陳佩佩

(天地(常州)自動化股份有限公司， 江蘇 常州 213015)

0 引言

我國煤礦大多存在煤自燃發(fā)火的危險(xiǎn)，其中采空區(qū)自燃發(fā)火占多數(shù)。近年來，隨著礦井開采強(qiáng)度的增大，采空區(qū)范圍不斷擴(kuò)大，采空區(qū)煤自燃火災(zāi)現(xiàn)象日趨嚴(yán)重，由煤自燃火災(zāi)誘發(fā)的瓦斯、煤塵爆炸事故時有發(fā)生，嚴(yán)重影響煤礦的安全生產(chǎn)[1]。由于采空區(qū)區(qū)域的特殊性及復(fù)雜性，自燃發(fā)火監(jiān)測至今尚未得到圓滿解決。

目前對煤礦火災(zāi)的監(jiān)測方法主要有電阻率法、氣體探測法、紅外探測發(fā)和自燃溫度探測法等，但均不能滿足煤礦火災(zāi)預(yù)警的需要。經(jīng)反復(fù)分析研究,設(shè)計(jì)了一套煤自燃多參數(shù)監(jiān)測系統(tǒng),該系統(tǒng)集CH4、O2、CO2、CO氣體多參數(shù)測量以及分布式光纖測溫于一體，可對火災(zāi)信息進(jìn)行全面監(jiān)測，判定煤自燃程度并確定發(fā)火位置，實(shí)現(xiàn)對采空區(qū)多參數(shù)的實(shí)時監(jiān)測及在線報(bào)警功能。

1 系統(tǒng)架構(gòu)及工作原理

1.1 系統(tǒng)架構(gòu)

采空區(qū)煤自燃多參數(shù)監(jiān)測系統(tǒng)對采空區(qū)溫度和氣體進(jìn)行監(jiān)測，其工作原理如圖1所示。該系統(tǒng)由地面監(jiān)控主機(jī)及上位機(jī)軟件、傳輸網(wǎng)絡(luò)、采空區(qū)煤自燃多參數(shù)監(jiān)測裝置、分布式測溫光纖、束管監(jiān)測部分等組成。

圖1 采空區(qū)煤自燃多參數(shù)監(jiān)測系統(tǒng)工作原理

采空區(qū)煤自燃多參數(shù)監(jiān)測裝置包括:本質(zhì)安全型電源、控制器、氣體傳感器(CH4、O2、CO2、CO)、負(fù)壓傳感器、顯示屏和測溫主機(jī)等。

1.2 工作原理

控制器通過設(shè)定的邏輯控制電磁閥和抽氣泵選擇氣路進(jìn)行氣體采樣，采集的氣體首先吸入束管，由9選1管路控制閥進(jìn)行氣路選擇，再通過束管送入氣室進(jìn)行氣體分析，最后由抽氣泵排出。通過標(biāo)校氣路送入標(biāo)校氣樣，控制器向傳感器傳輸標(biāo)校值完成標(biāo)校工作。傳感器采集氣室內(nèi)CO、CO2、瓦斯和O2等環(huán)境參數(shù)濃度及抽氣泵前端的負(fù)壓值，將檢測結(jié)果通過RS-485通信傳給控制器，再由控制器通過另一路RS-485通信傳給上位機(jī)，同時通過RS-232通信傳給測溫主機(jī),在液晶顯示屏上進(jìn)行氣體濃度、氣路壓力、當(dāng)前通道號及狀態(tài)等信息的顯示。測溫主機(jī)完成采空區(qū)測點(diǎn)的分布式溫度采集，并將溫度信息通過傳輸接口傳輸給上位機(jī)，同時顯示溫度曲線等信息。控制器接收遙控信號后配合測溫主機(jī)在液晶屏上顯示，可在不開蓋的情況下實(shí)現(xiàn)人機(jī)交互。

