礦井煤自燃災(zāi)害監(jiān)測預(yù)警技術(shù)及發(fā)展趨勢

鄧 軍 ，張 琦 ，陳煒樂 ，白祖錦

（1.西安科技大學(xué) 安全科學(xué)與工程學(xué)院，陜西 西安 710054；2.陜西省煤火災(zāi)害防治重點實驗室，陜西 西安 710054；3.西安建筑科技大學(xué) 信息與控制工程學(xué)院，陜西 西安 710399）

據(jù)統(tǒng)計，2022 年我國原煤消耗量占一次性能源消耗總量的56.2%[1]，這表明煤炭仍舊是我國的主體能源。然而，在礦井生產(chǎn)中常伴隨煤自燃災(zāi)害的發(fā)生，由煤炭自燃引起的火災(zāi)是對礦井安全生產(chǎn)構(gòu)成重大威脅的災(zāi)害之一。相關(guān)數(shù)據(jù)顯示[2]，我國超過50%的礦井存在煤自然發(fā)火風(fēng)險，其中由煤炭自燃引起的礦井火災(zāi)占火災(zāi)總數(shù)的90%以上。

煤自燃火災(zāi)作為礦井五大自然災(zāi)害之一，具有隱蔽性、持續(xù)性、繼發(fā)性和難以控制的特點[3-4]，常與瓦斯和煤塵的爆炸相伴產(chǎn)生。除對井下工作人員的生命安全構(gòu)成嚴(yán)重威脅外，還會產(chǎn)生大量煙氣及有毒有害氣體，導(dǎo)致重大事故的發(fā)生[5]。2013年，神華集團某工作面發(fā)生采空區(qū)煤自然發(fā)火事故，迫使工作面停產(chǎn)封閉，帶來較大經(jīng)濟損失；2023年，河南三門峽耿村煤礦發(fā)生較大火災(zāi)事故，直接經(jīng)濟損失高達1 483.26 萬元。煤自燃災(zāi)害事故的發(fā)生主要是由于礦井火災(zāi)監(jiān)測監(jiān)控不到位、監(jiān)測系統(tǒng)形同虛設(shè)、監(jiān)控系統(tǒng)錯誤認(rèn)定等原因?qū)е碌摹?/p>

因此，礦井煤自燃災(zāi)害的早期監(jiān)測、加強煤自燃重大風(fēng)險辨識及評估對保護礦工的生命安全、維護礦井的正常生產(chǎn)具有重要意義；煤自燃精細(xì)化監(jiān)測、智能預(yù)警、精準(zhǔn)預(yù)測有利于提高礦井安全生產(chǎn)水平。因此，對現(xiàn)有的礦井煤自燃監(jiān)測預(yù)警技術(shù)進行了全方位分析，并對其未來發(fā)展方向進行深入探討。

1 礦井煤自燃監(jiān)測技術(shù)研究現(xiàn)狀

礦井煤自燃監(jiān)測技術(shù)及其工藝流程如圖1。

圖1 礦井煤自燃監(jiān)測技術(shù)及工藝流程Fig.1 Mine coal spontaneous combustion monitoring technology and process

1.1 礦井煤自燃地下監(jiān)測技術(shù)

礦井煤自燃監(jiān)測技術(shù)是礦山工程和自燃災(zāi)害預(yù)警中至關(guān)重要的一環(huán)，鉆探技術(shù)、束管監(jiān)測和分布式光纖測溫是常用的地下監(jiān)測手段，具有非破壞性、實時性和高靈敏度的特點，為礦山工程的安全管理和自燃災(zāi)害預(yù)防提供了關(guān)鍵支持。

1）鉆探監(jiān)測煤自燃技術(shù)。鉆探技術(shù)是礦井生產(chǎn)中常用的探測手段之一，通過在礦井中進行鉆孔并監(jiān)測孔內(nèi)溫度變化，獲取地下煤體溫度分布情況，為礦山的熱力環(huán)境評估和工程設(shè)計提供重要數(shù)據(jù)。李光宇[6]利用鉆孔測量大泉湖火區(qū)以西地區(qū)地下溫度場，獲得火區(qū)地下溫度場分布規(guī)律，以支撐火災(zāi)治理。鉆探測溫技術(shù)能夠穿透地表，在探測過程中，實現(xiàn)高精度取樣、實時監(jiān)測，獲取更深層次的地質(zhì)信息，但也面臨高成本、局限性、環(huán)境影響和安全方面的挑戰(zhàn)。

