煤礦采空區(qū)自然發(fā)火多參數(shù)監(jiān)測與預(yù)警系統(tǒng)設(shè)計

天地（常州）自動化股份有限公司 吉才睿

礦井火災(zāi)是指發(fā)生在煤礦井下巷道、工作面、硐室、采空區(qū)等地點的火災(zāi)。能夠波及和威脅井下安全的地面火災(zāi)，也叫礦井火災(zāi)。礦井火災(zāi)一旦發(fā)生，則容易引發(fā)瓦斯、煤塵等爆炸事故，甚至造成人員傷亡。因此，煤層采空區(qū)內(nèi)煤炭的自然發(fā)火監(jiān)測預(yù)警對于減少煤礦火災(zāi)發(fā)生、瓦斯突出爆炸等安全事故，確保煤礦安全具有重要意義。

1 采空區(qū)自然發(fā)火監(jiān)測現(xiàn)狀及多參數(shù)監(jiān)測必要性

煤層自燃監(jiān)測就是在煤層開采后，采空區(qū)煤層在自然環(huán)境中的升溫、煤層氣體逐漸釋放，通過分析氣體濃度及溫度變化情況判斷煤層是否達到自燃條件，判斷煤層高溫位置，實現(xiàn)煤自燃實時監(jiān)測、預(yù)報，并在煤層自燃之前給出報警。它是礦井火災(zāi)預(yù)防與處理的基礎(chǔ)，是礦井煤層火災(zāi)防治的關(guān)鍵，具有非常重要的地位。

井下采空區(qū)煤要發(fā)生自燃必須具備以下四個條件：

?具有低溫氧化性，即有自燃傾向的煤以破碎狀態(tài)存在；

?有大于12%氧含量的空氣通過采空區(qū)煤層；

?空氣流動速度適中，使破裂煤體有積聚氧化熱的環(huán)境；

?在上述3個條件同時具備的狀態(tài)下，持續(xù)一定的時間，使煤體可以達到著火溫度。

采空區(qū)自然發(fā)火監(jiān)測現(xiàn)狀及多參數(shù)監(jiān)測與預(yù)警系統(tǒng)主要針對采空區(qū)煤的氣體濃度分析及采空區(qū)溫度變化分析，在滿足以上4個自燃條件之前給出預(yù)報。

1.1 采空區(qū)自然發(fā)火監(jiān)測現(xiàn)狀

煤自然發(fā)火的早期預(yù)報方法主要有氣體分析法、測溫法、傳感器測定法、紅外測定法、數(shù)值模擬法等，但遠遠無法滿足現(xiàn)代化礦井自動化生產(chǎn)的需要。目前國內(nèi)大部分煤礦主要利用礦井火災(zāi)束管監(jiān)測系統(tǒng)和安全監(jiān)測監(jiān)控系統(tǒng)對礦井氣體參數(shù)監(jiān)測，對火災(zāi)進行預(yù)報。

在煤礦的實際應(yīng)用中，煤礦火災(zāi)束管監(jiān)測系統(tǒng)的應(yīng)用現(xiàn)狀不是特別好，無法發(fā)揮到最大的作用，究其原因，主要有以下幾個方面：

1）監(jiān)測數(shù)據(jù)具有一定的時滯性。氣相色譜儀本身特性決定了要分析一個氣體單樣，其分析的時間長,從目前國內(nèi)監(jiān)測路數(shù)為20路來計算，要完成一個氣體采樣監(jiān)測循環(huán)需要的時間都要超過10分鐘。單樣氣體分析結(jié)果一般都是10min之前的數(shù)據(jù)，監(jiān)測軟件平臺分析并沒有考慮到氣體時間滯后的問題, 因此所分析的氣體結(jié)果并非當前監(jiān)測點實時狀態(tài), 無法達到實時分析要求。

