采空區(qū)自燃“三帶”自動化分析技術(shù)

趙彤宇，楊勝強，陳登照，劉 杰

（1.中國礦業(yè)大學 安全工程學院，江蘇 徐州 221116；2.光力科技股份有限公司，河南 鄭州 450001）

采空區(qū)自然發(fā)火約占煤礦自然發(fā)火總數(shù)的60%，是自然發(fā)火防治的重點[1-3]。采空區(qū)空間根據(jù)自然發(fā)火情況一般可劃分為“三帶”，即“散熱帶”、“氧化帶”和“窒息帶”，“散熱帶”和“窒息帶”一般不會發(fā)生自然發(fā)火，“氧化帶”頂板垮落逐漸壓實，風阻增大，遺煤氧化產(chǎn)生的熱量不斷積聚，并可能發(fā)生煤炭自燃，是自然發(fā)火監(jiān)測的重點[4-5]。在火災(zāi)監(jiān)測預(yù)警工作中，將有限的測點布置在“氧化帶”及附近區(qū)域，將顯著提高火災(zāi)監(jiān)測預(yù)警的準確性，因此采空區(qū)自燃“三帶”測點的準確布置及自動化分析對于礦井防滅火工作至關(guān)重要。

目前礦井采空區(qū)自燃“三帶”測定一般采用人工部署測點，人工統(tǒng)計氧氣濃度、溫度等參數(shù)的方法[6-7]，自動化程度低，成本高，在煤礦現(xiàn)場多采用測定個別工作面采空區(qū)自燃“三帶”以指導(dǎo)全礦井防滅火工作的方式。但由于礦井的工作面各不相同，用個別工作面采空區(qū)自燃“三帶”的測定結(jié)果指導(dǎo)全礦井往往效果不佳，開發(fā)實現(xiàn)基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的自燃“三帶”自動化動態(tài)分析技術(shù)具有特別重要的意義。

1 分布式激光火情監(jiān)測系統(tǒng)

寸草塔二礦基于國家礦井安全生產(chǎn)監(jiān)管物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用示范工程建設(shè)了一套基于物聯(lián)網(wǎng)和激光檢測技術(shù)的KJ428 礦用分布式激光火情監(jiān)測系統(tǒng)[8]，自燃“三帶”動態(tài)分析技術(shù)基于KJ428 火情監(jiān)測系統(tǒng)和自燃“三帶”分析算法實現(xiàn)。KJ428 礦用分布式激光火情監(jiān)測系統(tǒng)由地面監(jiān)控服務(wù)器系統(tǒng)、傳輸網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)和井下火災(zāi)參數(shù)監(jiān)測系統(tǒng)3 個部分組成。

1）地面監(jiān)控服務(wù)器系統(tǒng)。主要包括服務(wù)器、網(wǎng)絡(luò)交換機等硬件設(shè)備和系統(tǒng)軟件、應(yīng)用軟件組成，地面監(jiān)控服務(wù)器系統(tǒng)用于采集、存儲、分析、展示監(jiān)測數(shù)據(jù)并對井下設(shè)備進行控制[9]，依托束管堵塞分析技術(shù)和多參數(shù)交叉分析技術(shù)，系統(tǒng)目前已實現(xiàn)束管堵塞智能分析和火情預(yù)測預(yù)報[10-11]。

2）傳輸網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)。主要包括若干臺以太網(wǎng)環(huán)網(wǎng)交換機，當井下存在多個監(jiān)測點，把各個監(jiān)測點接入以太網(wǎng)環(huán)網(wǎng)交換機，通過光纖網(wǎng)絡(luò)構(gòu)成井下以太網(wǎng)環(huán)網(wǎng)系統(tǒng)，傳輸網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)用于將井下火災(zāi)參數(shù)監(jiān)測系統(tǒng)的監(jiān)測數(shù)據(jù)傳輸至地面監(jiān)控服務(wù)器系統(tǒng)。

