分布式光纤测温技术在火区爆破中应用.pdf

第 3 2卷第 4期 2 0 1 5年 1 2月 爆破 BLAS TI NG Vo 1 ． 3 2 N o ． 4 De e ． 2 01 5 d o i 1 0 ． 3 9 6 3 ／ j ． i s s n ． 1 0 0 1 4 8 7 X ． 2 0 1 5 ． 0 4 ． 0 2 7 分布式 光纤测温技术在火 区爆破 中应用 术 林 谋 金 ， 刘 昆 ， 石 文 才， 李 君 亭 宏大矿业有 限公 司 ， 广州 5 1 0 6 2 3 摘要 为 了满足 多点测 量、 响应时 间短 、 精 度高 以及测温 范围广等要 求， 将分布式光纤测温技术应用到 高 温火区炮孔测温中。为了适应高温炮孔中温度高、 湿度大等复杂条件， 采用镀金光纤作为分布式光纤测温系 统的测温段。现场试验表明分布式光纤测温系统能快速获得炮孔温度分布情况， 通过比较同一炮孔在注水 降温前后的温度， 结果表明 炮孔温度在注水降温停止后的较短时间内即可回升至降温前的温度 ， 因此现场 装药连线等爆区区域内的工作需要在抽出水管后的较短时间内完成。 关 键词 露 天开采；分布式光 纤温度传 感技 术；火区爆破 ；B O T D R技 术 中图分类号 T D 2 3 5 ． 3 文献标识码 A 文章编号 1 0 0 1 4 8 7 X 2 0 1 5 0 4 0 1 4 1 0 4 Ap p l i c a t i o n o f Di s t r i b ut e d Op t i c a l Fi b e r S e n s i n g Te c h no l o g y i n Fi r e Ar e a Bl a s t i ng L I N Mo u - fi n ， L I U K u n ， S H I W e n c a i ， L I J u n t i n g Ho n g d a M i n i n g C o L t d ， G u a n g z h o u 5 1 0 6 2 3 ， C h i n a Ab s t r a c t I n o r d e r t o me e t t h e s p e c i a l r e q u i r e me n t s i n c l u d i n g mu hi p o i n t me a s u r e me n t ， r e s p o n s e t i me ， p r e c i s i o n a n d t e mp e r a t u r e r an g e ． 1【 h e d i s t ri b u t e d o p t i c al fi b e r s e n s i n g t e c h n o l o g y wa s a p p l i e d i n t h e fi r e a r e a b l a s t i n g ． T o a d a p t t o t h e c o mp l e x e n v i r o n me n t i n b l a s t h o l e， s u c h a s h i g h t e mp e r a t u r e a n d h i g h h u mi d i t y ， t h e g o l d p l a t e d o p t i c a l fi b e r wa s u t i l i z e d ． T h e r e s u l t s o f fi e l d e x p e ri me n t s h o w t h a t t h e d i s t ri b u t e d o p t i c a l fi b e r s e n s i n g t e c h n o l o gy c o u l d q u i c k l y o b t a i n t e mp e r a t u r e d i s t r i b u t i o n i n t h e b l a s t h o l e ． Co mp a ri n g t h e t e mp e r a t u r e i n t h e S a B l e b l a s t h o l e b e f o r e a n d a f t e r c o o l i n g b y w a t e r i n j e c t i o n ， t h e r e s u l t s s h o w t h a t t h e