施查找火源并立即灭火，及时组织人员撤退，避免人员伤亡及 财产损失；

当乙烷和乙烯比例达到1时，火灾即将发生，紧急预警；需要立刻灭火，或者采取其 他紧急措施，如无法确定火源点位置，根据情况需要封井以避免造成大的火灾或者爆炸。

C分布式光纤测温监测系统利用拉曼散射效应，通过采集和分析入射光脉冲在光纤内 传播时产生的拉曼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，可以得到整 根光纤的不同位置的温度变化曲线，将温度及位置信息通过交换机输送到监测主机；

D监测主机实时接收分布式光纤测温监测系统输送的温度及位置信息；

所述的步骤D，监测主机设置温度预警；温度超过设定温度后，报警装置自动报警；

E监测主机将步骤B的发火趋势的相关数据与步骤D的温度及位置信息进行相关性统 计分析，确定发火趋势，并依据火源高温度位置分布，确定火源点的位置。

确定发火趋势，并确定火源点的位置后，极大地提高了火灾治理可控程度，简化了火 灾预防和治理，减少了巨大的经济损失。对应束管监测系统预警级别，采取相应措施进行 处置即可。当一氧化碳气体含量缓慢上升，浓度达到100PPM以上，出现乙烷时，有发火 可能，早期预警，立即查看火源点位置，及时灭火；一氧化碳气体含量缓慢上升，浓度达 到300PPM以上，出现乙烯时，发火趋势较大，中期预警；立即组织消防措施，组织人员 到火源点位置及时灭火；当乙烷和乙烯比例达到1时，火灾即将发生，紧急预警。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

本发明所述的煤矿自燃火灾光纤测温束管监测系统突破性的采用分布式光纤测温监测 系统和束管监测系统组合，既能够判定发火趋势，进行火灾预警，同时又可以准确测知火 源点位置，为煤矿火灾预警、火灾治理带来突破性进步，有效抓住火灾初期的关键抢救时 间，有效减少煤矿火灾发生概率，避免煤矿火灾或者封井带来的巨大经济损失；

本发明所述的煤矿自燃火灾光纤测温束管监测方法，方法简单，安全可靠，确认发火 趋势，确认火源点位置。

附图说明

图1是本发明的一实施例的结构示意图。

图中：1、监测主机 2、交换机 3、色谱仪 4、控制柜 5、束管 6、束管分路箱  7、输气泵站 8、单管 9、回风巷道 10、粉尘过滤器 11、采空区 12、工作面 13、 进风巷道 14、测温光纤 15、测温光纤 16、测温分站。

具体实施方式

下面结合实施例对本发明做进一步描述：

如图1所示，本发明所述的煤矿自燃火灾光纤测温束管监测系统，包括束管监测系统、 分布式光纤测温监测系统及监测分析系统；束管监测系统包括束管组件，束管组件与井上 的控制柜4之间通过束管5相连，控制柜4连接色谱仪3，色谱仪3连接报警装置，色谱 仪3位于井上；束管组件包括单管8，单管8沿回风巷道9布置，并随采煤工作面12推进 不断移动，单管8位于回风巷道9内的一端设置粉尘过滤器10，另一端连接输气泵站7， 输气泵站7与束管分路箱6相连，束管分路箱6与控制柜4相连；分布式光纤测温监测系 统包括测温光纤与测温分站16，采空区11一侧的回风巷道9内布置测温光纤15，另一侧 的进风巷道13内布置测温光纤14，测温光纤14和测温光纤15分别与测温分站16相连， 测温分站16连接报警装置；监测分析系统位于井上，包括监测主机1，监测主机1连接交 换机2，交换机2分别与测温分站16、输气泵站7、控制柜4、色谱仪3相连。

