煤礦自然發(fā)火預(yù)測預(yù)報(bào)技術(shù)

張 鵬

(山西晉城煤業(yè)集團(tuán)寺河煤礦二號井，山西 晉城 048019)

0 引言

我國煤礦火災(zāi)事故比較嚴(yán)重，礦井的自然發(fā)火所占的比重將在80%以上，而對于國內(nèi)重點(diǎn)的煤礦企業(yè)，有自燃危險(xiǎn)的礦井約占50%，而煤層的自燃傾向性就更為嚴(yán)重[1]，因此，對礦井自燃火災(zāi)的提前預(yù)防是當(dāng)前一項(xiàng)緊迫的任務(wù)。早期對煤礦自然發(fā)火做出預(yù)測預(yù)報(bào)，有利于防止災(zāi)害繼續(xù)發(fā)展，毀壞設(shè)備和資源，釀成煤礦重大惡性事故，是保證煤礦安全生產(chǎn)行之有效的技術(shù)措施。

1 煤礦自然發(fā)火預(yù)測方法

我國現(xiàn)有煤礦自然發(fā)火預(yù)測技術(shù)主要依賴于煤的物理化學(xué)特性結(jié)合光譜分析技術(shù)、統(tǒng)計(jì)學(xué)技術(shù)展開預(yù)測工作。

1.1 自燃傾向性預(yù)測法

煤自燃傾向性[2]是指煤自身吸氧蓄熱發(fā)生著火的特性。煤層開拓之前可能產(chǎn)生自然發(fā)火的程度，是煤的內(nèi)在屬性之一。外在環(huán)境不影響煤的自燃傾向性，但不同煤的物理化學(xué)特性，如煤化程度、水分和煤的孔隙特性等對其有影響。煤自燃傾向性測試方法有很多，有關(guān)人士對其進(jìn)行了分類，主要有吸附氧測試法、交叉點(diǎn)溫度法等。

對于上述的相關(guān)方法，我國通常利用色譜吸氧鑒定法對煤層的自燃傾向性進(jìn)行鑒定，主要使用的檢測儀器設(shè)備是ZR-1型測定儀，它可以測出煤炭在30℃常壓下的吸氧量，最后利用每克干煤吸氧的多少，將其自燃情況分為容易自燃、自燃、不易自燃3個(gè)級別。

1.2 其它自然發(fā)火預(yù)測方法

礦井的自然發(fā)火預(yù)測除了采用自燃傾向性這種方法以外，還有經(jīng)驗(yàn)統(tǒng)計(jì)預(yù)測法等。

2 煤礦自然發(fā)火預(yù)報(bào)技術(shù)

火災(zāi)預(yù)測預(yù)報(bào)的方法很多，歸納起來可以分為人的直觀感覺識別、用儀器儀表檢測礦井空氣成分或用計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)測定礦井空氣成分和檢測煤的溫度等方法。

2.1 以人體的感知預(yù)報(bào)自然發(fā)火

根據(jù)我們?nèi)梭w自身的生理現(xiàn)象來感覺礦井火災(zāi)的方法主要有以下幾種：①嗅覺。當(dāng)?shù)V井內(nèi)的可燃物質(zhì)受到高溫分解后，會出現(xiàn)一系列火災(zāi)氣體，煤在熱解過程中釋放出烴類化合物，巷道中會出現(xiàn)煤油以及煤焦油等氣味；②視覺。煤在自燃氧化過程中生成和蒸發(fā)出一些水分，巷道內(nèi)空氣溫度增加，表現(xiàn)為煤壁“出汗”，自然發(fā)火到一定程度時(shí)，會出現(xiàn)明火等；③觸覺。煤在自燃的過程當(dāng)中會釋放出能量，從而使得周圍空氣的溫度增高，并且還會伴隨著出現(xiàn)一氧化碳等有毒有害氣體，導(dǎo)致工人出現(xiàn)四肢無力等病理現(xiàn)象。

2.2 綜合因素評判預(yù)測法

綜合因素預(yù)測法通常指的是對礦井內(nèi)部煤炭的影響因素綜合地進(jìn)行評分來預(yù)測自然發(fā)火，其因素主要有礦井環(huán)境溫度、通風(fēng)情況以及管理情況等。此方法對所有的影響因素都按權(quán)重作出了說明，很好地避免了人主觀的影響，使得最終的預(yù)測更加準(zhǔn)確，它是一種簡單且相對精確的預(yù)測方法。