h o l e t e m p e r a t u r e c a n b e b a c k t o t h e f o r m e r i n a s h o r t t i m e ， t h e r e - f o r e ， t h e fi e l d w o r k s u c h a s fie l d c h a r g i n g a n d c o n n e c t i v i t y s h o u l d b e p e r f o r me d q u i c k l y a f t e r p i p e e x t r a c t i o n ． Ke y wo r ds o p e n p i t mi n i n g；d i s t r i b u t e d o p t i c al fi b e r s e n s i n g t e c h n o l o gy ；fi r e a r e a b l a s t i n g ；b r i l l o u i n o p t i c al t i me d o ma i n r e fl e c t o me t e r 目前我国进行露天矿I 』 J 开采基本上是采用爆破 开采 ， 但某些含硫矿与煤炭等矿 山存在长时间 的 自 燃现象并造成矿产资源本 身和周边岩石产生高温现 象 ， 其不利于爆破开采 ， 因此打孔后需要快速准确获 得炮孔内部的温度分布， 为高温矿区爆破方案设计 提供依据。束学来通过对 比不同测温技术的特点， 收稿 日期 2 0 1 5 0 80 1 作者简介 林谋金 1 9 8 5一 ， 男 ， 博 士、 工程 师 ， 主要从事爆 炸力学及 高温火区爆 破相 关 领域 研 究 ， E m a i l l m j 2 0 1 2 p t 1 6 3 ． oom 。 基金项 目 广东省产学研合作院士 亡作站 2 0 1 3 B 0 9 0 4 0 0 0 2 6 认为热电偶测温具有可靠性高以及响应时间快等特 点 ， 其 比较适合火 区炮孔测温 ， 但 同时指出热电偶测 温技术应 向多点测 温与无线技术方 向发展⋯。根 据所使用的测温仪器 的测量体是否与被测介质接触 可分为接触式测温法和非接触式测温法两大类 ， 接 触式测温法 的优点是测温准确度高 ， 其缺点是感应 温度速度较慢 ， 如 电量式测温 。非接触式测温法具 有较高的测温上 限以及响应速度快等优点 ， 其缺点 是容易受到炮孔孔深、 烟尘 、 水汽等因素影响导致误 差较大， 另外该方法所测得温度不能确定是哪个具 体位置的温度 ， 如红外测温。上述两种测温方法一 1 4 2 爆破 2 0 1 5年 1 2月 次只能测一个点， 无法满足现场施工 中快速获得整 个炮孔温度分布的要求 。随着科技 的发展， 光纤测 温技术开始在工程领域得到应用 ， 但还未见到其在 高温矿区炮孔测温方面的报道。刘媛通过在室内模 拟井下温度环境对分布式光纤测温进行温度标定实 验 ， 为该技术在油井井下温度测量提供依据_ 2 J 。为 了满足高温炮孔测温中要求测温响应速度快、 多点 测温以及测温不受水汽粉尘影 响等要求 ， 将尝试通 过分布式测温技术快速获取高温炮孔 的温度 分布， 为高温炮孔的测温提供一种参考方法。 1 工程概 况 大峰露天煤矿位于宁夏回族 自治区贺兰山北部 腹地， 属汝箕沟矿区中部， 是我国优质太西煤的产 地。大峰矿原先采用井下开采 ， 2 0 0 7年底进行上部 硐室揭顶爆破后采用露天开采， 但在后期露天台阶 爆破时一直受到煤层火 区 自燃 的 困扰 。火区范 围长约为 2 1 4 0 1 i “1 ， 宽 约为 5 0 m， 火 区总面积 约为 1 0 ． 7万 m ， 火 区强火带面积约为 4 ． 2万 m ， 约 占火 区总面积 的 3 9 ％ ， 同时约 占采 区总面积 的 6 ． 5 ％。 受下部煤层火区的影响， 自燃矿区普遍存在I O 0 C～ 1 5 0 c c间的高 温区， 有时也会 出现 3 0 0 ℃ ～5 0 0 c 【 超 高温区， 因此在高温矿区爆破方案设计前需要准确 测量出炮孔内部的温度分布， 其炮孔测温存在 自身 的特殊性 ， 具体可归纳如下几点 1 测温范围广。宁煤集团多数矿区存在高温 问题 ， 以汝淇沟矿区为例 ， 温度异常 区域 中 4 5 ％ 的 炮孔 温 度 在 6 0 C ～I O 0 C， 2 5 ％ 的炮 孔 温 度 在 1 0 0 ℃ ～ 1 5 0 o C， 1 5 ％的炮孔温度在 1 5 0 o C～2 5 0 o C之 间， 1 5 ％的炮孑 L 温度在 2 5 0 o C以上。 