2）礦用束管監(jiān)測系統(tǒng)[7]。礦用束管監(jiān)測系統(tǒng)是目前廣泛應(yīng)用于礦井內(nèi)火災(zāi)監(jiān)測的一種主要方法，其通過監(jiān)測礦井自燃環(huán)境中氣體濃度變化，判斷封閉火區(qū)內(nèi)煤自燃發(fā)展程度[8-9]，為井下煤火防治的開展提供了重要的數(shù)據(jù)支持，保障了礦井的安全高效開采，已成為礦井火災(zāi)監(jiān)測不可或缺的重要工具[10-11]。束管監(jiān)測技術(shù)通過抽氣泵制造負(fù)壓環(huán)境，將地下氣體輸送至地表檢測室，進行氣體分析。李團結(jié)等[12]在傳統(tǒng)束管色譜系統(tǒng)基礎(chǔ)上，形成基于微色譜和正壓輸氣技術(shù)的礦井自燃監(jiān)測系統(tǒng)，該系統(tǒng)利用束管正壓輸氣技術(shù)將井下氣體途經(jīng)火災(zāi)監(jiān)測主站到達色譜系統(tǒng)，進行氣體組分濃度的檢測，實現(xiàn)井下氣體井下分析。相對于地面?zhèn)鹘y(tǒng)色譜束管監(jiān)測系統(tǒng)，紅外光譜束管監(jiān)測技術(shù)，在實現(xiàn)色譜束管監(jiān)測系統(tǒng)功能基礎(chǔ)上，研制出光譜束管監(jiān)測系統(tǒng)專用的采集控制裝置、多級分子篩氣體凈化裝置，革命性的將束管監(jiān)測設(shè)備全部移至井下監(jiān)測區(qū)域附近。紅外光譜束管監(jiān)測技術(shù)能夠檢測到微量的氣體組分，能夠準(zhǔn)確區(qū)分不同氣體的特征光譜，避免干擾物質(zhì)對監(jiān)測結(jié)果的影響。該技術(shù)通過井下環(huán)網(wǎng)實時上傳監(jiān)測數(shù)據(jù)，方便遠(yuǎn)程監(jiān)控和管理，并可結(jié)合輔助決策軟件對火災(zāi)危險程度進行判別和爆炸危險判別，提供科學(xué)依據(jù)和預(yù)警信息，及時預(yù)報預(yù)警。束管監(jiān)測能實現(xiàn)連續(xù)監(jiān)測并同時分析氣體數(shù)據(jù)，可靠性高。然而，束管監(jiān)測技術(shù)在火災(zāi)監(jiān)測中也存在一些限制[13]，由于礦井巷道內(nèi)氣體分布不均，氣體濃度存在差異，因此束管系統(tǒng)采集的氣體不能完全反應(yīng)被測區(qū)域的成分和濃度。此外，束管系統(tǒng)鋪設(shè)距離較長，可能導(dǎo)致檢測氣體在輸送過程中出現(xiàn)失真或泄漏，從而影響對礦井內(nèi)氣體信息的準(zhǔn)確獲取。

3）分布式光纖測溫系統(tǒng)[14]。分布式光纖測溫系統(tǒng)是一種基于拉曼效應(yīng)的連續(xù)測溫技術(shù)，利用鎧裝光纜作為溫度傳感器，布設(shè)于井下巷道、工作面或潛在高溫區(qū)域，連續(xù)監(jiān)測環(huán)境溫度。YUAN 等[15]通過介紹光纖測溫技術(shù)的原理，指出利用實用新型光纖測溫技術(shù)可實現(xiàn)礦井采空區(qū)的高溫判定，將光纖測溫結(jié)果與氧氣含量比對，精準(zhǔn)判定“三帶”位置。分布式光纖測溫系統(tǒng)能夠連續(xù)采集數(shù)千個點溫度信息，抗干擾能力較強，適用于復(fù)雜環(huán)境。由于礦井環(huán)境復(fù)雜，光纖容易老化損壞，可能遇到局部放電問題。此外，在礦井內(nèi)部布設(shè)光纖傳感器增加了施工的難度和成本，這些缺點使光纖測溫存在諸多不確定性。