2.3 經(jīng)驗(yàn)統(tǒng)計(jì)預(yù)測法

此方法主要是根據(jù)現(xiàn)有的自然發(fā)火事故來做出統(tǒng)計(jì)分析，對各個(gè)開采煤層中具有自然發(fā)火情況的相關(guān)指標(biāo)參數(shù)做出分析預(yù)測。它需要根據(jù)一定數(shù)量的資料統(tǒng)計(jì)，因此可靠度比較高。其缺點(diǎn)是很難對其它類型自然發(fā)火進(jìn)行預(yù)測，在各個(gè)時(shí)間段內(nèi)所做的統(tǒng)計(jì)也存在著一定的誤差，只能簡單判斷出自然發(fā)火的范圍。

2.4 數(shù)學(xué)模型預(yù)測法

數(shù)學(xué)模型預(yù)測法需要構(gòu)建出發(fā)火的數(shù)學(xué)模型，要對礦井煤炭自然發(fā)火的過程進(jìn)行數(shù)值解算，從而求出不同邊界下礦井煤炭自然發(fā)火的危險(xiǎn)程度。其通常可以利用計(jì)算機(jī)，結(jié)合數(shù)學(xué)模型以及監(jiān)測設(shè)備等程序，迅速地實(shí)時(shí)模擬自然發(fā)火的過程。

2.5 檢測礦井空氣成分

氣體成分分析法：氣體分析法[3]一般利用煤炭在自然過程中的產(chǎn)物，例如所釋放出的氣體的濃度大小等相關(guān)參數(shù)，從而及時(shí)對礦井內(nèi)煤是否有自然發(fā)火的發(fā)生做出判斷。其指標(biāo)性的氣體主要有以下兩種：一種是根據(jù)一些指標(biāo)性氣體直接來預(yù)測預(yù)報(bào)，另一種是根據(jù)一些氣體的組成成分的變化規(guī)律進(jìn)行預(yù)測預(yù)報(bào)。通常情況下，礦井風(fēng)流中CO2、CO以及O2的濃度是隨著風(fēng)量的變化而變化的，采用CO絕對量作為預(yù)報(bào)的指標(biāo)，可以避免風(fēng)量變化對預(yù)報(bào)的影響，CO絕對量通常稱作發(fā)火系數(shù)，用H表示，即H=QCCO，式中:Q—觀測點(diǎn)的風(fēng)量；CCO—觀測點(diǎn)風(fēng)流中CO的濃度。此式適用于入風(fēng)側(cè)氣樣中不含有CO的條件下，否則，H值應(yīng)為入、排風(fēng)側(cè)氣樣中CO絕對量之差。由于H值受煤種、井下氣體成分和著火范圍大小等因素的影響，礦井應(yīng)在實(shí)際中統(tǒng)計(jì)出適合于本礦的標(biāo)志性氣體臨界值。

氣味檢測法：氣味檢測法一般是采用氣味傳感器來實(shí)現(xiàn)，利用此傳感器并且結(jié)合人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的相關(guān)理論來辨識各種各樣的氣味，從而對礦井的自然發(fā)火及時(shí)作出預(yù)報(bào)工作。此方法可以對煤炭氧化時(shí)所放出的氣體味道進(jìn)行跟蹤捕捉。

2.6 測溫法

通常所說的測溫法[4]指的是根據(jù)溫度傳感器來測定高溫地點(diǎn)的溫度從而確定出其發(fā)火的危險(xiǎn)等級。此法一般是在鉆孔內(nèi)裝有溫度探測器，最后利用測出的溫度值及相關(guān)信號的變化規(guī)律來確定是否會發(fā)生火災(zāi)。它是探尋煤炭是否自燃及高溫火源的根本方法，然而對于礦井巷道中散落的煤體中溫度的測定方法還沒有及時(shí)地解決。當(dāng)今應(yīng)用最廣泛的預(yù)測方法就是結(jié)合測溫儀表與傳感器為一體的測溫法。

2.7 煤礦火災(zāi)監(jiān)測監(jiān)控系統(tǒng)

束管監(jiān)測系統(tǒng)：束管監(jiān)測系統(tǒng)通常是根據(jù)抽取的相關(guān)氣體的特性以及相關(guān)氣體的變化情況來預(yù)測預(yù)報(bào)，在礦井的實(shí)際生產(chǎn)中，一般將一氧化碳等氣體看作氣體的標(biāo)志性代表，并結(jié)合相關(guān)的烷烴氣體一起檢測。

礦井火災(zāi)監(jiān)測與監(jiān)控系統(tǒng)：煤礦安全監(jiān)測監(jiān)控系統(tǒng)對礦井環(huán)境進(jìn)行全覆蓋檢測，通過安全監(jiān)控系統(tǒng)對相關(guān)參數(shù)的分析比較可以及時(shí)地發(fā)出警報(bào)信號，斷電并且閉鎖，從而防止事故的發(fā)生。