2 監(jiān)測系統(tǒng)軟件

采空區(qū)煤自燃多參數(shù)監(jiān)測系統(tǒng)軟件主要由數(shù)據(jù)通信模塊、系統(tǒng)管理模塊、火災(zāi)監(jiān)測模塊、火災(zāi)預(yù)警模塊和分析與報(bào)表模塊5個功能模塊組成。軟件以煤礦火災(zāi)監(jiān)測數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，可實(shí)現(xiàn)礦井火災(zāi)預(yù)警，減少誤報(bào)、漏報(bào)。系統(tǒng)通過自定義模型、設(shè)定流程、調(diào)用外部處理程序和修改參數(shù)等方式，實(shí)現(xiàn)預(yù)警算法的預(yù)設(shè)定，可解決因不同礦井在不同情況下采用的預(yù)警算法不同而限制軟件應(yīng)用范圍的問題，便于根據(jù)現(xiàn)場應(yīng)用情況優(yōu)化算法,提高預(yù)警精度。系統(tǒng)可根據(jù)礦井火災(zāi)危險(xiǎn)程度，結(jié)合火災(zāi)地點(diǎn)和生產(chǎn)情況，自動生成火災(zāi)應(yīng)急處理方案。

3 采空區(qū)煤自燃多參數(shù)監(jiān)測裝置的特點(diǎn)

采空區(qū)煤自燃多參數(shù)監(jiān)測裝置作為采空區(qū)煤自燃監(jiān)測預(yù)警系統(tǒng)的核心設(shè)備，主要采用集光纖測溫和束管監(jiān)測氣體相結(jié)合的方法，對采空區(qū)內(nèi)部氣體進(jìn)行大范圍的監(jiān)測，并借助束管監(jiān)測的方法，實(shí)現(xiàn)對光纖測溫盲區(qū)監(jiān)測的補(bǔ)充，避免出現(xiàn)光纖測溫?zé)o法監(jiān)測到的區(qū)域內(nèi)出現(xiàn)自燃時系統(tǒng)感應(yīng)不到的情況。

該裝置結(jié)合溫度和氣體監(jiān)測的多種參數(shù)數(shù)據(jù)，為現(xiàn)場多模感溫光纜提供激光脈沖信號，并采集散射光信號進(jìn)行分析，輸出光纜沿線的溫度數(shù)據(jù)和位置信息。內(nèi)部負(fù)壓抽氣裝置外部延伸到采空區(qū)的管路,將采樣點(diǎn)的氣體抽取到隔爆兼本質(zhì)安全型腔內(nèi)部的氣體分析室進(jìn)行分析。系統(tǒng)將溫度和氣體分析的結(jié)果轉(zhuǎn)化為電信號，可在井下通過液晶屏實(shí)時顯示，通過井下環(huán)網(wǎng)傳輸?shù)降孛姹O(jiān)測中心,這樣既解決了傳統(tǒng)溫度傳感器成本高、難布置、測點(diǎn)少等難題，又解決了傳統(tǒng)束管監(jiān)測系統(tǒng)距離長、易漏氣、取樣時間長、測點(diǎn)少、安裝成本高等問題。

4 監(jiān)測系統(tǒng)示范工程建設(shè)

采空區(qū)煤自燃危險(xiǎn)發(fā)火區(qū)域與井下煤炭的開采方式有關(guān)，目前常用開采方式有一次性采全高和放頂煤開采。對于一次性采全高方式，采空區(qū)內(nèi)部遺煤量相對較少，進(jìn)回風(fēng)巷道和開切眼及綜采線會有大量的遺煤量。煤自燃不僅與煤自身的氧化性和放熱性有關(guān)，還與漏風(fēng)供氧和蓄熱環(huán)境密切相關(guān)。放頂煤開采方式進(jìn)回風(fēng)巷道頂部無法放煤，采空區(qū)內(nèi)部遺煤量較大，且頂板的垮落無法壓實(shí)，存在漏風(fēng)通道，為煤自燃發(fā)火創(chuàng)造了條件，危險(xiǎn)性較大[2-5]。除此之外，隨著礦井開采強(qiáng)度加大，采空區(qū)范圍不斷擴(kuò)大，特別是綜采放頂煤采煤法推廣應(yīng)用后，放頂煤開采方式難以保證頂煤全部開采，采空區(qū)留有大量浮煤，煤自燃火災(zāi)尤為嚴(yán)重，由于采空區(qū)遺煤高溫點(diǎn)位置的隱蔽性與不易確定性，在氧氣濃度合適且蓄熱效果好的條件下極易發(fā)生自燃[6]?；谝陨戏治?，放頂煤開采采空區(qū)煤自燃多參數(shù)監(jiān)測系統(tǒng)監(jiān)測危險(xiǎn)區(qū)域分布如圖2所示。

