一、 前言
目前矿井火灾一直是我国煤矿的主要灾害之一，国家对其的防止与治理非常重视，《煤矿安全生产“十二五”规划》也提出了要进一步加大火灾预防、监测预警技术的研究，有效防范和消除煤矿电缆、胶带、电气、煤自燃等火灾隐患。目前,对煤矿火灾的监测方法主要有电阻率法、气体探测法、红外探测法和自燃温度探测法等,但都存在一定的弊端，均不能满足矿井火灾预警的需要。[1]而光纤测温技术集传感和传输技术于一体，可以实现远距离的温度监测,并且适用于易燃易爆、强电磁干扰的环境。因此光纤测温技术在煤矿中是完全可以应用并具有广泛发展前景的。
二、分布式光纤测温系统的基本原理及优点
1、分布式光纤测温系统的基本原理
分布式光纤测温系统是以光波为载体，光纤为媒质，感知和传输外界被测量信号的新型传感技术，相比传统传感技术它有很多优点，可以同时获得被测物理量及被测物理量的时间和空间分布，可以用一条光纤来取代传统的数百个点阵组成的传感器阵列，从而降低了系统复杂度。[2]
目前常见的分布式温度测试系统绝大多数都是基于后向拉曼(Raman) 散射效应进行设计的。拉曼散射是由于光纤分子的热振动，它会产生一个比光源波长长的光，称斯托克斯(Stokes)光，和一个比光源波长短的光，称为反斯托克斯(Anti-Stokes)光。[3]
其测温原理如下：激光脉冲由光纤始端处注入，脉冲大部分能传到光纤末端而消失，但一小部分后向散射光会沿着光纤反射回来，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，会产生拉曼散射，因此，光纤测温的机理是依据后向拉曼散射光谱的温度效应。拉曼散射光由反斯托克斯拉曼散射光和斯托克斯拉曼散射光组成，前者对温度特别敏感，而后者与温度关系很小。[4]在系统中光纤既是传输媒体又是传感媒体，利用光纤反向拉曼散射温度效应，光纤所处空间各点温度场调制了光纤中后向拉曼散射的强度，经波分复用器和光电检测器采集带有温度信息的后向拉曼散射光电信号，再经信号处理、解调后，将温度信息实时地从噪声中提取出来并进行显示。
2、系统优点
1) 玻璃材料绝缘性能优良。
2) 传感电源无源、本质安全。
3) 抗电磁干扰能力强。
4) 耐温特性好。
5) 灵敏度高。
6) 光纤能够柔性弯曲，便于施工。
7) 容易实现对被测信号的远距离监控。
8) 结构简单、体积小、重量轻、耗电少。
三、典型测温技术比较
三种测温技术优缺点比较如下：
四、分布式光纤测温系统组成及主要功能
1、系统组成
分布式测温系统主要由系统服务器、DTS测温主机、测温光缆及系统软件等部分组成。[5]
2、系统主要功能
温度采集：从被测区域沿着测温光缆逐点采集温度信息，形成数据库；
实时曲线：显示当前区域采集所得的实时温度曲线；
地图指示：在地图上显示光缆铺设路径，并且标识火警或故障位置；
分区报警：被测区域可划分成多达500个分区，每个分区可采用不同的报警策略；
分级报警：报警可分多个等级报警；
定温报警：当分区中的任意一点温度达到设定的阈值时发出报警信号；
温升速率报警：当分区中的任意一点温升速率达到设定的阈值时发出报警信号；
温差报警：当分区中的任意一点与分区的平均温度差值达到设定的阈值时发出报警信号；
报警方式：针对系统故障以及火警发出不同的声光报警信号，同时通过48路继电器输出联动控制信号；
历史数据浏览：可查询被监控区域内任意一点的历史数据，生成图形、报表；
通信接口：提供RJ45、RS485多种通信接口与消防中心或中控室通讯；
远程维护：可通过因特网对现场设备进行远程监控、诊断和维护；
五、分布式光纤测温系统在煤矿企业中应用
1.煤矿电力系统测温应用
