李光輝

(山西壽陽潞陽瑞龍煤業(yè)有限公司 山西 晉中 045400)

0 引言

中國多數(shù)礦井煤炭開采過程中受到煤炭自燃影響，其中以采空區(qū)自然發(fā)火最為常見[1]。加之煤炭開采不斷加深，礦井采空區(qū)面積不斷加大，采空區(qū)出現(xiàn)煤層自燃現(xiàn)象更為嚴峻，由于煤層自燃帶來的煤塵、瓦斯爆炸等事故逐漸增加，給礦井生產(chǎn)安全帶來不利影響[2-4]。由于采空區(qū)被冒落矸石填充，內(nèi)部結(jié)構(gòu)特殊且復雜，對于采空區(qū)發(fā)火監(jiān)測研究越來越得到重視[5]。

目前，對于煤層自燃監(jiān)測采用的技術(shù)方法以氣體探測、溫度探測、電阻率法及紅外探測為主，但都存在監(jiān)測指標單一、探測精度不高等問題，不能起到對煤層自燃準確預測以及提供先期防治有效的預警作用[6-8]。文中在對相關(guān)研究者研究的基礎(chǔ)上[9-13]，根據(jù)生產(chǎn)實際需要，經(jīng)過綜合分析，設(shè)計了一種集氣體探測、溫度探測為一體的綜合檢測系統(tǒng)，實現(xiàn)對回采范圍內(nèi)的O2、CO、CH4、CO2等氣體采空區(qū)內(nèi)溫度探測，從而實現(xiàn)自燃煤層采空區(qū)多參數(shù)在線監(jiān)測及預警，還可以對判定采空區(qū)遺煤自燃以及發(fā)火點位置提供依據(jù)，為礦井生產(chǎn)提供有效安全保障。

1 系統(tǒng)構(gòu)成及監(jiān)測原理

1.1 系統(tǒng)構(gòu)成

設(shè)計的多參數(shù)監(jiān)控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框架如圖1所示，整個監(jiān)控系統(tǒng)分為安全監(jiān)控系統(tǒng)、束管監(jiān)測系統(tǒng)以及溫度監(jiān)控系統(tǒng)3部分，具體硬件設(shè)施包括有供電電源、工業(yè)顯示屏、測溫主機、傳感器、測溫光纖、預警裝置、束管監(jiān)測裝置等構(gòu)成?？梢詫崿F(xiàn)對采空區(qū)內(nèi)溫度、氣體成分(O2、CO、CH4、CO2)實時在線監(jiān)測。

1.2 監(jiān)測原理

監(jiān)控系統(tǒng)控制器通過預先設(shè)定邏輯控制抽氣泵動作(圖1)，抽進氣體通過9選1管路控制閥選擇合理管路進入到本安腔進行氣體成分分析，實現(xiàn)對采空區(qū)內(nèi)O2、CO、CH4、CO2等成分監(jiān)測，傳感器監(jiān)測結(jié)果通過RS 485通信網(wǎng)絡(luò)傳輸至控制器，并經(jīng)由另一RS 485通信網(wǎng)絡(luò)傳輸至上位機；測溫主機通過分布式測溫光纖實現(xiàn)對采空區(qū)溫度監(jiān)測，并將監(jiān)測結(jié)果通過視頻接口傳輸給工業(yè)顯示屏、傳輸接口傳輸給上位機以及RS 232通信網(wǎng)絡(luò)傳輸給控制器。上位機可顯示監(jiān)測到的采空區(qū)氣體成分及溫度。

圖1 多參數(shù)監(jiān)控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框架

2 監(jiān)控軟件

煤層自燃多參數(shù)監(jiān)測系統(tǒng)具體分為信息通信模塊、監(jiān)控預警模塊、分析及報表模塊、管理模塊等。監(jiān)控軟件以監(jiān)測系統(tǒng)監(jiān)控的氣體成分、溫度等數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，實現(xiàn)對自燃煤層發(fā)火傾向性分析、預警工作，減少出現(xiàn)漏報或者誤報概率。監(jiān)控軟件通過自定義監(jiān)控模型、工作流程、外部處理程序調(diào)用以及監(jiān)控參數(shù)修改的方式實現(xiàn)火災(zāi)監(jiān)控算法預設(shè)，解決不同礦井不同條件下同一種預警算法存在的弊端，提高監(jiān)控系統(tǒng)適用范圍及監(jiān)控精度。監(jiān)控系統(tǒng)根據(jù)監(jiān)測結(jié)果判定井下采空區(qū)煤層自燃危險程度，并提出一些火災(zāi)處理建議。

