李勇軍，任梅青，郝 宇

(1.重慶南桐礦業(yè)有限責(zé)任公司 通風(fēng)瓦斯部，重慶 400802；2.中煤科工集團(tuán)重慶研究院有限公司火災(zāi)爆炸研究分院，重慶 400037)

0 引言

目前國(guó)有煤礦中60%以上的礦井開(kāi)采煤層具有自燃傾向性。采空區(qū)遺留煤炭自然發(fā)火是煤礦開(kāi)采過(guò)程中的主要隱蔽致災(zāi)因素之一。隨著礦井的不斷延深和開(kāi)采強(qiáng)度的加大，通風(fēng)系統(tǒng)愈加復(fù)雜，使得煤層自燃危險(xiǎn)性有明顯增大的趨勢(shì)，其中采空區(qū)煤炭自然發(fā)火占很高比例，且難以處理[1-2]。目前國(guó)內(nèi)外對(duì)采空區(qū)自然發(fā)火傾向的預(yù)測(cè)和監(jiān)控措施主要是通過(guò)束管系統(tǒng)抽取氣樣到地面，或人工在工作面隅角、回風(fēng)巷收集氣樣，對(duì)標(biāo)志性氣體進(jìn)行分析預(yù)警，缺乏實(shí)效性和直觀性，也不能準(zhǔn)確判別高溫異?；虬l(fā)火區(qū)域位置，存在一定的局限性。采用的光纖測(cè)溫裝置能夠連續(xù)、密度高地進(jìn)行監(jiān)測(cè)采空區(qū)的溫度，不存在盲點(diǎn)，檢測(cè)的信號(hào)傳輸距離遠(yuǎn)，適于在采空區(qū)復(fù)雜環(huán)境中使用，尤其適用于高瓦斯礦井綜放開(kāi)采采空區(qū)溫度場(chǎng)的監(jiān)測(cè)預(yù)警，具有較好的經(jīng)濟(jì)價(jià)值和社會(huì)價(jià)值[5]。

因此，在工作面回采過(guò)程中，對(duì)工作面進(jìn)風(fēng)巷、回風(fēng)巷及采空區(qū)等區(qū)域進(jìn)行溫度監(jiān)測(cè)，及時(shí)發(fā)現(xiàn)溫度異常，將煤的自燃抑制在早期階段，對(duì)預(yù)防采空區(qū)(工作面)自然發(fā)火具有重要意義。

1 工作面概況及煤炭自燃過(guò)程

1.1 工作面概況

東林煤礦3409一段采煤工作面位于礦井北翼三水平第五采區(qū)，煤層厚度為2.4～2.7 m，平均厚度2.4 m，中部松軟，易破碎呈粉狀，傾角76°～86°，傾向東傾。工作面布置有-75 m風(fēng)巷、-130 m機(jī)巷，采用“U”型下行通風(fēng)，即由-75 m風(fēng)巷回風(fēng)，由-130 m機(jī)巷進(jìn)風(fēng)。采取區(qū)內(nèi)后退式開(kāi)采、俯偽斜柔性掩護(hù)支架采煤法采煤，落煤工藝為爆破加風(fēng)鎬落煤。所采4#(K3)煤層自燃傾向性為Ⅱ級(jí)(自燃)，最短發(fā)火期為66 d，其特性見(jiàn)表1。

表1 工業(yè)分析及自燃傾向等級(jí)鑒定結(jié)果

1.2 煤炭自燃過(guò)程

理論研究表明煤的自燃分為3個(gè)階段：①煤在低溫的條件下，能吸附氧生成不穩(wěn)定的化合物，放出少量的熱，這種氧化過(guò)程十分隱蔽，稱其為潛伏期；經(jīng)過(guò)該階段后，煤的氧化過(guò)程加速，發(fā)熱量增加，如果不能及時(shí)散熱，就會(huì)加速煤的自燃；②在煤的自然溫度繼續(xù)升高至臨界溫度(70～80 ℃)以上，氧化急劇加快，當(dāng)煤的溫度迅速升至300～500 ℃時(shí)，將會(huì)發(fā)生燃燒現(xiàn)象，H2、CO、水蒸汽等征兆性氣體出現(xiàn)，該階段是防止隱患升級(jí)的有利時(shí)期；③當(dāng)溫度達(dá)到800～2 000 ℃時(shí)，煤的燃燒就會(huì)出現(xiàn)明火，此時(shí)基本就沒(méi)有辦法施救，只能被迫封閉工作[3-4]。