3 預(yù)測預(yù)報(bào)技術(shù)評價(jià)

3.1 試驗(yàn)條件

自燃傾向性預(yù)測法對實(shí)驗(yàn)相關(guān)要求比較苛刻，要在同一條件下對不同情況的煤樣的發(fā)火程度進(jìn)行比對分析，其結(jié)果并不夠準(zhǔn)確，僅僅可以粗略地估計(jì)其危險(xiǎn)等級。對礦井煤炭自燃傾向性進(jìn)行合理的鑒定就要求我們對其一系列的過程進(jìn)行探討，選出可以直接體現(xiàn)出煤炭自燃特性的具體指標(biāo)，最終使其鑒定方法可以直觀體現(xiàn)出煤炭氧化的難易情況。

3.2 經(jīng)驗(yàn)因素

統(tǒng)計(jì)法：經(jīng)驗(yàn)統(tǒng)計(jì)預(yù)測法的缺點(diǎn)是個(gè)人的主觀性太強(qiáng)，且數(shù)學(xué)模型預(yù)測法對于邊界條件進(jìn)行了一定的簡化，這些情況都將影響結(jié)論的準(zhǔn)確性。針對這些問題，可做如下改進(jìn)，在定性分析中大量使用數(shù)學(xué)知識進(jìn)行計(jì)算，將定性與定量分析結(jié)合起來，使得預(yù)測結(jié)果更加科學(xué)、準(zhǔn)確。

人體感知法：這種火災(zāi)的預(yù)報(bào)技術(shù)，依靠人體的直觀感覺預(yù)報(bào)帶有很大的主觀隨意性，只有自燃達(dá)到一定程度人體才會有明顯的感覺，所以不能把人的直觀感覺作為煤自燃早期識別的唯一根據(jù)，應(yīng)使用儀器進(jìn)行定量分析。

3.3 測試手段

測溫法：在煤炭自熱階段，測溫法可以較早地預(yù)報(bào)自燃火災(zāi)的發(fā)生，但現(xiàn)有的人工測溫法，由于測溫法是點(diǎn)接觸，安裝、維護(hù)工作量大，不能提供實(shí)時(shí)監(jiān)測和預(yù)警。

氣味檢測法：礦井煤炭在自燃的過程中在各個(gè)階段都將會出現(xiàn)不同類型的指標(biāo)性氣體，而在不同階段所采用的氣體種類要根據(jù)實(shí)驗(yàn)進(jìn)行測定。對于氣味檢測法一般要通過礦井的相關(guān)生產(chǎn)條件來決定，當(dāng)氣味傳感器用于礦井內(nèi)部時(shí)，需要長時(shí)間對井下巷道中氣味的變化情況進(jìn)行監(jiān)測，從而發(fā)現(xiàn)在此情況下氣體的變化規(guī)律。因此，對礦井煤炭自燃中的指標(biāo)性氣體選取時(shí)要先進(jìn)行實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，從而結(jié)合各種不同的氣體進(jìn)行預(yù)測預(yù)報(bào)。

3.4 實(shí)時(shí)性

礦井束管監(jiān)測系統(tǒng)對于井下氣體的檢測非常有效，但是它也存在著一些缺點(diǎn)，例如監(jiān)測數(shù)據(jù)滯后、選擇標(biāo)志性氣體的針對性不夠、難以直接做出煤自燃程度等級劃分等不足之處仍需改進(jìn)。

4 結(jié)語

礦井初期對火災(zāi)的預(yù)測預(yù)報(bào)對于礦井的安全生產(chǎn)起著非常重要的作用，當(dāng)前的預(yù)測技術(shù)對于礦井的自燃有著一定的預(yù)防作用，但對于生產(chǎn)能力大的礦井而言仍然難以滿足。各種預(yù)測預(yù)報(bào)方法都有其自身優(yōu)、缺點(diǎn)和使用范圍，對自然發(fā)火程度較低的礦，可以使用粗略的預(yù)測預(yù)報(bào)方法，如自燃傾向性預(yù)測法，綜合因素評判法等，而自然發(fā)火嚴(yán)重的礦，需選用較為可靠的預(yù)測預(yù)報(bào)技術(shù)，以實(shí)驗(yàn)為基礎(chǔ)，合理的標(biāo)志性氣體分析，可靠的監(jiān)測監(jiān)控系統(tǒng)都是必不可少的。多種方法可結(jié)合使用，最終使用何種方法應(yīng)根據(jù)礦山具體情況而定?？傊岣哳A(yù)測預(yù)報(bào)準(zhǔn)確率，提前采取防火措施，確保煤礦生產(chǎn)安全才是終極目標(biāo)。