3 煤層自燃多參數(shù)監(jiān)測系統(tǒng)特征

多參數(shù)監(jiān)控裝置是煤層自燃多參數(shù)監(jiān)控系統(tǒng)核心組件，將束管監(jiān)測及光纖溫度監(jiān)測相結(jié)合，實時監(jiān)控氣體成分、溫度變化，避免單一監(jiān)測方式存在的弊端。該監(jiān)控裝置結(jié)合氣體、溫度監(jiān)測結(jié)果，為布置的多模塊感溫光纜提供脈沖信號，并根據(jù)反射的光信號對溫度異常點及位置進行確定。束管布置在采空區(qū)內(nèi)部，通過負壓泵將采空區(qū)內(nèi)抽出至本安腔內(nèi)進行氣體成本分析。監(jiān)控系統(tǒng)將氣體成分、溫度監(jiān)測結(jié)果從模擬信號轉(zhuǎn)換成電信號，不僅可以在井下工業(yè)顯示屏上顯示，而且通過工業(yè)通信網(wǎng)絡(luò)將監(jiān)測結(jié)果傳輸至地面監(jiān)控中心。采用煤層自燃多參數(shù)監(jiān)測系統(tǒng)不僅解決了傳統(tǒng)采空區(qū)溫度傳感器布置成本高、布點困難、測點少的問題，而且也解決了傳統(tǒng)束管監(jiān)測系統(tǒng)負壓氣體傳輸距離長、管路漏氣、監(jiān)測周期長、成本高昂等問題。

4 應(yīng)用實踐

自燃煤層采空區(qū)出現(xiàn)自燃與回采工作面采用的開采方法密切相關(guān)，現(xiàn)階段礦井主流煤炭開采方式是綜采開采、綜放開采。綜采開采采空區(qū)內(nèi)遺落煤炭較少，但在回采巷道以及切眼等位置處會遺留有煤炭。采空區(qū)內(nèi)遺煤出現(xiàn)自燃不僅與自身氧化性有關(guān)，還與蓄熱環(huán)境及漏風供氧等密切關(guān)聯(lián)。采用綜放開采，回采巷道頂板煤炭無法回采，在采空區(qū)內(nèi)遺落大量煤炭，且頂板無法有效壓實，存在較大漏風隱患，給自燃煤層氧化發(fā)火創(chuàng)造條件，具有較大自燃危險性。同時隨著礦井開采的不斷推進，井田采空區(qū)面積不斷增加，特別是采用綜放開采礦井，采空區(qū)遺落大量浮煤，遺煤自然發(fā)火危險性更為嚴重，加之采空區(qū)內(nèi)遺煤自然發(fā)火區(qū)隱蔽性強，不易確定具體位置，在氧氣及蓄熱條件適合情況下，極易引起煤的自燃?；谏鲜龇治?，采用煤層自燃多參數(shù)監(jiān)控系統(tǒng)監(jiān)控采空區(qū)內(nèi)遺煤自燃情況，系統(tǒng)布置如圖2所示。

圖2 多參數(shù)監(jiān)控系統(tǒng)布置示意

監(jiān)控系統(tǒng)在結(jié)合束管監(jiān)測及溫度監(jiān)測，對遺煤氧化自燃時多重指標進行監(jiān)控，根據(jù)礦井開采煤層性質(zhì)差異，采用不同的監(jiān)測手段及監(jiān)測方法，提取有效的監(jiān)控信息，構(gòu)建合理的遺煤氧化自燃預警模型，為遺煤自燃預警提供依據(jù)。在采空區(qū)內(nèi)布置監(jiān)控系統(tǒng)主要是由測溫光纖及束管氣體成分監(jiān)控構(gòu)成。

4.1 測溫光纖布置

由于煤導熱率較低，在采空區(qū)的遺煤分散均衡，不利于熱量傳導，若僅僅布置幾個測溫光纖很難實現(xiàn)對采空區(qū)內(nèi)遺煤自燃引起的溫度變化監(jiān)測。因此，監(jiān)測系統(tǒng)布置多條測溫光纖構(gòu)成的監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)對采空區(qū)內(nèi)溫度變化進行監(jiān)控，測溫光纖布置方案直接影響到采空區(qū)內(nèi)遺煤監(jiān)測效果及精度。若測溫光纖布置過于稀疏，發(fā)熱點距離測溫光纖距離較遠測溫光纖無法監(jiān)測到發(fā)熱點溫度變化或者經(jīng)過較長時間后方可監(jiān)測到溫度異常；若測溫光纖布置間距過小，雖然有利于對采空區(qū)內(nèi)溫度異常點確定，但是隨著采空區(qū)面積增加，監(jiān)測成本難以承受。