2 KJ711分布式光纖測(cè)溫度系統(tǒng)

2.1 基本原理

采用同一芯光纖作為溫度信息的傳感和傳導(dǎo)介質(zhì)，利用光纖拉曼(Raman)散射光譜的溫度效應(yīng)測(cè)量光纖所在的溫度場(chǎng)信息，測(cè)量誤差±0.1 ℃；同時(shí)運(yùn)用光纖的光時(shí)域反射(OTDR)技術(shù)對(duì)測(cè)量點(diǎn)進(jìn)行定位的一種新型溫度傳感系統(tǒng)，定位誤差±1 m。其檢測(cè)光纖具有不帶電、抗射頻和電磁干擾，防燃、防爆、抗腐蝕，能在有害環(huán)境中安全運(yùn)行和快速多點(diǎn)測(cè)量并定位等特點(diǎn)[5-6]。

2.2 系統(tǒng)構(gòu)成

KJ711系統(tǒng)主要由監(jiān)控主機(jī)(KJ711監(jiān)控軟件)、KJ711-F測(cè)溫分站、網(wǎng)絡(luò)交換機(jī)、測(cè)溫光纜、通信光纜和其他必要設(shè)備組成[7-8]，如圖1所示。

圖1 分布式光纖測(cè)溫系統(tǒng)連接示意圖

3 方案實(shí)施

3.1 設(shè)備布置

KJ711-F光纖測(cè)溫分站放置于七石門(mén)，采用通訊光纜連接三石門(mén)井下環(huán)網(wǎng)交換機(jī)并入井下現(xiàn)有環(huán)網(wǎng)，同時(shí)將測(cè)溫光纜從工作面引至測(cè)溫分站進(jìn)行監(jiān)測(cè)，數(shù)據(jù)通過(guò)環(huán)網(wǎng)進(jìn)行數(shù)據(jù)上傳地面監(jiān)控中心。

沿3409工作面進(jìn)風(fēng)巷、切割至回風(fēng)巷敷設(shè)1條環(huán)型感溫光纖，直接對(duì)采場(chǎng)全域進(jìn)行溫度監(jiān)測(cè)，如圖2所示。

圖2 東林煤礦采空區(qū)光纖測(cè)溫系統(tǒng)布置圖

3.2 感溫光纖

為防止采空區(qū)冒落矸石砸壞光纖，確保其具有較高的抗壓與抗拉力，以增強(qiáng)感溫光纜在采空區(qū)的抗破壞能力，采用了新型雙層鎧裝鋼絲結(jié)構(gòu)的DFC-2SW型感溫光纖，具體參數(shù)見(jiàn)表2。

3.3 敷設(shè)要求

在進(jìn)、回風(fēng)巷兩側(cè)每隔1～2 m打深度不小于3 m的錨桿，將感溫光纜固定在錨桿上，并進(jìn)行掩埋處理，防止感溫光纜位移，保證定位的準(zhǔn)確性。在感溫光纖走向改變或轉(zhuǎn)角處，敷設(shè)弧度必須滿足感溫光纖最小半徑要求(感溫光纜半徑的20倍)。采空區(qū)感溫光纜采用直埋敷設(shè)的方式。

表2 DFC-2SW型感溫光纖技術(shù)參數(shù)

4 系統(tǒng)功能

4.1 實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)

系統(tǒng)可24 h連續(xù)對(duì)3409工作面及采空區(qū)進(jìn)行溫度監(jiān)測(cè)，并每隔15 s進(jìn)行一次數(shù)據(jù)上傳，真正實(shí)現(xiàn)了對(duì)采空區(qū)溫度的實(shí)時(shí)在線監(jiān)測(cè)，如圖3所示。

圖3 采場(chǎng)溫度監(jiān)測(cè)實(shí)時(shí)圖表

從圖3曲線可以看出不同區(qū)域的溫度變化，如巷道溫度較低，基本保持恒定；采煤工作面溫度相對(duì)較高，溫度變化相對(duì)較大，與現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)情況相符。

