天地（常州）自動(dòng)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(diǎn)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(cè)預(yù)警對(duì)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(cè)現(xiàn)狀及多參數(shù)監(jiān)測(cè)必要性

煤層自燃監(jiān)測(cè)就是在煤層開(kāi)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(guò)分析氣體濃度及溫度變化情況判斷煤層是否達(dá)到自燃條件，判斷煤層高溫位置，實(shí)現(xiàn)煤自燃實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)、預(yù)報(bào)，并在煤層自燃之前給出報(bào)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(gè)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(guò)采空區(qū)煤層；

?空氣流動(dòng)速度適中，使破裂煤體有積聚氧化熱的環(huán)境；

?在上述3個(gè)條件同時(shí)具備的狀態(tài)下，持續(xù)一定的時(shí)間，使煤體可以達(dá)到著火溫度。

采空區(qū)自然發(fā)火監(jiān)測(cè)現(xiàn)狀及多參數(shù)監(jiān)測(cè)與預(yù)警系統(tǒng)主要針對(duì)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(mǎn)足以上4個(gè)自燃條件之前給出預(yù)報(bào)。

1.1 采空區(qū)自然發(fā)火監(jiān)測(cè)現(xiàn)狀

煤自然發(fā)火的早期預(yù)報(bào)方法主要有氣體分析法、測(cè)溫法、傳感器測(cè)定法、紅外測(cè)定法、數(shù)值模擬法等，但遠(yuǎn)遠(yuǎn)無(wú)法滿(mǎn)足現(xiàn)代化礦井自動(dòng)化生產(chǎn)的需要。目前國(guó)內(nèi)大部分煤礦主要利用礦井火災(zāi)束管監(jiān)測(cè)系統(tǒng)和安全監(jiān)測(cè)監(jiān)控系統(tǒng)對(duì)礦井氣體參數(shù)監(jiān)測(cè)，對(duì)火災(zāi)進(jìn)行預(yù)報(bào)。

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

1）監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)具有一定的時(shí)滯性。氣相色譜儀本身特性決定了要分析一個(gè)氣體單樣，其分析的時(shí)間長(zhǎng),從目前國(guó)內(nèi)監(jiān)測(cè)路數(shù)為20路來(lái)計(jì)算，要完成一個(gè)氣體采樣監(jiān)測(cè)循環(huán)需要的時(shí)間都要超過(guò)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(cè)軟件平臺(tái)分析并沒(méi)有考慮到氣體時(shí)間滯后的問(wèn)題, 因此所分析的氣體結(jié)果并非當(dāng)前監(jiān)測(cè)點(diǎn)實(shí)時(shí)狀態(tài), 無(wú)法達(dá)到實(shí)時(shí)分析要求。

2）井下管路漏風(fēng)和空氣濕度、溫度對(duì)分析精度的影響。

煤礦火災(zāi)束管監(jiān)測(cè)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(huì)出現(xiàn)監(jiān)測(cè)樣品數(shù)據(jù)不精確。無(wú)法準(zhǔn)確分析監(jiān)測(cè)點(diǎn)氣體濃度比例。因此需要大量時(shí)間去維護(hù)束管監(jiān)測(cè)管路，避免出現(xiàn)側(cè)漏，因?yàn)橐坏┕苈烦霈F(xiàn)漏點(diǎn)，采用氣體的濃度比例則不準(zhǔn)確，同時(shí)在抽氣泵抽氣的過(guò)程中，采樣氣體的濕度也會(huì)相應(yīng)增加。由于束管需要長(zhǎng)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(diǎn)，導(dǎo)致所有分析氣體均不準(zhǔn)確。目前的礦井火災(zāi)束管監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的抽氣方式都是采用負(fù)壓抽取式，通過(guò)地面真空泵的運(yùn)轉(zhuǎn)，使束管監(jiān)測(cè)管路內(nèi)部呈現(xiàn)負(fù)壓狀態(tài)，最終將監(jiān)測(cè)點(diǎn)氣體抽入束管管路，輸送至束管色譜儀進(jìn)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(shí)際的氣體濃度值會(huì)差別很大。另外，井下空氣溫度，濕度等都能對(duì)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(cè)系統(tǒng)及分布式光纖測(cè)溫的提出

現(xiàn)有的束管監(jiān)測(cè)技術(shù)一般只實(shí)現(xiàn)了火災(zāi)氣體指標(biāo)濃度的在線監(jiān)測(cè)，功能尚未完善，只具有單指標(biāo)超限報(bào)警功能，缺少引起煤自燃的一個(gè)關(guān)鍵因素—溫度。礦井火災(zāi)監(jiān)測(cè)預(yù)報(bào)系統(tǒng)獨(dú)立運(yùn)行，信息相互獨(dú)立、共享差，無(wú)法對(duì)火災(zāi)發(fā)生條件全部信息的采集，無(wú)法準(zhǔn)確判定火災(zāi)位置。目前還沒(méi)有一套針對(duì)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(cè)系統(tǒng)，可以說(shuō)采空區(qū)煤自燃多參數(shù)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)及分布式光纖測(cè)溫目前處于空白狀態(tài)。如何在現(xiàn)有煤自燃監(jiān)測(cè)、預(yù)報(bào)技術(shù)的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行挖掘，提高煤自燃預(yù)報(bào)準(zhǔn)確度和可靠性。為此，針對(duì)目前礦井煤自燃火災(zāi)監(jiān)測(cè)預(yù)報(bào)系統(tǒng)的不足，提出開(kāi)展煤自燃多參數(shù)監(jiān)測(cè)及分布式光纖測(cè)溫技術(shù)研究，全面提高采空區(qū)煤自然發(fā)火識(shí)別與預(yù)警的時(shí)效性、準(zhǔn)確性和可靠性，對(duì)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(cè)與預(yù)警系統(tǒng)設(shè)計(jì)

