趙彤宇，楊勝強(qiáng)，陳登照，劉 杰

（1.中國(guó)礦業(yè)大學(xué) 安全工程學(xué)院，江蘇 徐州 221116；2.光力科技股份有限公司，河南 鄭州 450001）

采空區(qū)自然發(fā)火約占煤礦自然發(fā)火總數(shù)的60%，是自然發(fā)火防治的重點(diǎn)[1-3]。采空區(qū)空間根據(jù)自然發(fā)火情況一般可劃分為“三帶”，即“散熱帶”、“氧化帶”和“窒息帶”，“散熱帶”和“窒息帶”一般不會(huì)發(fā)生自然發(fā)火，“氧化帶”頂板垮落逐漸壓實(shí)，風(fēng)阻增大，遺煤氧化產(chǎn)生的熱量不斷積聚，并可能發(fā)生煤炭自燃，是自然發(fā)火監(jiān)測(cè)的重點(diǎn)[4-5]。在火災(zāi)監(jiān)測(cè)預(yù)警工作中，將有限的測(cè)點(diǎn)布置在“氧化帶”及附近區(qū)域，將顯著提高火災(zāi)監(jiān)測(cè)預(yù)警的準(zhǔn)確性，因此采空區(qū)自燃“三帶”測(cè)點(diǎn)的準(zhǔn)確布置及自動(dòng)化分析對(duì)于礦井防滅火工作至關(guān)重要。

目前礦井采空區(qū)自燃“三帶”測(cè)定一般采用人工部署測(cè)點(diǎn)，人工統(tǒng)計(jì)氧氣濃度、溫度等參數(shù)的方法[6-7]，自動(dòng)化程度低，成本高，在煤礦現(xiàn)場(chǎng)多采用測(cè)定個(gè)別工作面采空區(qū)自燃“三帶”以指導(dǎo)全礦井防滅火工作的方式。但由于礦井的工作面各不相同，用個(gè)別工作面采空區(qū)自燃“三帶”的測(cè)定結(jié)果指導(dǎo)全礦井往往效果不佳，開發(fā)實(shí)現(xiàn)基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的自燃“三帶”自動(dòng)化動(dòng)態(tài)分析技術(shù)具有特別重要的意義。

1 分布式激光火情監(jiān)測(cè)系統(tǒng)

寸草塔二礦基于國(guó)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)了一套基于物聯(lián)網(wǎng)和激光檢測(cè)技術(shù)的KJ428 礦用分布式激光火情監(jiān)測(cè)系統(tǒng)[8]，自燃“三帶”動(dòng)態(tài)分析技術(shù)基于KJ428 火情監(jiān)測(cè)系統(tǒng)和自燃“三帶”分析算法實(shí)現(xiàn)。KJ428 礦用分布式激光火情監(jiān)測(cè)系統(tǒng)由地面監(jiān)控服務(wù)器系統(tǒng)、傳輸網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)和井下火災(zāi)參數(shù)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)3 個(gè)部分組成。

1）地面監(jiān)控服務(wù)器系統(tǒng)。主要包括服務(wù)器、網(wǎng)絡(luò)交換機(jī)等硬件設(shè)備和系統(tǒng)軟件、應(yīng)用軟件組成，地面監(jiān)控服務(wù)器系統(tǒng)用于采集、存儲(chǔ)、分析、展示監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)并對(duì)井下設(shè)備進(jìn)行控制[9]，依托束管堵塞分析技術(shù)和多參數(shù)交叉分析技術(shù)，系統(tǒng)目前已實(shí)現(xiàn)束管堵塞智能分析和火情預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)[10-11]。

2）傳輸網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)。主要包括若干臺(tái)以太網(wǎng)環(huán)網(wǎng)交換機(jī)，當(dāng)井下存在多個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)，把各個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)接入以太網(wǎng)環(huán)網(wǎng)交換機(jī)，通過光纖網(wǎng)絡(luò)構(gòu)成井下以太網(wǎng)環(huán)網(wǎng)系統(tǒng)，傳輸網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)用于將井下火災(zāi)參數(shù)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)傳輸至地面監(jiān)控服務(wù)器系統(tǒng)。

3）井下火災(zāi)參數(shù)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。主要包括激光氣體監(jiān)測(cè)主機(jī)、溫度主機(jī)、抽氣泵、測(cè)溫光纖和束管。激光氣體監(jiān)測(cè)主機(jī)通過抽氣泵和束管將上隅角、采空區(qū)等地點(diǎn)的火災(zāi)指標(biāo)氣體抽取至自身檢測(cè)模塊，在檢測(cè)模塊采用激光氣體檢測(cè)技術(shù)對(duì)一氧化碳、氧氣、甲烷、乙炔、乙烯和二氧化碳共計(jì)6 種氣體濃度進(jìn)行監(jiān)測(cè)。溫度主機(jī)主要包括測(cè)溫模塊和電源模塊，測(cè)溫模塊和部署于采空區(qū)等區(qū)域的分布式測(cè)溫光纖共同完成溫度監(jiān)測(cè)，電源模塊同時(shí)為溫度主機(jī)和氣體監(jiān)測(cè)主機(jī)供電。

