楊鑫 葛毓柱 楊全

作者簡(jiǎn)介：楊鑫（1985-），男，黑龍江密山人，本科，工程師，研究方向：礦井通風(fēng)安全。

摘 要： 針對(duì)采空區(qū)防火關(guān)鍵參數(shù)O2、CO、CH4，采用高精度光學(xué)傳感檢測(cè)、本安型供電取氣等技術(shù)，開(kāi)發(fā)適于煤礦現(xiàn)場(chǎng)使用的在線監(jiān)測(cè)技術(shù)裝備，以及研究運(yùn)用先進(jìn)的分布式光纖測(cè)溫技術(shù)，實(shí)現(xiàn)煤自燃溫度的直接、快速感知與定位，對(duì)采空區(qū)煤自燃發(fā)火狀態(tài)、安全風(fēng)險(xiǎn)，實(shí)現(xiàn)全方位實(shí)時(shí)在線監(jiān)測(cè)，為指導(dǎo)開(kāi)采進(jìn)度、評(píng)估安全風(fēng)險(xiǎn)、精準(zhǔn)實(shí)施防火措施奠定基礎(chǔ)。

關(guān)鍵詞： 采空區(qū);防火參數(shù);在線監(jiān)測(cè);分布式光纖測(cè)溫

【中圖分類號(hào)】TD76 ? ? 【文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼】A ? ? 【DOI】10.12215/j.issn.1674-3733.2020.35.151

近年來(lái)，隨著礦井開(kāi)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的推廣應(yīng)用后，采空區(qū)留有大量浮煤，采空區(qū)煤自燃火災(zāi)尤為嚴(yán)重，由于采空區(qū)遺煤高溫點(diǎn)位置的隱蔽與不易確定性，易導(dǎo)致火災(zāi)發(fā)現(xiàn)與采取措施的滯后，給礦井安全生產(chǎn)帶來(lái)極大隱患。目前大部分礦井主要采用束管抽采監(jiān)測(cè)系統(tǒng)對(duì)采空區(qū)煤自燃狀況進(jìn)行監(jiān)測(cè)，但由于該系統(tǒng)需依靠氣相色譜儀對(duì)指標(biāo)氣體進(jìn)行分析，設(shè)備的運(yùn)行維護(hù)幾乎不能在井下開(kāi)展，嚴(yán)重制約了煤礦集約化礦井生產(chǎn)。

1 礦井采空區(qū)防火關(guān)鍵參數(shù)監(jiān)測(cè)現(xiàn)狀

工作面回采期間在上、下隅角每20米邁步式交替預(yù)埋一趟防火束管，防火束管采用防突篩管或2寸鐵管進(jìn)行保護(hù)，現(xiàn)場(chǎng)瓦檢員隨時(shí)通過(guò)束管對(duì)采空區(qū)氣體情況進(jìn)行檢測(cè)。地面色譜化驗(yàn)分析，每天現(xiàn)場(chǎng)測(cè)氣員對(duì)上、下隅角束管進(jìn)行取樣，并送到地面進(jìn)行化驗(yàn)分析。在實(shí)際應(yīng)用過(guò)程中，采空區(qū)壓力過(guò)大會(huì)將管路接頭處壓斷，造成束管漏氣，無(wú)法取到采空區(qū)內(nèi)真實(shí)氣樣，可能誤導(dǎo)防火措施的制定和落實(shí)。因此為保證煤礦的安全生產(chǎn)，進(jìn)行礦井防火關(guān)鍵參數(shù)實(shí)時(shí)在線監(jiān)測(cè)技術(shù)研究有非常重大的必要性。

2 火災(zāi)在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 關(guān)鍵參數(shù)選定

隨著采煤工作面的推進(jìn)，采空區(qū)作為落煤塌陷區(qū)域，不僅有煤自燃危害，而且失去通風(fēng)后瓦斯?jié)舛纫布眲∩仙?，?duì)礦井安全和工作面開(kāi)采作業(yè)構(gòu)成極大威脅。煤層自然發(fā)火預(yù)報(bào)技術(shù)是指在煤層開(kāi)采后，根據(jù)煤自燃進(jìn)程中的溫升、氣體釋放等變化特征，判識(shí)自燃狀態(tài)，對(duì)自然發(fā)火進(jìn)行識(shí)別并預(yù)警的技術(shù)。該技術(shù)主要解決三個(gè)問(wèn)題：①煤層火災(zāi)隱患點(diǎn)的溫度。②煤層火災(zāi)隱患點(diǎn)的位置。③發(fā)展到著火所需要的時(shí)間。

目前，較為流行的煤自然發(fā)火早期預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)方法為氣體分析法，即礦井束管在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。但由于該系統(tǒng)需依靠氣相色譜儀分析氣體，該設(shè)備的運(yùn)行維護(hù)幾乎不能在井下開(kāi)展，嚴(yán)重制約了煤礦集約化礦井生產(chǎn)。因此，需要進(jìn)一步開(kāi)發(fā)集約化、系統(tǒng)化的礦井防火在線監(jiān)測(cè)技術(shù)及裝備。