控制柜4连接2-60个束管组件，一般连接2个、3个、4个、5个、6个、7个、8个、 9个、10个、16个、30个、60个；测温分站16连接4-8条布置到不同矿井的测温光纤， 一般一个矿井布置2条测温光纤，分别布置在进风巷道13和回风巷道9；相应的，2个矿 井可以布置4条光纤，3个矿井可以布置6条光纤，4个矿井可以布置8条光纤，这8条光 纤可以连接到一个测温分站16。分布式光纤测温监测系统可以设置多个，可以设置2-60 个，一般设置2个、3个、4个。可以同时对多个矿井设置束管监测系统，方便简单。

工作原理：

束管监测系统采集井下气体，并由控制柜4将气体分路输送到色谱仪3进行分析，计 算出采集气体成分以及气体组成成分的含量，通过气体成分的变化趋势来判定发火趋势， 色谱仪3将分析数据传输到监测主机1；分布式光纤测温监测系统采集井下采空区11测温 光纤上相应位置及温度等信息并将信息传输到监测主机1；监测主机1对两组数据进行相 关性统计分析，确认发火趋势，确定火源点位置。

本发明所述的煤矿自燃火灾光纤测温束管监测方法，包括如下步骤：

A束管监测系统，在监控主机的控制下，采集井下气体，井下气体通过粉尘过滤器10 过滤掉粉尘，经过输气泵站7的驱动，经束管分路箱6将多余的水分过滤掉之后，集中输 送到控制柜4，控制柜4进行多路切换，将气体分别依次输送到色谱仪3，色谱仪3对气体 进行色谱分析，并将分析数据通过交换机2输送到监测主机1；

B监测主机1采集色谱仪3输送数据并进行分析，计算出采集气体成分以及气体组成 成分及含量，通过气体成分的变化判定发火趋势；

监测主机1利用常规的爆炸三角形和四方图，烷烯比等数据规律判定发火趋势；当一 氧化碳气体含量缓慢上升，浓度达到100PPM以上，出现乙烷时，有发火可能，早期预警； 需要采取相应措施，查找火源位置并及时灭火，避免发生火灾，造成人员伤亡及财产损失；

一氧化碳气体含量缓慢上升，浓度达到300PPM以上，出现乙烯时，发火趋势较大， 中期预警；需要立即采取措施查找火源并立即灭火，及时组织人员撤退，避免人员伤亡及 财产损失；

当乙烷和乙烯比例达到1时，火灾即将发生，紧急预警；需要立刻灭火，或者采取其 他紧急措施，如无法确定火源点位置，根据情况需要封井以避免造成大的火灾或者爆炸。

C分布式光纤测温监测系统利用拉曼散射效应，通过采集和分析入射光脉冲在光纤内 传播时产生的拉曼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，可以得到整 根光纤的不同位置的温度变化曲线，将温度及位置信息通过交换机2输送到监测主机1；

D监测主机1实时接收分布式光纤测温监测系统输送的温度及位置信息；

所述的步骤D，监测主机1设置温度预警；

E监测主机1将步骤B的发火趋势的相关数据与步骤D的温度及位置信息进行相关性 统计分析，确定发火趋势，并依据火源高温度位置分布，判定火源点的位置。

确定发火趋势，并确定火源点的位置后，极大地提高了火灾治理可控程度，简化了火 灾预防和治理，减少了巨大的经济损失。对应束管监测系统预警级别，采取相应措施进行 处置即可。当一氧化碳气体含量缓慢上升，浓度达到100PPM以上，出现乙烷时，有发火 可能，早期预警，立即查看火源点位置，及时灭火；一氧化碳气体含量缓慢上升，浓度达 到300PPM以上，出现乙烯时，发火趋势较大，中期预警；立即组织消防措施，组织人员 到火源点位置及时灭火；当乙烷和乙烯比例达到1时，火灾即将发生，紧急预警。

确认发火趋势，确定火源点位置，为火灾治理提供了可靠依据，为消防救灾赢得了宝 贵的抢救时间，操作简单，避免了巨大的经济损失。