礦井防火關(guān)鍵參數(shù)在線監(jiān)測(cè)裝置應(yīng)用實(shí)踐

文/李 志（淮北礦業(yè)集團(tuán)公司）

火災(zāi)是嚴(yán)重威脅煤礦安全生產(chǎn)的重要災(zāi)害之一，極易造成群死群傷。據(jù)統(tǒng)計(jì)，在我國(guó)開采的煤礦中，存在自然發(fā)火危險(xiǎn)的礦井占總礦井?dāng)?shù)的70%左右，自然發(fā)火煤層占累計(jì)可采煤層數(shù)的80%，且自然火災(zāi)發(fā)生的次數(shù)占礦井火災(zāi)總數(shù)的94%以上。因此，如何有效地進(jìn)行火災(zāi)早期預(yù)報(bào)，準(zhǔn)確精準(zhǔn)地識(shí)別標(biāo)志性氣體，將火災(zāi)事故消除于萌芽狀態(tài)是煤礦防火工作的重點(diǎn)和難點(diǎn)之一?！睹旱V防滅火細(xì)則》要求，“開采容易自燃和自燃煤層的礦井，必須建立注漿系統(tǒng)或者注惰性氣體防火系統(tǒng)，并建立煤礦自然發(fā)火監(jiān)測(cè)系統(tǒng)”。目前，絕大多數(shù)礦井都裝備使用了束管監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)對(duì)井下氣體的監(jiān)測(cè)，但該檢測(cè)方式存在抽氣管路長(zhǎng)、氣樣純度無法保證、采樣點(diǎn)無法準(zhǔn)確對(duì)應(yīng)等缺點(diǎn)，實(shí)際使用效果并不理想，且設(shè)備安裝、維護(hù)工作量較大，亟須得到改進(jìn)。

一、礦井防火關(guān)鍵參數(shù)在線監(jiān)測(cè)裝置組成與工作原理

為有效解決現(xiàn)階段自然發(fā)火預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)中存在的問題與不足，淮北礦業(yè)集團(tuán)與中煤科工集團(tuán)重慶研究院合作，共同開發(fā)了礦井防火關(guān)鍵參數(shù)在線監(jiān)測(cè)裝置（以下簡(jiǎn)稱防火在線裝置）。該裝置由氣體自動(dòng)采樣裝置、氧氣傳感器、一氧化碳傳感器、激光甲烷傳感器等主要設(shè)備組成。工作時(shí)利用自動(dòng)采樣裝置對(duì)待測(cè)區(qū)域進(jìn)行氣體采樣和濾水、濾塵處理，處理后的氣體經(jīng)取樣管被各傳感器實(shí)時(shí)檢測(cè)和實(shí)時(shí)顯示，以此實(shí)現(xiàn)對(duì)煤礦采空區(qū)（或封閉墻）內(nèi)甲烷、氧氣、一氧化碳等發(fā)火關(guān)鍵參數(shù)一站式靠近監(jiān)測(cè)與獲取。上述裝置可就近接入煤礦安全監(jiān)控系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)與監(jiān)控系統(tǒng)的全面融合和實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。

二、防火在線裝置主要參數(shù)

1.氣體自動(dòng)采樣裝置(CQB1 礦用本安型氣體采樣器)

（1）工作電壓：12.0～25.0 V DC；

（2）工作電流：≤250 mA；

（3）抽氣流量：1.0～1.7 L/min。

2.GYW25/50(A)礦用氧氣溫度傳感器

（1）工作電壓：9.0～25.0 V DC；

（3）量程：0～25.0%VOL；

（4）工作穩(wěn)定性：不小于30 天；

（5）基本誤差：≤±3%FS。

3.GJG100J 礦用激光甲烷傳感器

（1）工作電壓：9.0～25.0 V DC；

（2）工作電流：≤200 mA；

（3）甲烷測(cè)量：0～100%CH4，0～1.00%CH4，±0.05；1.00%～100%CH4，真值±5%。

4.GTH1000 礦用一氧化碳傳感器

（1）工作電壓：9.0～25.0 V DC；

使用DPS 7.05對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，采用鄧肯氏新復(fù)極差法進(jìn)行多重比較，檢驗(yàn)不同處理間數(shù)據(jù)差異的顯著性。