圖2 放頂煤開采采空區(qū)煤自燃多參數(shù)監(jiān)測系統(tǒng)監(jiān)測危險(xiǎn)區(qū)域分布

采空區(qū)煤自燃多參數(shù)監(jiān)測系統(tǒng)采用光纖測溫和束管監(jiān)測的方式，對煤自燃火災(zāi)時產(chǎn)生的多種物理參量進(jìn)行監(jiān)測，根據(jù)不同的煤自燃特征物理參量，采用多參數(shù)監(jiān)測的方法，提取有效和準(zhǔn)確的信息，建立煤自燃預(yù)警模型，作為煤自燃診斷和預(yù)警判據(jù)，實(shí)現(xiàn)正確識別、預(yù)警的目的。采空區(qū)各測點(diǎn)現(xiàn)場布置方案主要由分布式光纖測溫布置方案和氣體測溫布置方案組成。

采空區(qū)內(nèi)部溫度測點(diǎn)布置在易發(fā)生自燃的區(qū)域，放頂煤開采進(jìn)回風(fēng)巷道遺煤量較多，容易形成蓄熱環(huán)境，極易發(fā)生自燃，因此,必須在采空區(qū)兩巷布置測溫光纖以監(jiān)測煤自燃危險(xiǎn)程度[7]。運(yùn)輸巷和回風(fēng)巷之間順煤層掘進(jìn)的巷道推進(jìn)速度慢，自燃發(fā)火危險(xiǎn)性較大，需布設(shè)一條L型光纖以監(jiān)測開采過程中的自燃情況。當(dāng)推進(jìn)一定距離后處于基本穩(wěn)定狀態(tài)，隨著推進(jìn)速度的提升，需布置第二條L型光纖,為后續(xù)正常開采提供保證。當(dāng)工作面到達(dá)終采線區(qū)域時，推進(jìn)速度較慢，此時根據(jù)實(shí)際煤礦自燃發(fā)火情況，每隔20 m布置一條光纖。

由于采空區(qū)內(nèi)存在巷道高冒頂,易出現(xiàn)破碎煤柱落下等惡劣情況，布置的光纖很容易被破壞，故需對測溫光纖進(jìn)行重點(diǎn)防護(hù)。設(shè)計(jì)了一種采空區(qū)煤自燃分布式測溫光纖的防護(hù)裝置，包括鋼管和與鋼管相連通的軟管，鋼管的外徑大于軟管的內(nèi)徑，軟管的端部套設(shè)在鋼管端部的外側(cè)。在鋪設(shè)分布式測溫光纖時，在密封墻、停采線撤架位置以及采空區(qū)內(nèi)部等特殊位置設(shè)置與鋼管相連通的軟管。在布置分布式光纖測溫時，在一般區(qū)域鋪設(shè)銅管。軟管柔韌性好,具備良好的導(dǎo)熱性能，可以在井下特殊位置進(jìn)行彎曲、盤繞，對測溫光纖起到一定的保護(hù)作用。鋼管的導(dǎo)熱性好，便于在管內(nèi)設(shè)置冗余盤，預(yù)留光纖，便于施工作業(yè)。