與將抽氣裝置和檢測(cè)裝置部署在煤礦地面的傳統(tǒng)束管相比，分布式監(jiān)測(cè)系統(tǒng)將抽氣和檢測(cè)裝置部署在測(cè)點(diǎn)附近，縮短了束管管路的長(zhǎng)度，降低了束管堵塞、漏氣的概率；同時(shí)自動(dòng)化激光監(jiān)測(cè)替代了人工色譜儀監(jiān)測(cè)，提高了火情監(jiān)測(cè)的實(shí)時(shí)性。甲烷測(cè)量范圍 0～100%，其中測(cè)量范圍為 0～1.00%時(shí)，誤差為±6%，測(cè)量范圍為1.00～100%時(shí)，誤差為測(cè)量上限的±10%；一氧化碳測(cè)量范圍為（0～20 000）×10-6,其中測(cè)量范圍為（0～100）×10-6時(shí)，誤差為±4×10-6（絕對(duì)誤差），測(cè)量范圍為（100～1 000）×10-6時(shí)，誤差為真值的±5%，測(cè)量范圍為（1 000～20 000）×10-6時(shí)，誤差為真值的±10%；二氧化碳測(cè)量范圍為0～20%，其中測(cè)量范圍為0～0.5%時(shí)，誤差為真值的±10%，測(cè)量范圍為0.5%～20%時(shí),誤差為真值的5%；氧氣測(cè)量范圍 0～25.0%，誤差為±3%F.S；乙炔測(cè)量范圍（0～500）×10-6，其中測(cè)量范圍為（0.5～20）×10-6時(shí)，誤差為±0.5%F.S，測(cè)量范圍為（100～500）×10-6時(shí)，誤差為±1.5%F.S；乙烯測(cè)量范圍（0～500）×10-6,誤差±2%F.S；溫度測(cè)量范圍：為-40.0～120.0 ℃，誤差為±1 ℃。

2 自燃“三帶”自動(dòng)化分析關(guān)鍵技術(shù)

自燃“三帶”動(dòng)態(tài)分析技術(shù)主要包括束管維護(hù)技術(shù)、測(cè)點(diǎn)位置標(biāo)記技術(shù)和“三帶”可視化曲線繪制技術(shù)。束管維護(hù)技術(shù)用于指導(dǎo)束管現(xiàn)場(chǎng)維護(hù)，確保系統(tǒng)能夠監(jiān)測(cè)到“三帶”劃分需要的參數(shù)；測(cè)點(diǎn)位置標(biāo)記技術(shù)約定系統(tǒng)為測(cè)點(diǎn)添加“位置標(biāo)簽”的規(guī)則；“三帶”可視化曲線繪制技術(shù)用于依據(jù)“位置標(biāo)簽”繪制測(cè)點(diǎn)氧氣濃度隨測(cè)點(diǎn)與采面的相對(duì)位置變化而變化曲線。

2.1 束管維護(hù)技術(shù)

為確保在工作面推進(jìn)過程中各束管監(jiān)測(cè)點(diǎn)根據(jù)監(jiān)測(cè)需要按照一定的間距合理分布在“氧化帶”附近，進(jìn)而對(duì)氧氣濃度等參數(shù)進(jìn)行充分監(jiān)測(cè)，必須按照科學(xué)的方法在上隅角位置對(duì)束管通過剪斷方式不斷維護(hù)，維護(hù)方法包括束管維護(hù)初始階段和束管循環(huán)維護(hù)階段，束管維護(hù)初始階段結(jié)束后緊接著束管循環(huán)維護(hù)階段開始。假設(shè):N 為束管個(gè)數(shù)；M 為要求的束管監(jiān)測(cè)點(diǎn)之間的距離；V 為采煤工作面回采速度。

1）束管維護(hù)初始階段。具體為：束管鋪設(shè)完成且采煤工作面開始推進(jìn)設(shè)定為第0 天，那么，第M/V天末剪斷第1 至第N-1 根束管，在第2×（M/V）天末剪斷第 1 至第 N-2 根束管，…，第 i×（M/V）天末剪斷第 1 至第 N-i 根束管，…，第（N-1）×（M/V）天末剪斷第 1 根束管，第（N-1）×（M/V）天至第 N×（M/V）天不剪斷束管，該束管維護(hù)初始階段結(jié)束。