2）井下管路漏風(fēng)和空氣濕度、溫度對分析精度的影響。

煤礦火災(zāi)束管監(jiān)測系統(tǒng)作為一種氣體分析系統(tǒng)，要求采樣氣體必須純正，中間管路必須完全封閉，中間不允許出現(xiàn)管路側(cè)漏，否則就會出現(xiàn)監(jiān)測樣品數(shù)據(jù)不精確。無法準確分析監(jiān)測點氣體濃度比例。因此需要大量時間去維護束管監(jiān)測管路，避免出現(xiàn)側(cè)漏，因為一旦管路出現(xiàn)漏點，采用氣體的濃度比例則不準確，同時在抽氣泵抽氣的過程中，采樣氣體的濕度也會相應(yīng)增加。由于束管需要長距離鋪設(shè)，一旦出現(xiàn)管路側(cè)漏，則不容易尋找出氣體側(cè)漏點，導(dǎo)致所有分析氣體均不準確。目前的礦井火災(zāi)束管監(jiān)測系統(tǒng)的抽氣方式都是采用負壓抽取式，通過地面真空泵的運轉(zhuǎn)，使束管監(jiān)測管路內(nèi)部呈現(xiàn)負壓狀態(tài)，最終將監(jiān)測點氣體抽入束管管路，輸送至束管色譜儀進行分析。因此，束管一旦出現(xiàn)側(cè)漏，則束管色譜儀分析樣品的結(jié)果與實際的氣體濃度值會差別很大。另外，井下空氣溫度，濕度等都能對氣體樣品分析精度產(chǎn)生較大的影響。

1.2 多參數(shù)監(jiān)測系統(tǒng)及分布式光纖測溫的提出

現(xiàn)有的束管監(jiān)測技術(shù)一般只實現(xiàn)了火災(zāi)氣體指標濃度的在線監(jiān)測，功能尚未完善，只具有單指標超限報警功能，缺少引起煤自燃的一個關(guān)鍵因素—溫度。礦井火災(zāi)監(jiān)測預(yù)報系統(tǒng)獨立運行，信息相互獨立、共享差，無法對火災(zāi)發(fā)生條件全部信息的采集，無法準確判定火災(zāi)位置。目前還沒有一套針對采空區(qū)CH4、CO2、CO、O2氣體以及溫度的比較完善的煤自燃火災(zāi)監(jiān)測系統(tǒng)，可以說采空區(qū)煤自燃多參數(shù)監(jiān)測系統(tǒng)及分布式光纖測溫目前處于空白狀態(tài)。如何在現(xiàn)有煤自燃監(jiān)測、預(yù)報技術(shù)的基礎(chǔ)上，進一步對數(shù)據(jù)進行挖掘，提高煤自燃預(yù)報準確度和可靠性。為此，針對目前礦井煤自燃火災(zāi)監(jiān)測預(yù)報系統(tǒng)的不足，提出開展煤自燃多參數(shù)監(jiān)測及分布式光纖測溫技術(shù)研究，全面提高采空區(qū)煤自然發(fā)火識別與預(yù)警的時效性、準確性和可靠性，對提升礦井火災(zāi)防治水平，保障礦井安全生產(chǎn)具有重大意義。