2.1.1 氧氣參數(shù)選定

O2是參與煤自燃氧化的關(guān)鍵氣體，也是評(píng)估是否存在瓦斯爆炸風(fēng)險(xiǎn)的決定性因素。

2.1.2 一氧化碳參數(shù)選定

CO是貫穿于整個(gè)煤自然發(fā)火過(guò)程的關(guān)鍵性指標(biāo)氣體，一般在50℃以上就可測(cè)定出來(lái)，隨著溫度的升高，濃度也會(huì)隨之升高，在120～150℃這個(gè)溫度范圍濃度開(kāi)始急劇增高。

2.1.3 甲烷參數(shù)選定

隨著采煤工作面推進(jìn)，采空區(qū)失去通風(fēng)后CH4濃度會(huì)急劇上升。因此，對(duì)采空區(qū)CH4濃度參數(shù)的監(jiān)測(cè)，是評(píng)估采空區(qū)及相關(guān)工作面安全狀況、風(fēng)險(xiǎn)程度的關(guān)鍵指標(biāo)。

2.1.4 溫度參數(shù)選定

分布式光纖測(cè)溫技術(shù)是一種利用光纖實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)距離、連續(xù)線性感溫的傳感技術(shù)，可實(shí)現(xiàn)光纖鋪設(shè)區(qū)域的溫度連續(xù)監(jiān)測(cè)與定位，是極佳的采空區(qū)火災(zāi)隱患監(jiān)測(cè)技術(shù)。

2.2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.2.1 系統(tǒng)功能設(shè)計(jì)

針對(duì)防火關(guān)鍵參數(shù)O2、CO、CH4，采用高精度光學(xué)傳感檢測(cè)技術(shù)，開(kāi)發(fā)適于煤礦井下長(zhǎng)期、實(shí)時(shí)在線監(jiān)測(cè)裝備，以及開(kāi)發(fā)適用于本安電源長(zhǎng)距離供電使用的本安型氣體采樣監(jiān)測(cè)裝置，形成一套配接于安全監(jiān)控系統(tǒng)使用的采空區(qū)防火實(shí)時(shí)在線監(jiān)測(cè)裝備，并研究運(yùn)用分布式光纖測(cè)溫技術(shù)，實(shí)現(xiàn)采空區(qū)煤自燃隱患點(diǎn)的定位，提高礦井防火監(jiān)測(cè)的時(shí)效性、準(zhǔn)確性，同時(shí)實(shí)現(xiàn)防火監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)與安全監(jiān)控系統(tǒng)的有機(jī)融合。

2.2.2 系統(tǒng)組成

本次研究設(shè)計(jì)的采空區(qū)防火氣體及溫度在線監(jiān)測(cè)裝備依托于煤礦安全監(jiān)控系統(tǒng)，以安全監(jiān)控傳感器的方式研制檢測(cè)裝備，并通過(guò)井下覆蓋的安全監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)上傳，以及超限報(bào)警或融合聯(lián)動(dòng)。

監(jiān)測(cè)設(shè)備分為兩類：一是采空區(qū)O2、CO、CH4氣體在線監(jiān)測(cè)裝備;二是采空區(qū)分布式光纖測(cè)溫裝備。其中，O2、CO、CH4氣體監(jiān)測(cè)裝備由束管氣體自動(dòng)采樣裝置和高穩(wěn)定光學(xué)氧氣傳感器、一氧化碳傳感器、甲烷傳感器組成。裝置整體采用本安型設(shè)計(jì)，由分站本安電源供電，通過(guò)監(jiān)控分站實(shí)時(shí)上傳監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)。裝置安裝于工作面，兩巷各安裝一套。采空區(qū)分布式光纖測(cè)溫裝備主要由一臺(tái)本安兼隔爆型光纖測(cè)溫主機(jī)和布置于采空區(qū)兩幫的鎧裝測(cè)溫光纜組成，監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)直接接入井下安全監(jiān)控環(huán)網(wǎng)平臺(tái)上傳至地面，如圖1所示。

3 火災(zāi)在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的應(yīng)用

3.1 采空區(qū)氣體在線監(jiān)測(cè)

（1）設(shè)備安裝設(shè)置情況

采空區(qū)氣體在線監(jiān)測(cè)裝備地面完成調(diào)試后入井安裝，設(shè)備安裝于Ⅱ830工作面風(fēng)巷，距工作面50m左右。設(shè)備供電及信號(hào)接入位于大巷的安全監(jiān)控分站，帶載距離800m左右。現(xiàn)場(chǎng)在工作面新鋪設(shè)一根長(zhǎng)度約60m束管，束管外采用了5根10m的KJRB3-19高壓軟管套管保護(hù)。