3）井下火災(zāi)參數(shù)監(jiān)測系統(tǒng)。主要包括激光氣體監(jiān)測主機、溫度主機、抽氣泵、測溫光纖和束管。激光氣體監(jiān)測主機通過抽氣泵和束管將上隅角、采空區(qū)等地點的火災(zāi)指標氣體抽取至自身檢測模塊，在檢測模塊采用激光氣體檢測技術(shù)對一氧化碳、氧氣、甲烷、乙炔、乙烯和二氧化碳共計6 種氣體濃度進行監(jiān)測。溫度主機主要包括測溫模塊和電源模塊，測溫模塊和部署于采空區(qū)等區(qū)域的分布式測溫光纖共同完成溫度監(jiān)測，電源模塊同時為溫度主機和氣體監(jiān)測主機供電。

與將抽氣裝置和檢測裝置部署在煤礦地面的傳統(tǒng)束管相比，分布式監(jiān)測系統(tǒng)將抽氣和檢測裝置部署在測點附近，縮短了束管管路的長度，降低了束管堵塞、漏氣的概率；同時自動化激光監(jiān)測替代了人工色譜儀監(jiān)測，提高了火情監(jiān)測的實時性。甲烷測量范圍 0～100%，其中測量范圍為 0～1.00%時，誤差為±6%，測量范圍為1.00～100%時，誤差為測量上限的±10%；一氧化碳測量范圍為（0～20 000）×10-6,其中測量范圍為（0～100）×10-6時，誤差為±4×10-6（絕對誤差），測量范圍為（100～1 000）×10-6時，誤差為真值的±5%，測量范圍為（1 000～20 000）×10-6時，誤差為真值的±10%；二氧化碳測量范圍為0～20%，其中測量范圍為0～0.5%時，誤差為真值的±10%，測量范圍為0.5%～20%時,誤差為真值的5%；氧氣測量范圍 0～25.0%，誤差為±3%F.S；乙炔測量范圍（0～500）×10-6，其中測量范圍為（0.5～20）×10-6時，誤差為±0.5%F.S，測量范圍為（100～500）×10-6時，誤差為±1.5%F.S；乙烯測量范圍（0～500）×10-6,誤差±2%F.S；溫度測量范圍：為-40.0～120.0 ℃，誤差為±1 ℃。

2 自燃“三帶”自動化分析關(guān)鍵技術(shù)

自燃“三帶”動態(tài)分析技術(shù)主要包括束管維護技術(shù)、測點位置標記技術(shù)和“三帶”可視化曲線繪制技術(shù)。束管維護技術(shù)用于指導(dǎo)束管現(xiàn)場維護，確保系統(tǒng)能夠監(jiān)測到“三帶”劃分需要的參數(shù)；測點位置標記技術(shù)約定系統(tǒng)為測點添加“位置標簽”的規(guī)則；“三帶”可視化曲線繪制技術(shù)用于依據(jù)“位置標簽”繪制測點氧氣濃度隨測點與采面的相對位置變化而變化曲線。

2.1 束管維護技術(shù)

為確保在工作面推進過程中各束管監(jiān)測點根據(jù)監(jiān)測需要按照一定的間距合理分布在“氧化帶”附近，進而對氧氣濃度等參數(shù)進行充分監(jiān)測，必須按照科學的方法在上隅角位置對束管通過剪斷方式不斷維護，維護方法包括束管維護初始階段和束管循環(huán)維護階段，束管維護初始階段結(jié)束后緊接著束管循環(huán)維護階段開始。假設(shè):N 為束管個數(shù)；M 為要求的束管監(jiān)測點之間的距離；V 為采煤工作面回采速度。

