Волоконно-оптический термокабель для раннего обнаружения пожаров на ленточных конвейерах в угольных шахтах Текст научной статьи по специальности «Электротехника, электронная техника, информационные технологии»

графическому составу - весьма благоприятен; текучести по Гизелеру, механическим свойст-

по выходу летучих веществ, индексу свободно- вам кокса - находится в числе углей типа Hard-

го вспучивания, толщине пластического слоя, Soft.

------------------------------------------------------------------ СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Справочник коксохимика. T.I. Сырьевая база и подготовка углей к коксованию. М.: Изд-во "Металлургия". -1964.- 490 с.

2. Ефремов Э.И Некоторые направления рационального использования южно-якутских углей // БНТИ. СО АН СССР, Якутский филиал. Якутск: 1984.- С. 25-28.

— Коротко об авторах -------------------------------------------------------------------------

Григорьев Сергей Николаевич — кандидат технических наук, заместитель генерального директора, главный инженер ОАО ХК "Якутуголь".

Григорьев Владимир Сергеевич - специалист ООО "ЕвразХолдинг".

Бычев Михаил Исаакович - зав. лабораторией, доктор химических наук, Институт горного дела Севера СО РАН.

-------------------------------------- © М.Д. Азбель, Б.А. Анненков,

Б. Г. Горшков, 2004

УДК 614.841.345

М.Д. Азбель, Б.А. Анненков, Б.Г. Горшков

ВОЛОКОННО-ОПТИЧЕСКИЙ ТЕРМОКАБЕЛЬ ДЛЯ РАННЕГО ОБНАРУЖЕНИЯ ПОЖАРОВ НА ЛЕНТОЧНЫХ КОНВЕЙЕРАХ В УГОЛЬНЫХ ШАХТАХ

Семинар № 19

ТУ озгорания на ленточных конвейерах --Я-М одна из основных причин экзогенных пожаров на угольных шахтах: на их долю приходится около 30 % от общего числа экзогенных пожаров. Изучение причин и мест возникновения пожаров на ленточных конвейерах подтверждает вывод о том, что конвейер пожароопасен по всей своей длине. Так пожары происходят на приводных станциях (64 %), натяжных станциях (10,8 %), на линейной части конвейера (25,2 %). При этом, если возгорания

на приводных и натяжных станциях более или менее надежно контролируются точечными датчиками, то защита линейной части конвейера такими датчиками представляется проблематичной ввиду большой протяженности конвейерных линий и непредсказуемости мест возгорания. Эта проблема может быть решена созданием тепловых датчиков линейного типа, способных контролировать пожароопасность по всей длине конвейера.

Температурная зависимость н(Т)

Необходимость обнаруживать пожары в ранней стадии и в любой точке по длине конвейера привела к созданию термокабелей, которые представляют собой по существу непрерывный, распределенный по длине выработки пожарный извещатель. Известные в мировой практике образцы термокабелей, например, "Алармлайн", "Протектовейер", генерируют предупредительные или аварийные сигналы при нагреве воздушной среды в конвейерной выработке до установленного предела температуры.

Была поставлена задача разработать средство контроля, способное не только генерировать сигнал о достижении температуры воздушной среды уровня аварийной уставки, но и обеспечить постоянный мониторинг температуры в конвейерной выработке, что позволило бы более надежно и своевременно диагностировать процессы возгорания на ранней стадии. Исследования показали, что таким средством может быть термокабель, созданный на основе волоконнооптической техники.

Разработанный волоконно-оптический

термокабель основан на регистрации интенсивности антистоксовой компоненты комбинационного (рамановского) рассеяния света в материале световода - плавленом кварце. Это рассеяние есть результат превращения кванта падающего света и оптического фонона вещества в квант рассеянного света (происходит сдвиг по частоте вверх). Энергия оптических фононов в кварце имеет величину 0,05 эВ. Рассеяние тем интенсивнее, чем больше таких фононов в веществе, то есть чем выше его абсолютная температура. Количество фононов определяется квантовой статистикой Бозе-Эйнштейна и описывается

формулой п(Т) =-

1

ехр|^)-1

где Иу - энергия оптических фононов, к -постоянная Больцмана, Т - абсолютная температура. Температурная зависимость п(Т) приведена на рисунке.