2 可多点 同时测量。高 温炮孔 的成 因很 多， 包括有岩石裂隙溢出的热气导致高温以及有岩体整 体被加热导致的高温 ， 这些不 同因素导致炮孔 内不 同深度的温度差异性 ， 炮孔 内温度与孔深关 系无规 律可循 ， 因此测温时需要一次多点测量。 3 响应时间短 。炮孑 L 测温一次需要测量几个 甚至几十上百个炮孔 ， 因此每个炮的测量 时间必须 尽量缩短。 4 精度要求高。为了使测温结果能够为火 区 爆破方案设计提供依据， 要求测温结果尽量准确。 5 便于操作。 由于现场环境复杂 ， 要求测温 装置便于现场作业人员操作。 综上所述， 由于高温火区炮孔存在 自身的特殊 性 ， 其对测温手段有一定的特殊要求 ， 因此研究高温 火区炮孔的测温技术对矿山安全生产有一定意义。 2 分布式光纤测温 系统原 理及应 用 分布式光纤温度传感器获取空间温度分布信息 的原理是利用光在光纤 中传输能够产生后 向散射 ， 在光纤中注入一定能量和宽度的激光脉 冲， 其在光 纤中传输 的同时不 断产生后 向散射光波 ， 这些光波 的状态受到所在光纤散射点的温度影 响而改变 ， 将 散射 回来 的光波经波分复用 以及检测解调后送人信 号处理系统进行处 理 ， 处理后便可将温度信号实时 显示 出来 ， 另外由光纤 中光波 的传输速度以及背 向 光回波的时间可对 这些温度信息进行定位 ， 其原理 与结构图如图 1 所示l 5 J 。 图 1 分布 式光纤温 度传感 系统 F i g ． 1 T h e d i s t r i b u t e d o p t i c a l fi b e r t e mp e r a t ur e s e n s i n g s y s t e m 采用镀金光纤作为分布式光纤测温系统的测温 段光纤 ， 其耐热性能好 ， 即可满足深入孔内的测温部 分在7 0 0 C 高温时可以不熔化与不变形， 且工作状 态正常 ， 另外在温度频繁快速变化 的情况下也 能保 持光纤本身性能的稳定， 同时测温范围可通过选用 光纤光缆进行调整 。分布式光纤测温系统采用先进 的 O T D R技术和 R a ma n散射光对温度敏感 的特性 ， 探测出沿着光纤不同位置 的温度的变化， 实现真正 分布式的测量 。 目前大多数分布式光纤测温系统的测量精度为 -4 - 1 o C， 同时可满足高温条件下测得的温度与实际温 度 的误差控制在 2 ％以内。为了使测温响应时间缩 短 ， 则需要感温段光纤温度传导速 度快 以及解调器 的扫描时间要尽可能缩短 ， 目前激 光发生器配合扫 描频率周期一般为 4 s 。另外光纤的材料一般 皆为 石英玻璃， 其具有不腐蚀、 耐火、 耐水及寿命长的特 性 。综上所述 ， 分布式光纤测温系统能够符合火 区 炮孔测温的特殊要求 。 第 3 2卷第 4期 林谋金， 刘昆， 石文才， 等分布式光纤测温技术在火区爆破中应用 1 4 3 3 试验 结果与分 析 3 ． 1 现场试 验 在高温火区爆破装药前一次测量 1 6个炮孔 ， 每 个炮孔距离 1～ 5 m不等。炮孔一般为地面垂直 向 下 ， 偶尔有小倾角的炮孔 ， 其直径为 1 4 0 m m， 试验炮 孔深度最深为 1 6 m， 因此要求光纤测温段长度不短 于 1 6 m， 其 可保证测到孔底温度 ， 另外孔外需要预 留 2 ． 5 m用于连接读数装置 。由于炮孔内部各个位 置的温度值变化较大 ， 因此在炮孔 内各个测温感应 器的间距越小越能够精确地反映出孔 内温度的变化 规律 ， 试验 中光纤 测温段采用镀 金分布式 光纤 ， 每 0 ． 5 m设置一个测温点 可根据实际需要缩小测 温 点间距 ， 光纤外面包裹耐高温合金钢 ， 整个测温段 呈铁丝状 ， 直径 3 m m 以下 光纤底端端头采用合 金钢密封 ， 炮孔外另一端测 温光纤连接普通软皮 光 纤 ， 软皮光纤连接处理器的接头 ， 所有 的连接处用绝 缘胶缠绕保护 。具体的试验操作步骤为 1 仪器连接。将测温段连接头快速插入处理 器接 口， 如连接头有污损 用酒精进行擦拭后再接入 处理器 ， 处理器与电脑用普通网线连接 ， 处理器使用 移动 电源 2 4 V， 1 2 A 供 电。 2 检测光纤测温段工作情况 。将处理器与电 脑开机 ， 打开对应测温软件 ， 将测温段分别放置在流 动空气中读取温度值 ， 再变陕放置位置 ， 例如放置高 温炮孑 L 孔 口处观察温度显示 的变化情 况 ， 停 留时间 在一个扫描频率周期 以上 ， 如果 曲线发生波动即可 判断连接良好。