采空區(qū)自然發(fā)火多參數(shù)在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)通過(guò)氣體束管將采空區(qū)中的某個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)氣體抽取到井下多參數(shù)分析及分布式光纖溫度監(jiān)測(cè)主機(jī)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(guò)分布式光纖監(jiān)測(cè)采空區(qū)內(nèi)的溫度分布情況，地面數(shù)據(jù)分析中心對(duì)煤層綜合氣體的濃度和測(cè)溫點(diǎn)溫度的變化對(duì)采空區(qū)煤層的氧化過(guò)程進(jìn)行分析并進(jìn)行采空區(qū)自然發(fā)火的早期預(yù)測(cè)。采空區(qū)自然發(fā)火多參數(shù)在線監(jiān)測(cè)與預(yù)警系統(tǒng)設(shè)計(jì)能夠?qū)碌牟煽諈^(qū)的氣體成分、濃度變化以及測(cè)點(diǎn)溫度分布實(shí)現(xiàn)有效的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，并井下多參數(shù)分析及分布式光纖溫度監(jiān)測(cè)主機(jī)分析后上傳至地面監(jiān)測(cè)中心對(duì)采空區(qū)煤層的氣體及溫度發(fā)展進(jìn)行預(yù)測(cè)，實(shí)現(xiàn)了采空區(qū)煤層自燃預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)的智能化、自動(dòng)化。本系統(tǒng)由于將氣體分析和溫度監(jiān)測(cè)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(cè)溫光纖的長(zhǎng)度，提高了數(shù)據(jù)分析的準(zhǔn)確性和實(shí)時(shí)性，降低了系統(tǒng)維護(hù)的工作量。當(dāng)井下多參數(shù)監(jiān)測(cè)主機(jī)監(jiān)測(cè)到的氣體監(jiān)測(cè)濃度異常時(shí)，可以采用人工采樣或現(xiàn)有束管監(jiān)測(cè)系統(tǒng)采集到井上分析烯炔類(lèi)氣體含量，這一工作模式克服了當(dāng)前多數(shù)礦井直接使用氣相色譜分析儀對(duì)束管采集的樣本進(jìn)行分析的繁重工作和分析能力的限制，真正實(shí)現(xiàn)了束管實(shí)時(shí)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(diǎn)監(jiān)測(cè)點(diǎn)設(shè)置

根據(jù)采空區(qū)自然發(fā)火的特點(diǎn)，需要對(duì)整個(gè)采空區(qū)的自然發(fā)火情況進(jìn)行長(zhǎng)期監(jiān)測(cè)，因此溫度觀測(cè)點(diǎn)和氣體觀測(cè)點(diǎn)設(shè)置如下：

1)工作面兩順槽布置分布式測(cè)溫光纖。

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

4 主要功能

1）利用數(shù)據(jù)分析煤礦采空區(qū)某一個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)氣體含量在一段時(shí)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(dòng)采用和分析功能：井下監(jiān)控主機(jī)可對(duì)多個(gè)采樣點(diǎn)自動(dòng)巡回采樣，并對(duì)氣體進(jìn)行濃度分析；

3）分布式光纖測(cè)溫功能：井下監(jiān)控主機(jī)可支持四路測(cè)溫光纖輸出，對(duì)采空區(qū)溫度實(shí)現(xiàn)無(wú)源分布式測(cè)量；

4）聲光報(bào)警功能：井下監(jiān)控主機(jī)支持外接聲光報(bào)警器，在出現(xiàn)報(bào)警情況時(shí)自動(dòng)啟動(dòng)聲光報(bào)警，提醒現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)人員。

5）火災(zāi)預(yù)警功能：通過(guò)分析煤礦各組監(jiān)測(cè)點(diǎn)氣體濃度、甲烷氣體濃度比列以及溫度的計(jì)算，及時(shí)準(zhǔn)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(xún)功能：為防滅火提供各種數(shù)據(jù)；

7）具有報(bào)表分析、歷史曲線、儲(chǔ)存及打印功能。能夠分析各組氣體日?qǐng)?bào)、月報(bào)、檢測(cè)譜圖報(bào)表、氣體含量變化趨勢(shì)報(bào)表等，掌握氣體變化情況。

5 結(jié)語(yǔ)

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(cè)溫技術(shù)、多參數(shù)氣體分析技術(shù)，借鑒國(guó)內(nèi)外先進(jìn)的設(shè)計(jì)理念以及束管監(jiān)測(cè)系統(tǒng)在煤礦上的應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)，設(shè)計(jì)出具備先進(jìn)技術(shù)的礦井采空區(qū)自然發(fā)火多參數(shù)在線監(jiān)測(cè)與預(yù)警系統(tǒng)，將采空區(qū)光纖測(cè)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(zhǔn)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(dá)到起火點(diǎn)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。