Из рисунка видно, что в области температур вблизи комнатной (300 К) зависимость

интенсивности рассеяния близка к линейной. Рост интенсивности рассеяния составляет 0,8 процента на градус, что подтверждается экспериментально. Примененный нами метод имеет принципиальные ограничения только в области низких температур (ниже 150 К), поскольку интенсивность рассеяния приближается к нулю.

Стоксова компонента рассеяния (сдвинутая вниз по частоте) также существует, однако она в интересующем нас диапазоне температур имеет относительно слабую температурную зависимость и отфильтровывается перед фотоприемником, как и релеевская компонента (несмещенная).

Разработанный волоконно-оптический

термокабель представляет собой многоканальную измерительную систему, в которой волоконный световод является одновременно и средой передачи информации и совокупностью чувствительных элементов, реагирующих на изменения температуры окружающей воздушной среды в каждом из измерительных участков. При этом используется метод регистрации амплитуды антистоксовой компоненты комбинационного рассеяния света с разделением каналов во временной области. Оптическое излучение от маломощного лазерного источника с длиной волны 0.9 мкм и длительностью импульсов 100 не посредством направленного оптического ответвителя поступает в волоконно-оптический кабель. При распространении излучения оно частично рассеивается, в том числе в обратном направлении. Амплитуда обратно рассеянного излучения приблизительно пропорциональна абсолютной температуре, если выделять из спектра рассеянного излучения область длин волн вблизи 0,87 мкм, что соответствует антистоксовой компоненте комбинационного рассеяния в материале световода. Выделение тре-

буемой спектральной области осуществляется интерференционным фильтром. Отфильтрованное излучение поступает на фотоприемник, которым служит кремниевый лавинный фотодиод. Разделение каналов по дальности осуществляется с учетом временной задержки относительно излученного лазерного импульса. Сигнал с фотодиода после усиления оцифровывается быстродействующим аналого-

цифровым преобразователем и вносится в буферную память. Информация из буферной памяти по параллельному порту поступает в память процессора, где происходит ее осреднение по значительному числу циклов. Процессор сравнивает полученное распределение с эталонным, содержащимся в энергонезависимой флэш-памяти, и выдает по запросу компьютера более высокого уровня требуемое температурное распределение по последовательному интерфейсу (через модем и компьютерную сеть сбора информации).

На базе волоконно-оптического термокабеля разработан комплекс ОПК, в состав входят:

- волоконно-оптический термокабель

ВОТК-1000, состоящий из 4-х жильного волоконно-оптического бронированного кабеля, кабельной коробки, содержащей вмонтированный в кабель ответвитель с двумя оптическими

разъемами, и металлической рамы;

- блок контроля БК1;

- блок питания АП2-01.

Комплекс ОПК имеет следующие технические характеристики (см. таблицу).

Комплекс ОПК осуществляет дистанционное измерение температуры вдоль става ленточного конвейера от приводной до натяжной головки, и на выходе формируется сигнал “номер участка измерения - температура". Наличие этой первичной информации позволяет получать следующую производную информацию:

- температуру воздушной среды на каждом участке измерения,

- номер участка с максимальной температурой,

- градиент нарастания температуры на участке с максимальной температурой (градусов в минуту),

- предупредительный сигнал "ВНИМАНИЕ" при достижении уровня предупредительной уставки температуры или градиента ее нарастания;

- сигнал "АВАРИЯ-ПОЖАР" при достижении уровня температуры, соответствующего аварийной уставке.