1）束管維護初始階段。具體為：束管鋪設(shè)完成且采煤工作面開始推進設(shè)定為第0 天，那么，第M/V天末剪斷第1 至第N-1 根束管，在第2×（M/V）天末剪斷第 1 至第 N-2 根束管，…，第 i×（M/V）天末剪斷第 1 至第 N-i 根束管，…，第（N-1）×（M/V）天末剪斷第 1 根束管，第（N-1）×（M/V）天至第 N×（M/V）天不剪斷束管，該束管維護初始階段結(jié)束。

可降解包裝材料是指在如陽光、微生物等一定自然條件下，塑料的分子量轉(zhuǎn)變?yōu)樾》肿踊蛟谖⑸镒饔孟峦耆纸獾牟牧蟍11]。根據(jù)環(huán)保、來源、產(chǎn)量以及價格等多方面的綜合考慮，以淀粉為主的動植物天然高分子包裝材料成為新型環(huán)保材料的首選。玉米秸稈等木質(zhì)纖維素是最豐富的可再生碳水化合物資源，利用儲量豐富、價格低廉的秸稈生產(chǎn)淀粉進行可降解膜生產(chǎn)工藝的研究，既節(jié)約了能源又大幅減少了環(huán)境污染，降低了食品包裝薄膜的生產(chǎn)成本。本試驗選取玉米秸稈淀粉、聚乙烯醇、甘油為基礎(chǔ)材料制備玉米秸稈淀粉-聚乙烯醇薄膜，并對薄膜進行測試，選出薄膜配方的最佳優(yōu)化條件。

2）束管循環(huán)維護階段。具體為：循環(huán)維護周期為（N+1）×（M/V），對于任意 1 個循環(huán)維護周期，該循環(huán)維護周期開始后的第M/V 天末剪斷第N 根束管，第 2×（M/V）天末剪斷第 N-1 根束管，…，第 i×（M/V）天末剪斷第 N-i+1 根束管，…，第（N-1）×（M/V）天末剪斷第2 根束管，第N×（M/V）天末剪斷第1根束管，第 N×（M/V）天至第（N+1）×（M/V）天不剪斷束管，該循環(huán)維護周期結(jié)束。

在束管維護初始階段中，第M/V 天末剪斷第1至第N-1 根束管，之后每經(jīng)過M/V 天就少剪斷1根，直到第（N-1）×（M/V）天末剪斷第 1 根束管，這樣的話，在最后1 次剪斷束管時，能夠保證各束管監(jiān)測點之間的距離就為M。在束管循環(huán)維護階段，對于任意1 個循環(huán)周期，每經(jīng)過M/V 天末就按照相應(yīng)的順序剪斷1 根束管，所以，在每一個循環(huán)周期，均能夠保證所有的束管監(jiān)測點的距離是確定的，并且是要求的數(shù)值M。

2.2 測點位置標記技術(shù)

為了分析測點位置和氧氣濃度等參數(shù)的關(guān)系，火情監(jiān)測系統(tǒng)軟件為測點增加“位置標簽”字段，用于對測點與采面的相對位置進行標記。

各測點今日位置標簽為束管昨日位置標簽和采面回采速度之和；系統(tǒng)通過捕捉束管維護前后各種參數(shù)的變化捕捉束管維護行為，并提醒監(jiān)測人員進行維護行為的確認。確認束管維護后系統(tǒng)自動將束管昨日位置標簽置為0，支持手動修改并具有記憶功能，即手動修改某束管維護后的初始位置。

系統(tǒng)分別針對部署在采空區(qū)的每根束管進行測點位置標簽的計算。

2.3 “三帶”可視化曲線繪制

氧氣濃度是目前最常用的“三帶”劃分指標，在一定意義上，自燃“三帶”反映的是采空區(qū)測點氧氣濃度隨測點與采面的相對位置變化而變化的關(guān)系[12-13]。