4.2 某監(jiān)測(cè)點(diǎn)數(shù)據(jù)連續(xù)監(jiān)測(cè)

系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了對(duì)3409工作面采空區(qū)溫度的實(shí)時(shí)連續(xù)監(jiān)測(cè)，如圖4為某點(diǎn)連續(xù)5 d的溫度數(shù)據(jù)，通過(guò)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，可以直觀地觀測(cè)到重點(diǎn)防滅火區(qū)域的溫度變化情況，并在溫度升高、異常時(shí)能提前采取措施進(jìn)行防治。

圖4 某監(jiān)測(cè)點(diǎn)溫度時(shí)間曲線對(duì)比圖

4.3 歷史數(shù)據(jù)查詢

系統(tǒng)可查詢出井下工作面及采空區(qū)在規(guī)定時(shí)間段的遙測(cè)歷史數(shù)據(jù)，并以曲線的方式在界面上顯示出來(lái)，以更加形象的方式來(lái)分析遙測(cè)歷史數(shù)據(jù)，如圖5所示。同一設(shè)備不同測(cè)點(diǎn)的曲線可用不同顏色顯示便于查看。

圖5 歷史曲線查詢

4.4 監(jiān)測(cè)效果

采用礦用KJ711分布式光纖測(cè)溫系統(tǒng)對(duì)東林煤礦3409工作面及采空區(qū)進(jìn)行溫度監(jiān)測(cè)不僅彌補(bǔ)了現(xiàn)有監(jiān)測(cè)手段的不足，還能達(dá)到如下效果：①連續(xù)監(jiān)測(cè)整個(gè)工作面及采空區(qū)的溫度變化，不再是局部點(diǎn)的監(jiān)測(cè)，彌補(bǔ)了過(guò)去傳統(tǒng)人工定點(diǎn)測(cè)溫及礦井安全監(jiān)測(cè)系統(tǒng)溫度測(cè)點(diǎn)較少的不足；②全天24 h不間斷監(jiān)測(cè)，每隔15 s對(duì)工作面采空區(qū)溫度進(jìn)行監(jiān)測(cè)一次，并實(shí)時(shí)顯示當(dāng)前溫度數(shù)據(jù)，真正做到對(duì)3409工作面采空區(qū)溫度的實(shí)時(shí)在線監(jiān)測(cè)；③對(duì)隱患點(diǎn)精確定位，其定位精度為1 m，并能在圖形上直觀顯示，為排查隱患節(jié)省時(shí)間，進(jìn)而將隱患控制在萌芽狀態(tài)；④采用分區(qū)設(shè)置，對(duì)不同區(qū)域位置進(jìn)行區(qū)別對(duì)待，并且能對(duì)任一溫度監(jiān)測(cè)點(diǎn)繪制趨勢(shì)曲線，為早期預(yù)防提供數(shù)據(jù)依據(jù)；⑤與現(xiàn)有監(jiān)測(cè)措施結(jié)合，對(duì)采空區(qū)浮煤自燃進(jìn)行綜合預(yù)警，提高預(yù)警的及時(shí)性和準(zhǔn)確性，為采空區(qū)隱蔽致災(zāi)因素防治奠定扎實(shí)的理論與實(shí)踐基礎(chǔ)[9-10]。

5 結(jié)語(yǔ)

采空區(qū)分布式光纖測(cè)溫度系統(tǒng)是采空區(qū)煤溫監(jiān)測(cè)及自然發(fā)火預(yù)警領(lǐng)域最新發(fā)展的一種技術(shù)，具有范圍廣、實(shí)時(shí)性、適應(yīng)惡劣環(huán)境等特點(diǎn)，很好地解決了點(diǎn)式測(cè)溫等傳統(tǒng)的測(cè)溫方法存在的溫度監(jiān)測(cè)點(diǎn)有限，傳感器易氧化、易腐蝕的缺點(diǎn)，彌補(bǔ)了標(biāo)志性氣體分析方法預(yù)警的不足， 并且能對(duì)采集的溫度數(shù)據(jù)進(jìn)行趨勢(shì)分析，及時(shí)準(zhǔn)確地對(duì)采空區(qū)隱患進(jìn)行預(yù)測(cè)預(yù)警，降低采空區(qū)自然發(fā)火的風(fēng)險(xiǎn)，提高了井下作業(yè)的安全性。