检查测温段通体有无折断破损， 如 果无异常情况进行下一步操作。 3 塑型下放 。测温段 有一定硬度 ， 下放前需 要佩戴防护手套将其捋直， 下放过程中需要旋转抖 动下放 ， 避免下放过程 中出观卡头情况 ， 另外光纤测 温段标有刻度 ， 可根据炮 孔对应 的钻孔深度记录判 断下放是否触底。 4 读取温度曲线 。测量得到 的温度在 电脑显 示屏上以曲线形式显示 ， 横坐标为光纤长度刻度 ， 纵 坐标为所测得的温度。每个扫描周期都能储存温度 曲线及对应数据 ， 温度 曲线不再 变动 即可判断 已经 测得炮孔 的最终温度 ， 通过前查可得 到每个扫描周 期的温度变化曲线数据并推断出测得最终温度所需 时间。将 鼠标移至 曲线上要判读 的点 ， 测温软件会 自动显示出该点 的空间位 置和温度值 ， 由此可快速 判断炮孔 中的最高与最低温度段 ， 为后期降温 、 装药 等施工操作提供参考。 一 个炮孔测量完毕后 ， 不必再卷 曲回收测温段 ， 而是直接抽出并保持测温段 的直线状 态 ， 可省去捋 直的过程 ， 以便 于下一个炮 孔测量 ， 在 回收测温段 时 ， 需要戴防护手套避免烫伤。在测温操作过程 中 需要对测温段进行快速 收放 ， 以缩短测温 以外的时 间 ， 同时可起到保护测温装置 的作用。当全部炮孔 测量完毕后 ， 测温段需要盘型 回收 ， 切忌出现折断。 试验现场如图 2所示。 图 2 试验现场 F i g ．2 T h e fi e l d e x p e r i me n t 3 ． 2结果分 析 测温试验共完成 1 6个炮孔 的温度 测量 ， 总长 1 4 1 m， 有效用时共计 6 2 rai n ， 选取其 中一组炮孔温 度分布曲线如图 3所示。 3 2 0 2 8 0 2 4 0 2 0 0 越1 6 0 赠 1 2 0 8 0 4 0 O 9 9 1 0 0 1 O1 1 O 2 l 03 1 0 4 1 O5 1 O6 1 O7 1 O8 1 09 距 离 ， m 图 3 炮孔温度分布 曲线 Fi g ．3 The t e mp e r a t u r e di s t r i bu t i o n c ur v e 由图 3可得 ， 该炮孔 的温度异常段为孔底到离 孔底 7 m的位置 ， 其 中最高温度位于离孔底 5 m 的 位置 ， 其温度达到 3 0 4 ． 5 8℃ ， 另外离孔底 5 m到离 孔底 7 m的炮孔为温度升高的过渡段。综上所述 ， 通过分布式光纤测温系统可快速获取炮孔中温度随 深度变化的曲线， 从而进一步得到最高温度的数值 1 4 4 爆破 2 0 1 5年 1 2月 与深度位置以及温度异常段的分布位置 。 取一温度异常的炮孔进行 了注水降温后重新进 行温度测量 ， 通过 比较注水 降温前后 的炮孔温度分 布曲线可得 ， 注水降温停止后 的较短时间内炮孔温 度即可回升至降温前的温度值， 因此在爆破装药前 需要多个注水管同时对不 同的炮孔进行注水降温 ， 并且在抽 出水管后的较短时间内完成装药连线等爆 区区域内的工作。 4 结论 通过现场试验将分布式光纤测温技术应用到高 温炮孔测量中， 得到的结论如下 1 分布式光纤测温系统测温段使用 的镀金光 纤为合金钢包裹 ， 耐热性能好 ， 可测量 4 0℃ ～ 7 0 0 c c 之间的炮孔温度 ， 为其在 干湿炮孔 中的复杂条件下 正常测温提供保障。 2 分布式光纤测温系统通过光信号 的变换实 现温度测量 ， 其测量误差控制在 2 ％ 以内并能在4 0 s 内完成温度测量 ， 使其满足高温炮孔测量的准确性 与响应时问要求。 3 炮孔温度在注水降温停止后的较短时间内 即可回升至降温前的温度 ， 因此现场装药连线等爆区 区域 内的工作需要在抽出水管后的较短时间内完成。 4 分布式光纤测温系统实现将炮孔 内不同深 度 的温度数据进行实时储存 ， 其得 到每个孔 的温度 分布以及最高温度与所在深度 ， 可为高温火 区爆破 方案设计与施工提供参考 。 [ 2 ] [ 2 ] 参考文献 R e f e r e n c e s 束学来， 郑炳旭 ， 郭子如 ， 等． 测温技术在煤矿火区爆 破 中的应用[ J ] ． 煤 炭技 术 ， 2 0 1 4 ， 3 3 8 2 9 9 3 0 1 ． S HU Xu e l a i ， Z HEN G B i n g X U， GUO Z i - 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