煤矿生产主要是采煤，采煤现场需要很多机电设备，由于机电设备在运行过程中经常受到电、热或自然环境影响，长期工作引起设备老化、疲劳，导致性能下降。可靠性降低，危及系统的安全运行。[6]如开关柜、环网柜触头或电缆接头等位置因接触不良，接触电阻增大，导致触头温升过高，引起火灾、爆炸等事故。因此，有必要对电力设备进行实时、在线监测，及时发现故障，将事故消除在萌芽状态，延长设备使用寿命。
(1) 在测量开关柜母线接头、断路器接头、电缆端子接头、变压器接头等高电压节点（对绝缘性能要求很高）的时候，选用KSNR-TCABEL-03全非金属测温光缆；
(2) 在测量电缆、电缆接头、箱变环境温度时，对绝缘要求不是那么高，就选用KSNR-TCABEL-01铠装光缆；
图6-1 煤矿电力系统测温中应用（绑扎点示意）
2.电缆桥架中应用
对于电缆引发的火灾，在事故以前的物理过程大致相同：电缆某处绝缘受损→ 间歇或连续放电→电缆绝缘明显下降造成局部发热→电缆某处爆炸或发生电弧并产生不良气体→整个电缆隧道（桥架）失火。从电缆局部温度异常到火灾发生一般有较长的时间，若能及时检测到电缆温度的异常并及时采取措施，就完全可以防止火灾事故的发生。[7]因此， 检测电缆温度对于防止电缆引发火灾显得尤为重要。
图6-2煤矿电缆桥架测温中应用（敷设示意）
3.煤矿带式输送机系统测温应用
带式输送机作为煤炭装卸主要设备，因其自动化、专业化程度较高和连续化、大运量的作业方式。在煤炭装卸过程中发挥了极其重要的作用。但随着设备的使用和逐年老化，导致火灾隐患的因素随之增多。如一旦发生火灾，将造成不可挽回的损失，甚至伤及人员。因此，对皮带机的火灾监测是非常必要的，以确保输煤系统的正常运行，保障国家财产和生命安全。利用先进的分布式光纤测温预警系统实时监测电力输煤皮带机承载托辊、回程托辊及皮带机滚筒的温度情况。[8]分布式光纤测温预警系统的测量部分是光缆，完全无源，自身不会引起危险和爆炸，这对装卸易燃物品的皮带机火灾监测具有非常重要的意义。
图6-3 煤矿带式输送机系统测温系统拓扑图
图6-4分布式光纤测温系统在带式输送机布置示意点
图6-4中B1，B2位置可以有效的检查上层带式输送机托辊及皮带上煤的温度，由于该位置在工人在检修带式输送机时易误操作剪断测温光纤，实际应用维护量较大，不推荐使用；D位置仅能监测下层托辊的温度，对上层托辊及皮带不能有效监测，不推荐使用；C位置可以兼顾上下层托辊及皮带的温度监测，且位置较隐蔽，不易因为误操作而剪断光纤，实际使用中效果比较理想；A位置可以配合C位置，监测皮带上煤的自燃情况，对长距离带式输送机的保护有一定的意义。本次调研厂家已实施的神华准能选煤厂胶带机和电缆测温系统项目中，共47台带式输送机，总长约12km，采用的即为C1位置的监测方案。
图6-5 分布式光纤测温系统在带式输送机现场布置(C1点)
六、分布式光纤测温系统在煤矿企业中应用中常见问题
通过对分布式光纤测温系统在现场应用中的反馈，应用中遇到的主要问题如下：
1. 在现场应用中，工人培训没有到位，工人在检修带式输送机时误操作剪断测温光纤。
应对：加强工人培训，识别测温光纤，并制定光纤保护措施。
2. 在现场应用中，工人清扫带式输送机，用水冲洗时，误将测温光纤冲落。
应对：加强工人培训，识别测温光纤，并制定光纤保护措施。
3. 在现场施工中，在电缆接头处布置测温光纤，绕1-2米，保证光纤对该点的测量精度。
4. 系统主机，在运送途中及使用中，因震动等外界因素，导致硬盘存储出现问题。
应对：系统将原来的传统硬盘改为固态硬盘，保证系统存储稳定性。[9]
七、结束语
