謝巧軍，劉 杰

(1.神東煤炭集團信息管理中心，陜西 神木 719315；2.光力科技股份有限公司研究院，河南 鄭州 450001)

0 引言

煤礦火災(zāi)分為內(nèi)因火災(zāi)和外因火災(zāi)，內(nèi)因火災(zāi)是指煤炭自然氧化集熱導(dǎo)致的煤炭自燃[1]，煤礦現(xiàn)場多年的防滅火經(jīng)驗表明，煤礦內(nèi)因火災(zāi)是煤礦火災(zāi)防治的重點，防治難度大。煤炭內(nèi)因火災(zāi)一旦發(fā)生滅火成本高，效果差，因此煤炭自燃火災(zāi)的防治工作重在預(yù)防。煤炭自燃火災(zāi)監(jiān)測是火災(zāi)防治工作的重要組成部分。目前市場上傳統(tǒng)的自燃火災(zāi)監(jiān)測手段是采用地面抽氣泵通過長距離束管將監(jiān)測區(qū)域的氣體抽取至地面，通過人工操作色譜儀對氣體成分進行檢測，管理人員依靠氣體成分檢測結(jié)果對自燃火災(zāi)發(fā)展情況進行判斷。傳統(tǒng)監(jiān)測方式依靠(內(nèi)徑8～10 mm)長距離束管抽取氣體，束管極易發(fā)生堵塞漏氣故障導(dǎo)致系統(tǒng)無法正常運行或檢測數(shù)據(jù)失真；依靠人工操作色譜儀的方式進行氣體檢測對檢測人員技術(shù)水平要求高，而且每天能夠測量的數(shù)量有限，無法對火情進行實時監(jiān)測；系統(tǒng)故障排查和維護全部依靠人工進行，監(jiān)測的數(shù)據(jù)需要依靠人工經(jīng)驗對火情進行判斷；發(fā)火區(qū)域溫度是煤自然發(fā)火最直接特征參數(shù)，對溫度進行實時檢測，將有助于對火情發(fā)展的準(zhǔn)確判斷。

按照國家發(fā)改委、國家安全監(jiān)管總局以及神華集團對國家礦井安全生產(chǎn)監(jiān)管物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用示范工程建設(shè)要求，基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)設(shè)計研發(fā)采用分布式光纖測溫技術(shù)、激光氣體檢測技術(shù)和大數(shù)據(jù)分析技術(shù)的新一代分布式激光火情煤礦火災(zāi)監(jiān)控預(yù)警系統(tǒng)，并選取示范礦井進行示范工程建設(shè)，將有助于先進技術(shù)推廣應(yīng)用并解決煤層自然發(fā)火監(jiān)測存在的問題。

1 系統(tǒng)總體技術(shù)框架

國家礦井安全生產(chǎn)監(jiān)管物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用示范工程項目建設(shè)的KJ428型煤礦安全監(jiān)控系統(tǒng)，由煤礦井下火災(zāi)參數(shù)監(jiān)測系統(tǒng)、基于以太網(wǎng)的數(shù)據(jù)傳輸高速通信系統(tǒng)和可視化、自動化和智能化的煤礦火災(zāi)監(jiān)測預(yù)警系統(tǒng)組成，如圖1所示。

圖1 火災(zāi)預(yù)警系統(tǒng)技術(shù)框架

井下火災(zāi)監(jiān)測參數(shù)數(shù)據(jù)采集設(shè)備主要包括激光火情監(jiān)測主機、光纖測溫控制柜和氣體采樣泵等組成，以相鄰的多個火災(zāi)監(jiān)測區(qū)域共同組成一個火災(zāi)監(jiān)測單元，通過在井下部署火災(zāi)監(jiān)測參數(shù)數(shù)據(jù)采集設(shè)備[2]，實現(xiàn)煤礦火災(zāi)監(jiān)測的分布式取氣自動化、多種氣體成分分析自動化和定制化。

數(shù)據(jù)傳輸網(wǎng)絡(luò)包括井下數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)和地面數(shù)據(jù)傳輸網(wǎng)絡(luò)，為提高傳輸速度，煤礦火災(zāi)監(jiān)測系統(tǒng)采用以太網(wǎng)光纖環(huán)網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)作為數(shù)據(jù)傳輸網(wǎng)絡(luò)。利用礦方已經(jīng)搭建的以太網(wǎng)光纖環(huán)網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)，實現(xiàn)基于以太網(wǎng)的火災(zāi)監(jiān)測參數(shù)與地面火災(zāi)監(jiān)測系統(tǒng)的高速通信。