采空區(qū)溫度異常監(jiān)測首先應(yīng)布置在容易出現(xiàn)煤層自燃區(qū)域，如回采巷道側(cè)遺煤量多，容易形成蓄熱環(huán)境，是引起遺煤自燃的高發(fā)區(qū)域，因此，應(yīng)在回采巷道兩側(cè)布置測溫光纖，監(jiān)控采空區(qū)；采面收尾期間回采推進速度較慢，應(yīng)根據(jù)礦井開采煤層自然發(fā)火性每隔20 m布置一道測溫光纖。在采空區(qū)內(nèi)布置測溫光纖在頂板巖層出現(xiàn)冒落時很容易造成損壞，因此，需要對測溫光纖進行保護。因此，設(shè)計了一種由鋼管、軟管等構(gòu)成的測溫光纖保護裝置，對采空區(qū)內(nèi)布置的測溫光纖進行保護。

4.2 氣體成分監(jiān)控布置

采面通風難以避免會向采空區(qū)漏風，根據(jù)采空區(qū)內(nèi)氣體流動特點，本著監(jiān)測布置操作性強、靈敏度高、穩(wěn)定性好等原則，在測點選擇時應(yīng)布置在采面采空區(qū)回風側(cè)、采面回風巷上隅角、回風巷以及采面中部。采面中部布置測點時應(yīng)根據(jù)煤層自然發(fā)火危險程度確定，一般間距30～40 m，將測點布置在液壓支架上隨架移動；監(jiān)控重點應(yīng)放在采空區(qū)回風巷上，在采空區(qū)內(nèi)多個流場匯集區(qū)域應(yīng)布置多個測點，提升測點測量效果，降低由于通風影響導致煤層自燃標志性氣體濃度突變或者濃度過低而無法監(jiān)測的情況發(fā)生。

4.3 應(yīng)用效果

設(shè)計的自燃煤層多參數(shù)監(jiān)控系統(tǒng)在山西某礦12306采面應(yīng)用監(jiān)測，并對監(jiān)控系統(tǒng)硬件、軟件系統(tǒng)進行調(diào)試。建成的自燃煤層多參數(shù)監(jiān)控系統(tǒng)可以從多個維度獲取采空區(qū)煤層自燃信息，通過對監(jiān)控信息進行綜合分析研判，有利于自燃煤層采空區(qū)發(fā)火位置以及火情綜合確定，避免傳統(tǒng)火災(zāi)監(jiān)控系統(tǒng)誤報率、漏報率高等弊端，監(jiān)控系統(tǒng)將氣體成分變化及溫度變化多個指標作為火災(zāi)預警參數(shù)，從而使得監(jiān)控系統(tǒng)監(jiān)測更為靈敏，監(jiān)測結(jié)果更為可靠。

5 結(jié)論

(1)設(shè)計的采空區(qū)遺煤自燃多參數(shù)監(jiān)控系統(tǒng)將束管監(jiān)測與溫度監(jiān)測相結(jié)合，避免傳統(tǒng)單一監(jiān)測方式存在的弊端，設(shè)計的監(jiān)控系統(tǒng)可以對采面采空區(qū)、回采巷道以及回采工作面對溫度、氣體成分變化情況進行實時在線監(jiān)控。

(2)采用分布式測溫光纖可以實現(xiàn)采空區(qū)遺煤氧化發(fā)熱點進行確定，解決傳統(tǒng)感溫傳感器監(jiān)測范圍小，監(jiān)測成本高問題；采用多氣體監(jiān)測裝置實現(xiàn)井下對O2、CO、CH4、CO2等成分監(jiān)測，解決傳統(tǒng)束管監(jiān)測管路長、不能實時監(jiān)測、監(jiān)測結(jié)果精度偏低問題。

(3)設(shè)計的多參數(shù)監(jiān)控系統(tǒng)在深入研究采空區(qū)遺煤發(fā)火機理，提高礦井火災(zāi)預警能力等方面均有一定的促進作用，監(jiān)測結(jié)果可靠性及精準度高，可以在一定程度上提升礦井火災(zāi)防治能力。