（2）工作電流：≤40 mA；

（3）量程：0～1 000 ppm；

（4）基本誤差：±5.0%FS。

5.ZJT200 礦用均壓防滅火調(diào)壓氣室氣動(dòng)控制裝置

（1）工作電壓：12.0～25.0 V DC；

（2）工作電流：≤300 mA；

（3）微差壓：－500～500 Pa，分辨率為1 Pa；

（4）差壓：0～5 kPa，分辨率為0.1 kPa；

（5）電磁閥工作壓力：0.2～0.8 MPa。

三、防火在線裝置使用情況

淮北礦業(yè)集團(tuán)朱仙莊煤礦在Ⅱ830 工作面安裝使用了一套防火在線裝置，安裝地點(diǎn)位于Ⅱ830 工作面風(fēng)巷、距工作面50 m 左右。裝置取電及通信全部取自設(shè)置在附近的安全監(jiān)控系統(tǒng)分站，帶載距離約800 m左右?，F(xiàn)場(chǎng)敷設(shè)一根長(zhǎng)度約60 m 的束管，束管外采用5 根10 m 的KJRB3-φ19 高壓軟管套管進(jìn)行保護(hù)。

氣體采樣間隔時(shí)間設(shè)置為開5 min，停25 min，即每30 min 采樣1 次。遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)效果如圖1 所示。

圖1 8 月9 日—8 月10 日氣體采樣泵及O2、CO、CH4 濃度監(jiān)測(cè)運(yùn)行曲線

圖1 為設(shè)備連續(xù)運(yùn)行2 天的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，由圖1 可以看出：

（1）每次采樣時(shí)，隨著采樣裝置真空泵開始工作，測(cè)得的O2濃度逐漸下降，CO 和CH4濃度逐漸上升，至泵工作4～5 min 時(shí)，O2濃度達(dá)到最小值，CO 和CH4濃度達(dá)到最大值，此時(shí)濃度即代表采空區(qū)氣體濃度。當(dāng)泵停止工作后，由于傳感器的排空端與外部相通，外面的空氣緩慢擴(kuò)散至傳感器，從而O2濃度又逐漸上升，CO 和CH4濃度逐漸下降。

（2）隨著采煤工作面的不斷推進(jìn)，埋入采空區(qū)的束管取樣點(diǎn)進(jìn)深越深，O2濃度下降，與此同時(shí)CO 和CH4濃度上升，符合采空區(qū)煤自燃演變規(guī)律。

設(shè)備安裝完成后，為充分了解和掌握采空區(qū)煤自燃狀態(tài)演變規(guī)律，以及考察設(shè)備長(zhǎng)期運(yùn)行準(zhǔn)確性和可靠性，設(shè)備共變動(dòng)過三次安裝位置。安裝變動(dòng)記錄見表1。

表1 設(shè)備安裝位置變更記錄

與此同時(shí)，地面也對(duì)設(shè)備每天監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)和工作面推進(jìn)進(jìn)度做了詳細(xì)記錄，8 月5 日—9 月9 日采空區(qū)氣體在線監(jiān)測(cè)運(yùn)行曲線如圖2 所示，8 月5 日—9 月9日工作面推進(jìn)距離與監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)應(yīng)曲線如圖3 所示。8 月5 日—9 月9 日，工作面以平均1.3 m/d 速度推進(jìn)，共推進(jìn)了47 m，即束管取氣點(diǎn)從0 m 位置埋入開始至47 m 時(shí)結(jié)束。隨著工作面不斷推進(jìn)，監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)真實(shí)反映了采空區(qū)煤自燃狀態(tài)的演變過程。

圖2 8 月5 日—9 月9 日采空區(qū)氣體在線監(jiān)測(cè)運(yùn)行曲線

圖3 8 月5 日—9 月9 日工作面推進(jìn)距離與監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)應(yīng)曲線

11 月7 日—12 月4 日，Ⅱ830 工作面采空區(qū)為降低瓦斯?jié)舛?，上隅角增加了抽排措施，監(jiān)測(cè)運(yùn)行曲線如圖4 所示。