通过本次调研，对分布式光纤测温系统的原理、分类及在煤炭行业中的应用有了一定的了解，认识到光纤传感技术在煤矿安全领域有比较广阔的应用前景，在应用中有较多优点，主要以下几点：
1. 分布光纤测温系统中的检测光纤不带电、抗射频和电磁干优，防燃、防爆、抗腐蚀、耐高电压和强电磁场、耐电离辐射，能在有害环境中安全运行是实用的“本安”型传感器。
2. 分布式光纤测温系统的传感介质为光纤，通过光纤光学特性的改变产生传感量，在测量过程中只有光信号产生。相对于传统的电子传感器来说，传感器部份无需电源，其安全性和适应能力大为提高。
3. 分布式光纤测温系统在实践中，对于监测距离长，测试点多的应用，电子传感系统的复杂度和成本迅速增加，而光纤传感系统则体现出了极大的优势。这一点在设备、电缆温度测试时效果特别明显。因为井下的设备非常多，而电缆也很长，在过去如果要对这些设备进行全面监控，其代价是非常大的。但是，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，通过全理的布点，其监测覆盖面可以达到全部机电设备。
4. 对于采空区这种无法进行人工维护的地方，分布式光纤测温系统表现出了极大的优势，它无需维护，本质安全，可以大面的监测采空区，成本低廉，可靠性和准确性高，寿命长，这对于防止采空区火灾，减少损失有着非常重大的意义。
5. 维护工作量小、成本低。光纤传感系统中，现场只有传感光纤，由于井下环境比较复杂，对于电子传感器，其线路发生故障时，检修与日常维护都非常麻烦，而光纤传感系统具有自定位功能，其故障点的查找非常方便。而由于光纤本身的成本比电缆成本低，增加监测点或监测通道的成本大大低于电子传感系统。
6. 分布式光纤测温系统中，WEB监控技术的应用使远程监控成为了可能，用户可以利用一切可以访问互联网的终端设备接入和监测，对于事故的应急处置有着非常重大的意义。
参考文献
[1] 张国顺,何家祥,肖桂香.光纤传感技术（第1版）[M].北京:水利电力出版,1988:4-5.
[2] 胡晓东,刘文辉,胡小唐.分布式光纤传感技术的特点与研究现状[J].航空精密制造技术,1999,35(1):9-11.
[3] 徐升槐.基于OFDR的分布式光纤传感技术的研究[D].杭州:浙江大学,2011:1-2.
[4] 黄尚廉.分布式光纤传感器现状与动向.光电工程,2000,(3):57-62.
[5] 光纤测温主机/DTS Unit.http://www.zdong.net/products/l/html.
[6] 黎敏,廖延彪.光纤传感器及其应用技术.武汉:武汉大学出版社,2008:1-2.
[7] 简燕红.拉曼型光纤温度传感系统信号处理的研究与实现[D].河北:华北电力大学,2010:6-7.
[8] Ryozo R.Yamauchi,Alan T.Shiota. Practical applications of temperature distribution sensing by Raman backscattering in optical fibers. Proc.SPIE 1797,1993:119-124.
[9] D.K.Gifford,M.E.Froggatt,M.S.Wolfe,et al.Millimeter Resolution Otpical Reflectometry Over Up to Two Kilometers of Fiber Length.IEEE,2007:52-53.
作者简历：秘雁翔（1983年5月），男，河北石家庄人，2005年7月毕业于山西大学网络技术与信息处理专业，后续于2020年1月毕业于太原理工大学采矿工程专业，现就职于山西小回沟煤业有限公司。