Измерение температуры воздушной среды в конвейерной выработке с помощью ком-

1. Контроль температуры воздушной среды: Пределы измерения, °С диапазон уставок предупр. порога, °С диапазон уставок аварийного порога, °С -30 + +95 25 + 60 40 + 80

2. Определение градиента нарастания температуры: Минимальный отрезок времени для определения градиента нарастания температуры, сек. значение предупредительной уставки, °С/мин 180 0,5

3. Предел допускаемой основной абсолютной погрешности, °С Предел допускаемого значения дополнительной абсолютной погрешности, не более, °С +3,0 +1,5

4. Время накопления информации на формирование сигнала “номер пикета- температура”, сек. 60

5. Максимальная длина световода, м 1500

6. Пространственное разрешение (длина элементарного участка измерения), м 20

7. Допустимый радиус изгиба кабеля, не менее, мм 300

8. Время прогрева, не более, мин. 30

9. Стабильность показаний, не менее, сут. 7

10. Потребляемая мощность, не болеее, ВА 50

11. Рабочее напряжение, В 12

плекса ОПК в широком диапазоне ее возможных изменений позволяет задать уровень предупредительной уставки, соответствующий самой ранней стадии пожара, который в этом случае может быть ликвидирован малыми силами без существенного ущерба для шахты. Такая предупредительная уставка соответствует фазе пожара в его ранней стадии, когда от ролика, разогретого вследствие трения до высокой температуры, загорается (тлеет) штыб, окружающий ролик. При этом регистрируется рост температуры на некоторую величину "Г" относительно нормы. Для конкретных условий эксплуатации термокабеля величина "Г" определяется стандартным тепловым расчетом [1, 2], учитывающим тип конвейерной ленты, сечение выработки, скорость воздуха и другие параметры. Соответственно уровень предупредительной уставки задается как " N + Г, градусов", где N - нормальный уровень температуры воздушной среды в контролируемой конвейерной выработке. Для конкретных условий шахты "Инская" величина 1 , определенная тепловым расчетом, составила 10-12 градусов.

При срабатывании предупредительной уставки на экране дисплея на рабочем месте диспетчера высвечивается сигнал "ВНИМАНИЕ" и номер опасного участка выработки, кроме того, включается мигающий световой сигнал. Диспетчер предупреждает сменного инженерно-техни-ческого работ-

ника участка о пожароопасной ситуации на участке и принимает меры к направлению дежурного персонала участка к месту возникновения температурной аномалии.

Уставка "АВАРИЯ-ПОЖАР" соответствует начальной стадии пожара, когда горит 2,0

- 2,5 м холостой и рабочей ветвей ленты. При этом температура на аварийном участке конвейерной выработки более чем в 2 раза превышает нормальный уровень температуры в выработке. При этом на экране дисплея на рабочем месте горного диспетчера высвечивается сигнал "АВАРИЯ-ПОЖАР", включается световой сигнал постоянного свечения и непрерывный звуковой сигнал. Диспетчер вводит в действие "План ликвидации аварий" по соответствующей позиции.

Комплекс ОПК прошел приемочные испытания и введен в эксплуатацию на ОАО "Шахта Инская" (г. Белово) в составе автоматизированной системы противопожарной защиты конвейерных ставов в главном стволе №3 и главном конвейерном квершлаге. Система дает диспетчеру возможность непрерывно контролировать пожарную безопасность в горных выработках, так как результаты измерений обрабатываются компьютером по специальной программе, выявляющей опасную динамику в изменении температуры.

— Коротко об авторах ---------------------------------------------------------------------------

Азбелъ Михаил Дмитриевич - доктор технических наук, заведующий лабораторией, институт «Гипроуглеав-томатизация»,

Анненков Борис Александрович - кандидат технических наук, ведущий научный сотрудник, институт «Ги-проуглеавтоматизация»,

Горшков Борис Георгиевич - доктор технических наук, Военно-воздушная академия им. Жуковского.