地下監(jiān)測技術(shù)在礦山工程和自燃災(zāi)害預(yù)防中各具優(yōu)勢，基于鉆探技術(shù)、束管監(jiān)測和分布式光纖測溫技術(shù)等具有高分辨率、實時監(jiān)測和非侵入性等相同的優(yōu)點，不需要對被測物體進行破壞性采樣或接觸，有利于保持被監(jiān)測物體的完整性。因監(jiān)測技術(shù)存在監(jiān)測范圍盲區(qū)大、監(jiān)測系統(tǒng)融合度低、數(shù)據(jù)同步共享難等困難，在使用過程中需要充分考慮不同技術(shù)的局限性，考慮監(jiān)測需求和技術(shù)特點，選擇合適的監(jiān)測方法，以提高礦山安全性。

1.2 礦井煤自燃地表監(jiān)測技術(shù)

1）紅外熱成像技術(shù)[16]。紅外熱成像技術(shù)是通過探測器吸收物體發(fā)出的紅外光線，將其轉(zhuǎn)換成以圖像或信號等形式表現(xiàn)出來的一種測溫技術(shù)。淺埋煤層自然發(fā)火時會在地表形成輻射能量場，通過分析火源周圍圍巖內(nèi)溫度分布，提出表面熱流的反演算法，結(jié)合紅外熱成像儀獲取表面溫度分布數(shù)據(jù)，最終確定火源溫度、深度和范圍，這種火熱流量反演算法結(jié)合了地表溫度分布情況和火源特征，通過紅外熱成像技術(shù)提供了一種非接觸式的測量方法。紅外熱成像原理示意圖如圖2。文虎等[17]采用紅外熱成像探測技術(shù)進行了礦井自燃火災(zāi)的探測應(yīng)用，發(fā)現(xiàn)其在巷道等大面積地區(qū)煤自燃災(zāi)害識別中具有一定的效果。紅外熱成像儀是一種非接觸式設(shè)備，具有快速響應(yīng)速度和出色的隱蔽性探測能力，還可用于監(jiān)測礦井設(shè)備的熱狀態(tài)，提前發(fā)現(xiàn)設(shè)備故障或過熱問題，減少維修成本和生產(chǎn)中斷，但該設(shè)備依賴溫差成像，只能探測淺埋煤層溫度，存在對被測物體的溫差區(qū)別不大、成像對比度低。

圖2 紅外熱成像原理圖Fig.2 Schematic of infrared thermography

2）磁法探測技術(shù)。磁法探測技術(shù)在礦井煤自燃火災(zāi)監(jiān)測中的基本原理是利用磁場的變化來識別煤自燃火災(zāi)產(chǎn)生的磁性異常。當(dāng)?shù)V井內(nèi)部發(fā)生火災(zāi)時，由于高溫作用下煤炭礦層中的磁性礦物會發(fā)生氧化磁化，產(chǎn)生磁化強度和方向上的變化，這種磁性異?？赏ㄟ^磁性探測儀器在煤礦表面測量到的地磁場信號中得以體現(xiàn)。常溫條件下煤與巖石磁性相對較弱，而經(jīng)火區(qū)高溫烘烤后的煤巖磁性顯著增強，特別是火區(qū)中產(chǎn)生的燒變巖磁化率顯著升高。在煤自燃初始階段很難測得有效的磁異常，在燃燒中心形成期時磁異常增強，煤層燃燒后期直至熄滅階段，煤巖形成了燒變巖，此時可測得明顯的磁異常。為此，國內(nèi)外許多學(xué)者逐步將磁探法擴展到礦井災(zāi)害監(jiān)測預(yù)測等領(lǐng)域[18]。圍巖的磁化率和剩余磁化強度等特性會因煤體產(chǎn)生的高溫而發(fā)生顯著變化，進而重塑火區(qū)磁場。磁法探測技術(shù)應(yīng)用過程如圖3。磁法探測能夠提供較高的空間分辨率，同時有較大的偵測深度，具有高靈敏度和高解析度等優(yōu)點。但隨著礦井深度的增加，磁場信號的傳播與響應(yīng)受煤巖體電磁性差異、礦物含量和種類等特征影響較大，且礦井深度加深，探測所需能量增加，增加設(shè)備的能源消耗和維護成本，導(dǎo)致分辨能力下降，存在生產(chǎn)效率低、勞動強度大、抗干擾能力有限的缺點。

圖3 磁法探測技術(shù)應(yīng)用過程Fig.3 Application process of magnetic detection technology