2 采空區(qū)自然發(fā)火多參數(shù)在線監(jiān)測與預(yù)警系統(tǒng)設(shè)計

采空區(qū)自然發(fā)火多參數(shù)在線監(jiān)測系統(tǒng)通過氣體束管將采空區(qū)中的某個監(jiān)測點氣體抽取到井下多參數(shù)分析及分布式光纖溫度監(jiān)測主機中，分析采樣氣體濃度（主要包括氧氣，一氧化碳，二氧化碳，甲烷等），以及通過分布式光纖監(jiān)測采空區(qū)內(nèi)的溫度分布情況，地面數(shù)據(jù)分析中心對煤層綜合氣體的濃度和測溫點溫度的變化對采空區(qū)煤層的氧化過程進行分析并進行采空區(qū)自然發(fā)火的早期預(yù)測。采空區(qū)自然發(fā)火多參數(shù)在線監(jiān)測與預(yù)警系統(tǒng)設(shè)計能夠?qū)碌牟煽諈^(qū)的氣體成分、濃度變化以及測點溫度分布實現(xiàn)有效的實時監(jiān)測，并井下多參數(shù)分析及分布式光纖溫度監(jiān)測主機分析后上傳至地面監(jiān)測中心對采空區(qū)煤層的氣體及溫度發(fā)展進行預(yù)測，實現(xiàn)了采空區(qū)煤層自燃預(yù)測預(yù)報的智能化、自動化。本系統(tǒng)由于將氣體分析和溫度監(jiān)測裝置集合為一體直接布置在井下，大大縮短了氣體抽樣管線和測溫光纖的長度，提高了數(shù)據(jù)分析的準確性和實時性，降低了系統(tǒng)維護的工作量。當井下多參數(shù)監(jiān)測主機監(jiān)測到的氣體監(jiān)測濃度異常時，可以采用人工采樣或現(xiàn)有束管監(jiān)測系統(tǒng)采集到井上分析烯炔類氣體含量，這一工作模式克服了當前多數(shù)礦井直接使用氣相色譜分析儀對束管采集的樣本進行分析的繁重工作和分析能力的限制，真正實現(xiàn)了束管實時分析的功能，并且節(jié)約了大量的束管鋪設(shè)，節(jié)省了大量的人力和物力。

3 重點監(jiān)測點設(shè)置

根據(jù)采空區(qū)自然發(fā)火的特點，需要對整個采空區(qū)的自然發(fā)火情況進行長期監(jiān)測，因此溫度觀測點和氣體觀測點設(shè)置如下：

1)工作面兩順槽布置分布式測溫光纖。

2)采空區(qū)布置氣體采集管路，隨工作面推進每隔一定距離布置一個采樣點；埋入采空區(qū)的束管采取措施加以保護。

4 主要功能

1）利用數(shù)據(jù)分析煤礦采空區(qū)某一個監(jiān)測點氣體含量在一段時間內(nèi)變化情況，并根據(jù)氣體變化情況得出分析曲線；

2）氣體自動采用和分析功能：井下監(jiān)控主機可對多個采樣點自動巡回采樣，并對氣體進行濃度分析；

3）分布式光纖測溫功能：井下監(jiān)控主機可支持四路測溫光纖輸出，對采空區(qū)溫度實現(xiàn)無源分布式測量；

4）聲光報警功能：井下監(jiān)控主機支持外接聲光報警器，在出現(xiàn)報警情況時自動啟動聲光報警，提醒現(xiàn)場作業(yè)人員。

5）火災(zāi)預(yù)警功能：通過分析煤礦各組監(jiān)測點氣體濃度、甲烷氣體濃度比列以及溫度的計算，及時準確的反映煤礦采空區(qū)自然發(fā)火情況，提前給出預(yù)警；

6）歷史數(shù)據(jù)查詢功能：為防滅火提供各種數(shù)據(jù)；

7）具有報表分析、歷史曲線、儲存及打印功能。能夠分析各組氣體日報、月報、檢測譜圖報表、氣體含量變化趨勢報表等，掌握氣體變化情況。

5 結(jié)語

以“預(yù)防為主、防治結(jié)合”的思想，充分結(jié)合煤礦采空區(qū)情況，積極采用光纖測溫技術(shù)、多參數(shù)氣體分析技術(shù)，借鑒國內(nèi)外先進的設(shè)計理念以及束管監(jiān)測系統(tǒng)在煤礦上的應(yīng)用經(jīng)驗，設(shè)計出具備先進技術(shù)的礦井采空區(qū)自然發(fā)火多參數(shù)在線監(jiān)測與預(yù)警系統(tǒng)，將采空區(qū)光纖測溫與多參數(shù)分析技術(shù)相結(jié)合，確保煤礦井下氣體參數(shù)分析的準確性及井下溫度變化規(guī)律性，充分發(fā)揮煤礦采空區(qū)火災(zāi)源頭在達到起火點之前將其抹殺。從而保障煤礦生產(chǎn)和職工人身安全，防止煤礦火災(zāi)事故的發(fā)生。