根據(jù)采空區(qū)內(nèi)氣體運(yùn)移規(guī)律，采空區(qū)煤自燃多參數(shù)監(jiān)測系統(tǒng)在選取氣體測點(diǎn)布置位置時,應(yīng)優(yōu)先選擇煤自燃危險(xiǎn)性大、測點(diǎn)穩(wěn)定性好、監(jiān)測靈敏性強(qiáng)、測點(diǎn)可操作性好的位置。 在井下工作面區(qū)域，無論采用上行通風(fēng)還是下行通風(fēng)，上隅角都容易積聚瓦斯等有害氣體，該位置需要設(shè)置氣體測點(diǎn)，以監(jiān)測采空區(qū)內(nèi)煤自燃發(fā)火以及瓦斯分布情況， 安裝時需要將測點(diǎn)吊掛在液壓支架上,以避免影響煤層正常開采。工作面中部的氣體測點(diǎn)視工作面長度和煤礦自燃發(fā)火嚴(yán)重程度而定，一般間距60～100 m布置2～4個測點(diǎn)，吊掛在液壓支架上隨著工作面前進(jìn)。重點(diǎn)在采空區(qū)回風(fēng)側(cè)布置測點(diǎn)，在采空區(qū)內(nèi)部流場匯流區(qū)域的不同位置布置多個測點(diǎn)，可增加有效測點(diǎn)的選擇性，更好地應(yīng)對通風(fēng)狀況變化導(dǎo)致的指標(biāo)氣體濃度突變以及濃度太低無法檢測等問題。

采空區(qū)煤自燃多參數(shù)監(jiān)測系統(tǒng)在龍礦集團(tuán)梁家煤礦進(jìn)行示范工程的建設(shè)，完成了系統(tǒng)軟硬件的現(xiàn)場安裝與調(diào)試，同時建成了梁家煤礦煤自燃火災(zāi)束管監(jiān)測系統(tǒng)，建成礦井火災(zāi)綜合監(jiān)測預(yù)警示范工程，從多方面獲得關(guān)于煤自燃現(xiàn)象的多維信息，并加以融合利用，更有利于對煤自燃火災(zāi)進(jìn)行準(zhǔn)確的識別和判定。將信息融合技術(shù)應(yīng)用于煤自燃火災(zāi)預(yù)警系統(tǒng)，充分利用多維信息，完成對煤自燃火災(zāi)的監(jiān)測和預(yù)警，降低誤報(bào)率和漏報(bào)率，使系統(tǒng)更加靈敏、可靠，提高了預(yù)警系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性。

5 結(jié)論

1) 系統(tǒng)提出的分布式光纖測溫及氣體檢測技術(shù)，解決了目前煤礦行業(yè)對采空區(qū)煤自燃監(jiān)測參數(shù)單一的問題，可實(shí)時動態(tài)監(jiān)測井下采空區(qū)、巷道及工作面溫度及氣體變化情況。

2) 分布式光纖采集溫度可以確定發(fā)火點(diǎn)位置，解決了以往通過溫度傳感器單點(diǎn)監(jiān)測成本高、監(jiān)測范圍小、監(jiān)測范圍有限等問題。采用氣體多參數(shù)監(jiān)測裝置監(jiān)測CO、CH4、O2、CO2氣體濃度，可解決現(xiàn)有方式監(jiān)測種類單一、監(jiān)測數(shù)據(jù)少、不能實(shí)時在線監(jiān)測、束管監(jiān)測系統(tǒng)管路長、易漏氣、無法監(jiān)測溫度等問題。

3) 該系統(tǒng)可為深入研究煤礦采空區(qū)發(fā)火機(jī)理，掌握自燃發(fā)火預(yù)警規(guī)律提供有效技術(shù)手段，對煤礦采空區(qū)監(jiān)測及控制有著現(xiàn)實(shí)意義。通過該系統(tǒng)可以全面提高采空區(qū)煤自燃發(fā)火識別與預(yù)警的時效性、準(zhǔn)確性和可靠性，可提升礦井火災(zāi)防治水平，保障礦井安全生產(chǎn)。