可降解包裝材料是指在如陽光、微生物等一定自然條件下，塑料的分子量轉(zhuǎn)變?yōu)樾》肿踊蛟谖⑸镒饔孟峦耆纸獾牟牧蟍11]。根據(jù)環(huán)保、來源、產(chǎn)量以及價(jià)格等多方面的綜合考慮，以淀粉為主的動(dòng)植物天然高分子包裝材料成為新型環(huán)保材料的首選。玉米秸稈等木質(zhì)纖維素是最豐富的可再生碳水化合物資源，利用儲(chǔ)量豐富、價(jià)格低廉的秸稈生產(chǎn)淀粉進(jìn)行可降解膜生產(chǎn)工藝的研究，既節(jié)約了能源又大幅減少了環(huán)境污染，降低了食品包裝薄膜的生產(chǎn)成本。本試驗(yàn)選取玉米秸稈淀粉、聚乙烯醇、甘油為基礎(chǔ)材料制備玉米秸稈淀粉-聚乙烯醇薄膜，并對(duì)薄膜進(jìn)行測(cè)試，選出薄膜配方的最佳優(yōu)化條件。

2）束管循環(huán)維護(hù)階段。具體為：循環(huán)維護(hù)周期為（N+1）×（M/V），對(duì)于任意 1 個(gè)循環(huán)維護(hù)周期，該循環(huán)維護(hù)周期開始后的第M/V 天末剪斷第N 根束管，第 2×（M/V）天末剪斷第 N-1 根束管，…，第 i×（M/V）天末剪斷第 N-i+1 根束管，…，第（N-1）×（M/V）天末剪斷第2 根束管，第N×（M/V）天末剪斷第1根束管，第 N×（M/V）天至第（N+1）×（M/V）天不剪斷束管，該循環(huán)維護(hù)周期結(jié)束。

在束管維護(hù)初始階段中，第M/V 天末剪斷第1至第N-1 根束管，之后每經(jīng)過M/V 天就少剪斷1根，直到第（N-1）×（M/V）天末剪斷第 1 根束管，這樣的話，在最后1 次剪斷束管時(shí)，能夠保證各束管監(jiān)測(cè)點(diǎn)之間的距離就為M。在束管循環(huán)維護(hù)階段，對(duì)于任意1 個(gè)循環(huán)周期，每經(jīng)過M/V 天末就按照相應(yīng)的順序剪斷1 根束管，所以，在每一個(gè)循環(huán)周期，均能夠保證所有的束管監(jiān)測(cè)點(diǎn)的距離是確定的，并且是要求的數(shù)值M。

2.2 測(cè)點(diǎn)位置標(biāo)記技術(shù)

為了分析測(cè)點(diǎn)位置和氧氣濃度等參數(shù)的關(guān)系，火情監(jiān)測(cè)系統(tǒng)軟件為測(cè)點(diǎn)增加“位置標(biāo)簽”字段，用于對(duì)測(cè)點(diǎn)與采面的相對(duì)位置進(jìn)行標(biāo)記。

各測(cè)點(diǎn)今日位置標(biāo)簽為束管昨日位置標(biāo)簽和采面回采速度之和；系統(tǒng)通過捕捉束管維護(hù)前后各種參數(shù)的變化捕捉束管維護(hù)行為，并提醒監(jiān)測(cè)人員進(jìn)行維護(hù)行為的確認(rèn)。確認(rèn)束管維護(hù)后系統(tǒng)自動(dòng)將束管昨日位置標(biāo)簽置為0，支持手動(dòng)修改并具有記憶功能，即手動(dòng)修改某束管維護(hù)后的初始位置。

系統(tǒng)分別針對(duì)部署在采空區(qū)的每根束管進(jìn)行測(cè)點(diǎn)位置標(biāo)簽的計(jì)算。

2.3 “三帶”可視化曲線繪制

氧氣濃度是目前最常用的“三帶”劃分指標(biāo)，在一定意義上，自燃“三帶”反映的是采空區(qū)測(cè)點(diǎn)氧氣濃度隨測(cè)點(diǎn)與采面的相對(duì)位置變化而變化的關(guān)系[12-13]。

3 自燃“三帶”自動(dòng)化分析技術(shù)的現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用

寸草塔二礦31 煤為不黏煤，其揮發(fā)分高，絲炭含量高，屬于Ⅱ類自燃煤層。31202 采面位于31 煤二盤區(qū)，工作面推進(jìn)長(zhǎng)度2 635.7 m，工作面寬度310 m，布置 3 條巷道，分別為 31202 運(yùn)輸巷、31202輔運(yùn)巷、31203 輔運(yùn)巷；工作面位于 22 煤22111、22113 采空區(qū)下方，采用傾向長(zhǎng)壁后退式綜合機(jī)械化放頂煤開采，存在自然發(fā)火風(fēng)險(xiǎn)，需要對(duì)“三帶”進(jìn)行觀測(cè)以指導(dǎo)防滅火工作。