地面火災(zāi)監(jiān)測預(yù)警系統(tǒng)主要包括地面基礎(chǔ)支撐服務(wù)器系統(tǒng)和煤礦火災(zāi)監(jiān)測軟件組成，地面火災(zāi)監(jiān)測系統(tǒng)通過數(shù)據(jù)傳輸網(wǎng)絡(luò)自動采集分析井下火災(zāi)監(jiān)測參數(shù)并根據(jù)火災(zāi)監(jiān)測模型，實現(xiàn)煤礦火災(zāi)的可視化監(jiān)測、自動化中央控制和火災(zāi)預(yù)警預(yù)報。

2 系統(tǒng)采用的關(guān)鍵技術(shù)

2.1 激光氣體檢測技術(shù)

KJ428-Z礦用本安型激光火情監(jiān)測主機是KJ428礦用分布式激光火情監(jiān)測系統(tǒng)的關(guān)鍵組成部分，采用波長調(diào)制吸收光譜技術(shù)實現(xiàn)氣體濃度檢測[3-4]，可同時完成CH4、CO、C2H2、O2、C2H4和CO2等氣體濃度的測量和分析，具有測量誤差小、分辨率高、完全避免水汽、煤塵和其它氣體的交叉干擾等優(yōu)點。同時還具有采樣泵控制功能和溫度數(shù)據(jù)采集中繼功能，可接收遠程的PC指令控制采樣泵的啟停和工作狀態(tài)，并接收KJK660礦用隔爆兼本安型光纖測溫控制柜傳輸?shù)墓饫w測溫數(shù)據(jù)并通過RS485數(shù)字信號或者以太網(wǎng)光信號進行傳輸。

KJ428-Z礦用本安型激光火情監(jiān)測主機可通過遠程控制或者本地控制的方式實現(xiàn)單根或者多根取樣束管進行連續(xù)或者周期性的CH4、CO、C2H2、O2、C2H4和CO2等氣體濃度的測量和分析，為煤礦井下火災(zāi)監(jiān)測提供準(zhǔn)確、穩(wěn)定、可靠的監(jiān)測數(shù)據(jù)，并結(jié)合KJ428礦用分布式激光火情監(jiān)測系統(tǒng)強大的分析和監(jiān)控功能實現(xiàn)火情位置定位、監(jiān)測現(xiàn)場取氣自動化、采集分析自動化、參數(shù)關(guān)聯(lián)分析等，提供火災(zāi)預(yù)警和故障監(jiān)測等功能，降低誤診誤報。

KJ428-Z礦用本安型激光火情監(jiān)測主機主要包括WMAS氣體檢測模塊、氣體采樣系統(tǒng)控制模塊、數(shù)據(jù)采集和通訊模塊；其中WMAS氣體檢測模塊用于測量CH4、CO、C2H2、CO2、C2H4和O2氣體濃度；氣體采樣系統(tǒng)控制模塊主要用于控制氣體采樣系統(tǒng)，不同氣體取樣束管的切換與導(dǎo)通和各氣體取樣束管的流量檢測；數(shù)據(jù)采集和通訊模塊主要用來完成CH4、CO、C2H2、CO2、C2H4和O2的檢測數(shù)據(jù)采集及計算，并把CH4、CO、C2H2、CO2、C2H4和O2濃度，氣體取樣系統(tǒng)控制狀態(tài)參數(shù)等數(shù)據(jù)通過RS485數(shù)字信號和以太網(wǎng)電信號經(jīng)數(shù)據(jù)傳輸網(wǎng)絡(luò)傳輸至地面火災(zāi)監(jiān)測系統(tǒng)。

2.2 分布式光纖測溫技術(shù)

KJK660礦用隔爆兼本安型光纖測溫控制柜是分布式光纖溫度探測(DTS)技術(shù)在火災(zāi)報警領(lǐng)域的具體應(yīng)用[5]，主要用于煤礦采空區(qū)、密閉區(qū)等區(qū)域的溫度探測。

KJK660礦用隔爆兼本安型光纖測溫控制柜包括電源系統(tǒng)和分布式光纖測溫系統(tǒng)，電源系統(tǒng)主要把煤礦電源設(shè)備提供的外部電源輸入轉(zhuǎn)化為本安電源輸出和非本安電源輸出，為整個火災(zāi)監(jiān)測硬件系統(tǒng)提供電源；分布式光纖測溫系統(tǒng)主要通過鋪設(shè)到各個采空區(qū)和采煤工作面的光纖實現(xiàn)對監(jiān)測區(qū)域的溫度監(jiān)測，并為溫度異常區(qū)提供定位距離。