3）同位素測氡技術(shù)。同位素測氡通過測量地下氡氣濃度，評估地下煤體的通氣情況和潛在的自燃危害，利用地下煤巖介質(zhì)中放射性氡氣輻射隨溫度升高頻率變化逐漸增強的特性，根據(jù)探測靶區(qū)氣體濃度的變化判斷火源位置、范圍及發(fā)展趨勢，因其操作簡便、成本低而成為探測火源發(fā)生區(qū)域的有效手段。同位素測氡探測煤自燃火源位置最早由太原理工大學(xué)[19-21]提出，并進行了一定的理論研究和實踐應(yīng)用。費金彪等[22]應(yīng)用測氡技術(shù)對劉家峁煤礦著火進行探測，成功查明淺煤層火災(zāi)的發(fā)生區(qū)域。王俊峰等[23]利用CFD 模擬技術(shù)確定采空區(qū)自燃區(qū)域范圍，進一步利用同位素測氡對煤自燃危險區(qū)域判定進行驗證。同位素測氡技術(shù)近年來在我國礦井中的應(yīng)用。情況為：①2004 年柳灣礦應(yīng)用同位素測氡技術(shù)探明溫度異常地區(qū)2 個[24]；②2006 年嘉樂泉煤礦應(yīng)用同位素測氡技術(shù)在測區(qū)內(nèi)發(fā)現(xiàn)5 個高溫火源點[25]；③2011年補連塔煤礦應(yīng)用同位素測氡技術(shù)探明溫度異常區(qū)2 個，火區(qū)影響總面積約5 880 m2[26]；④2013年滴道礦老二井應(yīng)用同位素測氡技術(shù)區(qū)分了火區(qū)東西測場內(nèi)的溫度異常區(qū)和燃燒區(qū)；⑤2016 年劉家峁火區(qū)應(yīng)用同位素測氡技術(shù)發(fā)現(xiàn)氡異常區(qū)域14 處，火區(qū)影響地表面積約5 050 m2[22]；⑥2016年朝陽煤礦應(yīng)用同位素測氡技術(shù)圈定了朝陽煤礦高溫區(qū)域；⑦2022 年河曲晉神磁窯溝煤業(yè)應(yīng)用同位素測氡技術(shù)對疑似火災(zāi)區(qū)域進行探測，發(fā)現(xiàn)存在3 處疑似自然發(fā)火區(qū)。

隨著同位素測氡的廣泛應(yīng)用，該技術(shù)在應(yīng)用過程中的局限性逐漸顯現(xiàn)出來，在監(jiān)測過程中僅能提供氡氣體的信息，無法同時監(jiān)測其他氣體成分，因此需要與其他監(jiān)測技術(shù)結(jié)合使用，以獲取更全面的氣體數(shù)據(jù)。若被探測靶區(qū)地質(zhì)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，且待檢測區(qū)域的煤賦存較多或出現(xiàn)多煤層同時自燃等情況時，同位素測氡存在一定的缺陷。

綜上所述，紅外熱成像技術(shù)、磁探法、同位素測氡技術(shù)在礦井監(jiān)測中的應(yīng)用有助于提高安全性、資源勘探效率和生產(chǎn)效率，在減少事故風(fēng)險。在監(jiān)測過程中，提供定期或?qū)崟r監(jiān)測數(shù)據(jù)，允許及早發(fā)現(xiàn)潛在的危險，高分辨率和數(shù)據(jù)分析有助于捕捉和識別微妙的信號變化，但均需專業(yè)設(shè)備和受過培訓(xùn)的操作人員，以確保數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性和可靠性。這3 種監(jiān)測技術(shù)會根據(jù)具體的礦井條件和監(jiān)測需求相互補充，以提供更全面的自燃監(jiān)測預(yù)警系統(tǒng)，選擇適當(dāng)?shù)募夹g(shù)應(yīng)取決于地質(zhì)情況、預(yù)算和可用設(shè)備與人員等因素。礦井自燃監(jiān)測技術(shù)對比與場景應(yīng)用見表1。

表1 礦井自燃監(jiān)測技術(shù)對比與應(yīng)用場景Table 1 Comparison of mine spontaneous combustion monitoring technologies and application scenarios