在31203 輔運(yùn)巷側(cè)部署3 根束管并按照束管維護(hù)技術(shù)對(duì)束管進(jìn)行維護(hù)，系統(tǒng)利用3 根束管對(duì)各測(cè)點(diǎn)參數(shù)進(jìn)行循環(huán)監(jiān)測(cè)，采用自燃“三帶”自動(dòng)化分析技術(shù)，根據(jù)31202 采面回采情況、各測(cè)點(diǎn)實(shí)測(cè)的溫度和氧氣濃度大小，其中以各測(cè)點(diǎn)實(shí)測(cè)的氧氣平均濃度大小與束管測(cè)點(diǎn)與工作面之間的距離的關(guān)系,自動(dòng)繪制31202 采空區(qū)自燃“三帶”劃分圖。各測(cè)點(diǎn)氧氣濃度平均值見表1，依據(jù)測(cè)點(diǎn)的“位置標(biāo)簽”，計(jì)算多個(gè)相同“位置標(biāo)簽”測(cè)點(diǎn)的氧氣濃度平均值。自動(dòng)繪制的31202 采空區(qū)自燃“三帶”劃分圖如圖1。

表1 各測(cè)點(diǎn)氧氣濃度平均值Table 1 Average oxygen concentration at measuring each point

圖1 31202 采空區(qū)自燃“三帶”劃分Fig.1 Spontaneous combustion“three zones”partition in 31202 goaf

在系統(tǒng)界面“業(yè)務(wù)分析”主菜單下查詢31202 工作面采空區(qū)自燃“三帶”劃分結(jié)果，將氧氣濃度18%作為散熱帶和氧化帶的劃分標(biāo)準(zhǔn)，以氧氣濃度8%作為氧化帶和窒息帶的劃分標(biāo)準(zhǔn)，可知31202 采空區(qū)回風(fēng)側(cè)散熱帶范圍為：采面后方0～60 m；氧化帶范圍為采面后方60～130 m；窒息帶范圍為采面后方130 m 至采空區(qū)深部。

另外，由于各測(cè)點(diǎn)的溫度大小與氣體成分大小，隨著工作面推進(jìn)過程中各種通風(fēng)參數(shù)和工作面回采工藝參數(shù)的變化而變化，因此，根據(jù)各測(cè)點(diǎn)的溫度大小與氣體成分大小，可分析評(píng)判工作面推進(jìn)過程中各種通風(fēng)參數(shù)和工作面回采工藝參數(shù)變化對(duì)工作面采空區(qū)“自燃三帶”的影響規(guī)律，可分析得到工作面推進(jìn)過程中地質(zhì)構(gòu)造或機(jī)電設(shè)備故障對(duì)“自燃三帶”的影響，從而及時(shí)調(diào)整工作面通風(fēng)參數(shù)和回采參數(shù)，同時(shí)為采取必要的防滅火技術(shù)措施提供依據(jù)。

4 結(jié) 論

1）依據(jù)自燃“三帶”自動(dòng)化分析技術(shù)，可得31202 采空區(qū)回風(fēng)側(cè)“三帶”的范圍分別為采面后方0～60 m，60～130 m 和 130 m 至采空區(qū)深部，這與數(shù)值模擬分析技術(shù)的結(jié)果保持一致。

2）自燃“三帶”動(dòng)態(tài)分析技術(shù)主要包括束管維護(hù)技術(shù)、測(cè)點(diǎn)位置標(biāo)記技術(shù)和“三帶”可視化曲線繪制技術(shù)三個(gè)部分。

3）為了實(shí)現(xiàn)自燃“三帶”動(dòng)態(tài)分析，需要部署分布式火情監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，并對(duì)束管進(jìn)行合理維護(hù)。

4）可以根據(jù)各測(cè)點(diǎn)的溫度大小與氣體成分大小，分析評(píng)判工作面推進(jìn)過程中各種通風(fēng)參數(shù)和工作面回采工藝參數(shù)變化對(duì)工作面采空區(qū)自燃“三帶”的影響，得到工作面推進(jìn)過程中地質(zhì)構(gòu)造或機(jī)電設(shè)備故障對(duì)自燃“三帶”的影響，從而及時(shí)調(diào)整工作面通風(fēng)參數(shù)和回采參數(shù)，同時(shí)為采取必要的防滅火技術(shù)措施提供依據(jù)。