KJK660礦用隔爆兼本安型光纖測溫控制柜主要由光纖測溫模塊、測溫光纖、信號隔離模塊、電機控制部分和隔爆兼本安電源模塊組成。其中，光纖測溫模塊負責(zé)光纖信號處理、報警和參數(shù)設(shè)置等，測溫光纖負責(zé)現(xiàn)場的溫度采集，信號隔離模塊輸出電機控制信號、電機故障信號并通過R485串口、光信號網(wǎng)線傳輸信號；電機控制部分是通過本部分對電機進行控制和保護；隔爆兼本安電源模塊除負責(zé)給本系統(tǒng)信號處理模塊供電以外還給其它部分本安電器提供12 V電源。光纖測溫模塊還可以通過RS485、以太網(wǎng)接口與系統(tǒng)相連，構(gòu)成完整的系統(tǒng)。

2.3 大數(shù)據(jù)智能分析技術(shù)

構(gòu)建地面火災(zāi)監(jiān)測預(yù)警系統(tǒng)，實現(xiàn)基于井下火情氣體與溫度綜合集成分析的煤礦可視化火災(zāi)監(jiān)測、智能化中央集控、自動化采集分析、定制化模型訓(xùn)練、及時性火災(zāi)預(yù)警預(yù)報，解決煤礦束管火災(zāi)監(jiān)測系統(tǒng)業(yè)務(wù)分析能力差和缺乏火災(zāi)預(yù)警預(yù)報能力等缺點。

KJ428火情監(jiān)測預(yù)警系統(tǒng)具備多參數(shù)交叉驗證分析模型，針對火情監(jiān)測區(qū)域的CO、CO2、O2、CH4、C2H4、C2H2特征氣體和溫度等監(jiān)測數(shù)據(jù)，采用大數(shù)據(jù)分析技術(shù)進行深度交叉關(guān)聯(lián)和挖掘分析，總結(jié)規(guī)律，超前感知火情風(fēng)險，準(zhǔn)確監(jiān)測煤體自然發(fā)火所處的階段(正常、緩慢氧化、加速氧化、激烈氧化、自燃)，在采空區(qū)頂板周期來壓等因素導(dǎo)致采空區(qū)風(fēng)流形態(tài)改變無法準(zhǔn)確判斷自然發(fā)火所處階段的情況下，火情趨勢判斷能夠為防滅火工作提供依據(jù)，為煤礦防滅火工作提供決策支持。

束管堵塞、漏氣的判斷和維護是當(dāng)前影響煤礦火情監(jiān)測系統(tǒng)正常運行的重要因素，KJ428束管堵塞漏氣專家分析模型基于束管流量、壓力、數(shù)據(jù)深度挖掘分析，能夠準(zhǔn)確捕捉束管堵塞漏氣現(xiàn)象，并觸發(fā)自動反吹功能實現(xiàn)束管的自動疏通。

3 系統(tǒng)在寸草塔二礦的應(yīng)用

3.1 測點和設(shè)備部署

寸草塔二礦井田位于內(nèi)蒙古自治區(qū)鄂爾多斯市伊金霍洛旗東南部、東勝煤田寸草塔礦區(qū)二井田東北部，行政區(qū)劃隸屬于伊金霍洛旗烏蘭木倫鎮(zhèn)。井田南北走向長5.15 km，東西傾向?qū)?.55 km，面積16.5 km2。礦井屬低瓦斯礦井，采用斜井+平硐聯(lián)合開拓方式，在工業(yè)場地內(nèi)布置有一條主斜井(傾角9°，斜長1 050 m)、一條輔運平硐(傾角6°，斜長1 150 m)和3條回風(fēng)斜井(傾角分別為16°、18°、25°，斜長分別為403 m、423 m、220 m)。在井田中央沿走向布置3條煤層大巷，大巷兩側(cè)布置條帶式工作面。

根據(jù)寸草塔二礦采掘接替和發(fā)火情況，確認了8個監(jiān)測點的部署方案，通過3套井下監(jiān)測設(shè)備實現(xiàn)全礦井火情預(yù)警監(jiān)測點的覆蓋。主要包括3-1煤層一個采煤工作面及采空區(qū)3個監(jiān)測點，以及3-1煤層3個密閉區(qū)監(jiān)測點，2-2煤層2個密閉區(qū)監(jiān)測點。項目井下施工內(nèi)容主要鋪設(shè)曙光17 400 m，測溫光纖2 600 m，安裝測溫主機3臺，氣體主機3臺，抽氣泵組3套，束管過濾箱3套，具體設(shè)備和測點部署情況見表1。