2 礦井煤自燃預(yù)警方法研究現(xiàn)狀

礦井煤自燃是影響礦井安全生產(chǎn)的一種嚴(yán)重的地質(zhì)災(zāi)害，為了及時發(fā)現(xiàn)和預(yù)警礦井煤自燃的風(fēng)險，研究人員一直致力于發(fā)現(xiàn)和改進礦井煤自燃預(yù)警技術(shù)。預(yù)警技術(shù)旨在對監(jiān)測技術(shù)采集到的現(xiàn)場數(shù)據(jù)進行整合處理，評估礦井內(nèi)部和周圍的災(zāi)害風(fēng)險。目前，基于氣體測試、溫度測試和智能算法的礦井煤自燃預(yù)警技術(shù)是研究的主要方向。

2.1 基于氣體測試的礦井煤自燃預(yù)警方法

目前國內(nèi)外普遍采用的煤自燃早期預(yù)警方法為指標(biāo)氣體分析法[26-28]。該方法通常以煤自燃過程中隨溫度變化生成的氣體組分和質(zhì)量變化率作為自燃危害性評判的預(yù)警指標(biāo)，依據(jù)氣體產(chǎn)物的體積分?jǐn)?shù)隨溫度變化的規(guī)律來近似確定自燃安全隱患或自然發(fā)火事件的火源范圍。

國內(nèi)外許多學(xué)者利用熱重分析、程序升溫、自然發(fā)火等實驗廣泛研究了煤自燃過程中的特征參數(shù)及多種指標(biāo)氣體類型。通過疊加使用氣體檢測儀器，克服了單一CO 標(biāo)志氣體的不足，引入了CO2、CH4、C2H4、烯烴比等綜合性標(biāo)志氣體，提高了氣體監(jiān)測系統(tǒng)的全面性和可靠性。煤自燃?xì)怏w類型及形式見表2。煤自燃標(biāo)志氣體分級預(yù)警閾值(R0～R6)及溫度范圍劃分如圖4。

表2 煤自燃標(biāo)志氣體類型及形式Table 2 Types of indicators of spontaneous coal combustion gases and forms of indicators

圖4 煤自燃標(biāo)志氣體預(yù)警閾值及標(biāo)志氣體特征Fig.4 Early warning thresholds for coal spontaneous combustion indicator gases and indicator gas characteristics

何敏[29]將C2H2作為封閉火區(qū)的重要判定指標(biāo)，在封閉火區(qū)的研究中加以應(yīng)用；C JZAB 等[30]總結(jié)了煤自燃過程中CO 的生成規(guī)律，將其分為5 個階段并進行了細(xì)致研究；郭軍等[31]通過劃分煤自燃過程中標(biāo)志氣體的相關(guān)特征，確定了煤自燃反應(yīng)階段和預(yù)警級別，從而提高預(yù)測的準(zhǔn)確性；任萬興等[32]通過程序升溫實驗獲得88 組煤樣氣體變化曲線，總結(jié)出不同標(biāo)志氣體的預(yù)警指標(biāo)。

綜上，盡管標(biāo)志氣體分析能夠通過單一氣體或復(fù)合氣體體積分?jǐn)?shù)的異常提前發(fā)現(xiàn)潛在的煤自燃風(fēng)險，在研究和實踐中，建立警戒值和標(biāo)準(zhǔn)濃度閾值，根據(jù)氣體體積分?jǐn)?shù)分布，實時性地確定潛在的自燃點或區(qū)域。但其受現(xiàn)場漏風(fēng)情況、氣態(tài)產(chǎn)物探測精度的影響較大，難以準(zhǔn)確判定煤自燃高溫區(qū)域的位置。因此，在實際應(yīng)用中還需要結(jié)合其他手段進行綜合分析，以提高礦井煤自燃火災(zāi)監(jiān)測和預(yù)警的效果。