現(xiàn)場(chǎng)氣體采樣間隔時(shí)間設(shè)置為開(kāi)5min，停25min，即每30min采樣一次。

上圖為設(shè)備連續(xù)運(yùn)行2天的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，由圖可以看出：

①設(shè)備每次采樣時(shí)，隨著泵開(kāi)始工作，測(cè)得的O2濃度逐漸下降，CO和CH4濃度逐漸上升，至泵工作4～5min時(shí)，O2濃度達(dá)到最小值，CO和CH4濃度達(dá)到最大值，此時(shí)濃度即代表采空區(qū)氣體濃度。當(dāng)泵停止工作后，由于傳感器的排空端與外部相通，外面的空氣緩慢擴(kuò)散至傳感器，從而O2濃度又逐漸上升，CO和CH4濃度逐漸下降。

②隨著采煤工作面的不斷推進(jìn)，埋入采空區(qū)的束管取樣點(diǎn)進(jìn)深越深，O2濃度下降，與此同時(shí)CO和CH4濃度上升，符合采空區(qū)煤自燃演變規(guī)律。

（2）在線監(jiān)測(cè)運(yùn)行情況

設(shè)備安裝完成后，為充分了解和掌握采空區(qū)煤自燃狀態(tài)演變規(guī)律，以及考察設(shè)備長(zhǎng)期運(yùn)行準(zhǔn)確性和可靠性，持續(xù)對(duì)采空區(qū)氣體情況進(jìn)行監(jiān)測(cè)。

該套系統(tǒng)在連續(xù)運(yùn)行近4個(gè)月未標(biāo)校狀態(tài)下，測(cè)量結(jié)果與地面色譜分析儀仍十分接近，說(shuō)明設(shè)備運(yùn)行期間測(cè)試數(shù)據(jù)是完全準(zhǔn)確可信的。

3.2 分布式光纖測(cè)溫

測(cè)溫光纜從主機(jī)位置沿機(jī)巷和風(fēng)巷往工作面各布置一根，長(zhǎng)度分別為705m和725m，兩根測(cè)溫光纜進(jìn)入采空區(qū)后，溫度均明顯上升，且趨勢(shì)一致。在采空區(qū)內(nèi)風(fēng)巷光纖測(cè)的最高溫度42.6℃，機(jī)巷側(cè)光纖測(cè)的溫度34.1℃，相差8.5℃，符合采空區(qū)溫度場(chǎng)理論推演結(jié)果。工作面回采過(guò)程中，采空區(qū)兩側(cè)布置的光纖監(jiān)測(cè)溫度來(lái)看，變化趨勢(shì)完全一致，隨著工作面推進(jìn)溫度變化也符合采空區(qū)理論變化趨勢(shì)。因此，可以推斷本項(xiàng)目所采取的在采空區(qū)兩側(cè)預(yù)埋感溫光纜的布置工藝，是可以對(duì)采空區(qū)整體溫度變化情況起到在線監(jiān)測(cè)目的。

4 結(jié)論及對(duì)安全生產(chǎn)的指導(dǎo)意義

（1）實(shí)現(xiàn)了采空區(qū)防火關(guān)鍵參數(shù)的實(shí)時(shí)在線監(jiān)測(cè)。首次基于安全監(jiān)控系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了采空區(qū)防火關(guān)鍵參數(shù)O2、CO、CH4和溫度的在線實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，系統(tǒng)架構(gòu)簡(jiǎn)單、安裝方便，監(jiān)測(cè)準(zhǔn)確、可靠，易于維護(hù)，為采空區(qū)防火救災(zāi)提供了基礎(chǔ)保障。

（2）采空區(qū)火災(zāi)隱患的精確定位。分布式光纖測(cè)溫，能對(duì)采空區(qū)溫度連續(xù)監(jiān)測(cè)，布置于采空區(qū)兩幫，對(duì)橫向覆蓋范圍不足，但結(jié)合氣體監(jiān)測(cè)指標(biāo)，通過(guò)對(duì)各點(diǎn)溫度變化趨勢(shì)分析，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)火災(zāi)隱患點(diǎn)的定位的。

（3）監(jiān)測(cè)采空區(qū)煤自燃“三帶”演變趨勢(shì)，指導(dǎo)安全生產(chǎn)。通過(guò)對(duì)氣體在線監(jiān)測(cè)裝備和分布式測(cè)溫歷史數(shù)據(jù)查詢分析，可直觀反映采空區(qū)的實(shí)時(shí)安全狀況和煤自燃“三帶” 演變過(guò)程，有助于指導(dǎo)采面開(kāi)采進(jìn)度和相應(yīng)安全措施的準(zhǔn)備、實(shí)施。

參考文獻(xiàn)

[1] 鄭曉軍.火災(zāi)報(bào)警中的光纖分布式溫度監(jiān)測(cè)系統(tǒng)[J].電子質(zhì)量，2007（04）：14-17.