表1 寸草塔二礦火情測點部署表

3.2 激光氣體檢測和分布式光纖測溫技術(shù)驗證

為驗證檢測設(shè)備對CH4、CO、C2H2、CO2、C2H4和O2濃度以及溫度參數(shù)檢測的準(zhǔn)確性，技術(shù)人員采用神東檢測公司色譜分析數(shù)據(jù)對比9次、采用便攜儀進行數(shù)據(jù)對比50次、通過通標(biāo)氣進行數(shù)據(jù)對比5次，數(shù)據(jù)表明設(shè)備對參數(shù)檢測準(zhǔn)確，各種參數(shù)檢測精度見表2。

表2 氣體測量指標(biāo)

3.3 大數(shù)據(jù)智能分析技術(shù)驗證

系統(tǒng)能夠根據(jù)束管流量、壓力和抽取氣體流量的變化，智慧總結(jié)束管堵塞時的參數(shù)變化規(guī)律，并根據(jù)參數(shù)變化規(guī)則對束管堵塞和漏氣故障進行智能判斷[6-7]，在系統(tǒng)發(fā)生堵塞故障時自動啟用反吹功能排除故障。在束管發(fā)生漏氣故障時及時提醒系統(tǒng)運維人員排除故障，保障系統(tǒng)正常運行。

2018年2月4日22121綜采面上隅角束管發(fā)生堵塞故障，系統(tǒng)及時彈出了報警提醒，經(jīng)現(xiàn)場排查束管在上隅角附近位置發(fā)生了彎折。圖2為束管堵塞分析曲線。

圖2 束管堵塞分析曲線

2018年1月15日22119密閉(22121主運5聯(lián)巷)束管發(fā)生漏氣，系統(tǒng)及時彈出了報警提醒，經(jīng)現(xiàn)場排查束管接頭發(fā)生脫落，重新連接束管后恢復(fù)正常。圖3為束管漏氣分析曲線。

圖3 束管漏氣分析曲線

系統(tǒng)根據(jù)不同煤質(zhì)燃燒參數(shù)分析數(shù)據(jù)、取氣換氣采樣參數(shù)、測溫光纖和多氣體監(jiān)測關(guān)聯(lián)參數(shù)，通過模型訓(xùn)練建立適合于特定區(qū)域的火災(zāi)監(jiān)測預(yù)警模型，針對監(jiān)測區(qū)域的溫度和火災(zāi)氣體參數(shù)關(guān)聯(lián)集成，根據(jù)建立的火災(zāi)預(yù)警分析模型和用戶設(shè)定的預(yù)警條件實現(xiàn)煤礦火災(zāi)風(fēng)險分析和預(yù)警預(yù)報[7]。

2017年11月3日31202采空區(qū)(203輔運7聯(lián)巷)附近區(qū)域發(fā)生緩慢氧化現(xiàn)象，系統(tǒng)及時進行了預(yù)警，經(jīng)現(xiàn)場處理火情得到及時處理?；鹎樽兓治銮€，如圖4所示。

圖4 多參數(shù)交叉分析曲線

4 結(jié)論

(1)分布式光纖測溫技術(shù)能夠?qū)崟r準(zhǔn)確監(jiān)測易自然發(fā)火區(qū)域的溫度，監(jiān)測誤差范圍為±1 ℃。

(2)采用激光氣體檢測技術(shù)能夠準(zhǔn)確檢測CH4、CO、CO2、O2、C2H2、C2H4，共計6種氣體濃度。勿需參考氣體，不受交叉氣體干擾，設(shè)備測量準(zhǔn)備、穩(wěn)定可靠；內(nèi)置自校驗機制，長達6個月免標(biāo)校。

(3)束管故障分析模型能夠依據(jù)束管流量、壓力、氣體濃度等因素準(zhǔn)確判斷其堵塞和漏氣故障。

(4)系統(tǒng)能夠依據(jù)測量的6種氣體濃度和溫度參數(shù)對火情發(fā)展進行預(yù)測預(yù)警。

(5)通過分布式部署，避免傳統(tǒng)束管色譜火災(zāi)監(jiān)測方式長距離管路的易堵易漏和粉塵、水汽干擾弊端，大大提高了系統(tǒng)的適用性。