3 自燃“三帶”自動化分析技術(shù)的現(xiàn)場應(yīng)用

寸草塔二礦31 煤為不黏煤，其揮發(fā)分高，絲炭含量高，屬于Ⅱ類自燃煤層。31202 采面位于31 煤二盤區(qū)，工作面推進長度2 635.7 m，工作面寬度310 m，布置 3 條巷道，分別為 31202 運輸巷、31202輔運巷、31203 輔運巷；工作面位于 22 煤22111、22113 采空區(qū)下方，采用傾向長壁后退式綜合機械化放頂煤開采，存在自然發(fā)火風險，需要對“三帶”進行觀測以指導(dǎo)防滅火工作。

在31203 輔運巷側(cè)部署3 根束管并按照束管維護技術(shù)對束管進行維護，系統(tǒng)利用3 根束管對各測點參數(shù)進行循環(huán)監(jiān)測，采用自燃“三帶”自動化分析技術(shù)，根據(jù)31202 采面回采情況、各測點實測的溫度和氧氣濃度大小，其中以各測點實測的氧氣平均濃度大小與束管測點與工作面之間的距離的關(guān)系,自動繪制31202 采空區(qū)自燃“三帶”劃分圖。各測點氧氣濃度平均值見表1，依據(jù)測點的“位置標簽”，計算多個相同“位置標簽”測點的氧氣濃度平均值。自動繪制的31202 采空區(qū)自燃“三帶”劃分圖如圖1。

表1 各測點氧氣濃度平均值Table 1 Average oxygen concentration at measuring each point

圖1 31202 采空區(qū)自燃“三帶”劃分Fig.1 Spontaneous combustion“three zones”partition in 31202 goaf

在系統(tǒng)界面“業(yè)務(wù)分析”主菜單下查詢31202 工作面采空區(qū)自燃“三帶”劃分結(jié)果，將氧氣濃度18%作為散熱帶和氧化帶的劃分標準，以氧氣濃度8%作為氧化帶和窒息帶的劃分標準，可知31202 采空區(qū)回風側(cè)散熱帶范圍為：采面后方0～60 m；氧化帶范圍為采面后方60～130 m；窒息帶范圍為采面后方130 m 至采空區(qū)深部。

另外，由于各測點的溫度大小與氣體成分大小，隨著工作面推進過程中各種通風參數(shù)和工作面回采工藝參數(shù)的變化而變化，因此，根據(jù)各測點的溫度大小與氣體成分大小，可分析評判工作面推進過程中各種通風參數(shù)和工作面回采工藝參數(shù)變化對工作面采空區(qū)“自燃三帶”的影響規(guī)律，可分析得到工作面推進過程中地質(zhì)構(gòu)造或機電設(shè)備故障對“自燃三帶”的影響，從而及時調(diào)整工作面通風參數(shù)和回采參數(shù)，同時為采取必要的防滅火技術(shù)措施提供依據(jù)。

4 結(jié) 論

1）依據(jù)自燃“三帶”自動化分析技術(shù)，可得31202 采空區(qū)回風側(cè)“三帶”的范圍分別為采面后方0～60 m，60～130 m 和 130 m 至采空區(qū)深部，這與數(shù)值模擬分析技術(shù)的結(jié)果保持一致。

2）自燃“三帶”動態(tài)分析技術(shù)主要包括束管維護技術(shù)、測點位置標記技術(shù)和“三帶”可視化曲線繪制技術(shù)三個部分。

3）為了實現(xiàn)自燃“三帶”動態(tài)分析，需要部署分布式火情監(jiān)測系統(tǒng)，并對束管進行合理維護。

4）可以根據(jù)各測點的溫度大小與氣體成分大小，分析評判工作面推進過程中各種通風參數(shù)和工作面回采工藝參數(shù)變化對工作面采空區(qū)自燃“三帶”的影響，得到工作面推進過程中地質(zhì)構(gòu)造或機電設(shè)備故障對自燃“三帶”的影響，從而及時調(diào)整工作面通風參數(shù)和回采參數(shù)，同時為采取必要的防滅火技術(shù)措施提供依據(jù)。