圖4 11 月7 日—12 月3 日采空區(qū)氣體在線監(jiān)測(cè)運(yùn)行曲線

由圖4 可以看出，抽排措施對(duì)降低采空區(qū)CH4和CO 濃度有較好效果，當(dāng)上隅角抽排至12 月4 日，設(shè)備在現(xiàn)場(chǎng)已累計(jì)運(yùn)行近4 個(gè)月，于當(dāng)日再次下井取氣進(jìn)行對(duì)比測(cè)試，如圖5 所示。

圖5 設(shè)備12 月4 日10:00～14:00 三種氣體測(cè)量值

采氣操作發(fā)生在11:09 分左右，相應(yīng)傳感器測(cè)量值為一氧化碳?xì)怏w濃度為0 ppm、氧氣濃度為10.2%VOL、甲烷氣體濃度為4.12%VOL。人工取氣后將樣氣由色譜分析儀監(jiān)測(cè)，分析結(jié)果顯示O2檢測(cè)差值為1.1%，CO 檢測(cè)差值為0 ppm，甲烷檢測(cè)差值為0.28%，兩者測(cè)量結(jié)果非常接近。

四、注意事項(xiàng)

現(xiàn)場(chǎng)使用中，為確保防火在線裝置的準(zhǔn)確使用與有效檢測(cè)，需注意以下事項(xiàng)：

（1）防火在線裝置應(yīng)選擇在支護(hù)良好、無淋水、便于觀測(cè)維護(hù)的地點(diǎn)安裝，且做到固定牢靠，距離上隅角不得大于30 m。

（2）防火在線裝置的使用周期為工作面開始回采至收作封閉結(jié)束，采樣觀測(cè)地點(diǎn)為回風(fēng)隅角采空區(qū)，觀測(cè)參數(shù)為CH4、CO、O2。

（3）合理設(shè)置采樣周期，正常情況下采煤工作面每一輪采樣監(jiān)測(cè)周期不應(yīng)超過1 h，采樣時(shí)間不得低于5 min，且不得低于抽取待測(cè)地點(diǎn)氣樣的最短時(shí)間。

（4）所有防火觀測(cè)束管必須全部接入防火在線裝置，并采用多通與閘閥控制，實(shí)現(xiàn)各觀測(cè)束管之間的切換。埋入采空區(qū)及進(jìn)入裝置前的束管必須進(jìn)行可靠保護(hù)，杜絕漏氣；多路束管埋設(shè)均應(yīng)正常與裝置密封連接，并實(shí)現(xiàn)自由切換，正常監(jiān)測(cè)選取埋深最大的束管。束管末端分別位于采空區(qū)漏風(fēng)帶、氧化帶，并對(duì)束管采取有效防護(hù)措施，嚴(yán)禁出現(xiàn)折曲、擠壓、漏氣等影響觀測(cè)數(shù)值的現(xiàn)象。

（5）出現(xiàn)氣體成分異常時(shí)，必須人工檢查并及時(shí)分析原因。

五、結(jié)語(yǔ)

自2020 年以來，淮北礦業(yè)集團(tuán)各礦自燃、容易自燃煤層采煤工作面全部安裝了礦井防火關(guān)鍵參數(shù)在線監(jiān)測(cè)裝置，使用周期為工作面開始回采至收作封閉結(jié)束，實(shí)現(xiàn)了防火標(biāo)志性氣體的成分濃度參數(shù)一站式取樣分析、就地顯示、實(shí)時(shí)上傳，通過煤礦安全監(jiān)控系統(tǒng)從地面即可實(shí)時(shí)查看井下防火關(guān)鍵地點(diǎn)的一氧化碳、氧氣、甲烷氣體的實(shí)時(shí)濃度信息，為科學(xué)決策提供了數(shù)據(jù)依據(jù)，從而真正實(shí)現(xiàn)采空區(qū)自燃隱患風(fēng)險(xiǎn)實(shí)時(shí)監(jiān)控、超限報(bào)警信息主動(dòng)推送、運(yùn)行記錄信息自主便捷查詢，合理平衡瓦斯抽采與防火管理之間的關(guān)系，全面提升煤礦采空區(qū)監(jiān)測(cè)監(jiān)控能力和設(shè)備智能化信息化水平。