2.2 基于溫度測試的礦井煤自燃預(yù)警方法

溫度測試是基于煤自燃升溫過程放熱所產(chǎn)生的熱釋放特征信息，是煤自燃預(yù)警最直接的方法。田兵[33]采用分布式光纖測溫技術(shù)，成功實現(xiàn)了對礦井溫度場盲區(qū)的測定，并設(shè)計了1 款具備統(tǒng)一監(jiān)控解決方案、標(biāo)準(zhǔn)驅(qū)動接口、實時監(jiān)測和預(yù)警功能的測溫系統(tǒng)軟件，該軟件可通過對溫度異常點報警反饋，及時采取相應(yīng)的措施，預(yù)防礦井自燃災(zāi)害的發(fā)生；周季夫[34]根據(jù)煤快速氧化過程中O2消耗速率與CO、CO2生成速度等特征現(xiàn)象，確定實驗煤樣的吸附溫度、脫附溫度、臨界溫度和裂解溫度，確定煤自燃分級預(yù)警的溫度范圍，實現(xiàn)了礦井煤層自然發(fā)火溫度臨界值的精準(zhǔn)預(yù)警；ZHANG 等[35]探討了唐家匯煤礦煤自燃過程，并進一步將預(yù)警分級細(xì)分為潛伏、氧化、自熱、臨界、熱解、裂變和燃燒7 個特征階段。煤自燃7級分級預(yù)警與特征溫度和階段關(guān)系如圖5。這些階段特征與氣體的產(chǎn)量和溫度有關(guān)，通過監(jiān)測氣體產(chǎn)量和其他因素共同確定階段特征的溫度變化，監(jiān)測每一階段的跡象，及時采取措施預(yù)防自燃的發(fā)生。

圖5 煤自燃7級分級預(yù)警與特征溫度和階段關(guān)系Fig.5 Seven-level grading early warning of spontaneous combustion of coal related to characteristic temperature and stage

總之，基于溫度測試預(yù)警方法的研究和發(fā)展進一步完善了礦井煤自燃火災(zāi)預(yù)警系統(tǒng)，提高了預(yù)警的可靠性。溫度作為煤自燃的主要指標(biāo)之一，直觀可靠，相較于其他預(yù)警方法具有成本較低、實時監(jiān)測的優(yōu)點，但對礦井內(nèi)微弱的自燃跡象不夠敏感，無法及時準(zhǔn)確地發(fā)現(xiàn)潛在的危險。礦井內(nèi)可能會有多種原因?qū)е聹囟壬?，?dǎo)致誤報自燃風(fēng)險，浪費資源和時間，在實際應(yīng)用中，可結(jié)合其他監(jiān)測預(yù)警方法，綜合考慮各種因素，最大程度地減少誤報和漏報，提高自燃預(yù)警的準(zhǔn)確性和可靠性。

2.3 基于智能算法的礦井煤自燃預(yù)警方法

近些年，信息采集、網(wǎng)絡(luò)通信、大數(shù)據(jù)、科學(xué)研究和產(chǎn)業(yè)發(fā)展都向著高技術(shù)化方向發(fā)展，為煤自燃精準(zhǔn)預(yù)測預(yù)警提供良好的保障[36-38]?；谥悄芩惴ǖ淖匀碱A(yù)警方法是一種先進的煤礦安全管理技術(shù)，利用計算機科學(xué)和人工智能技術(shù)識別礦井內(nèi)部的自燃風(fēng)險。為降低單純依靠標(biāo)志氣體濃度預(yù)警的誤差率，神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、長短期記憶神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)等[39-40]預(yù)測方法用于煤自燃預(yù)警，被研究人員接納。不同學(xué)習(xí)算法在煤自燃預(yù)測預(yù)警方面的優(yōu)缺點見表3。

表3 不同學(xué)習(xí)算法在煤自燃預(yù)測預(yù)警方面的優(yōu)缺點Table 3 Advantages and disadvantages of different learning algorithms for coal spontaneous combustion prediction and warning

XIAO 等[41]在研究中，構(gòu)建了基于指標(biāo)氣體與煤溫之間非線性關(guān)系的BP 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型，利用算法對其進行優(yōu)化，以預(yù)測煤的自燃情況；鄧軍等[42]利用灰色關(guān)聯(lián)分析法和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，結(jié)合實驗和現(xiàn)場數(shù)據(jù)，建立煤自燃預(yù)警指標(biāo)體系，分析不同階段的煤自燃特征，實現(xiàn)對不同自燃階段的預(yù)警；鄧軍等[43]利用隨機森林法對礦井溫度和氣體濃度進行預(yù)測，結(jié)果表明隨機森林具有較好的穩(wěn)定性和普適性；溫志煌[44]提出了一種新型的CNNRNN 結(jié)構(gòu)，實現(xiàn)了對礦井一氧化碳和乙烯混合氣體的種類識別和體積分?jǐn)?shù)預(yù)測。

基于智能算法的監(jiān)測預(yù)警方法在各個領(lǐng)域中都有廣泛的應(yīng)用，可以提高效率、安全性和決策制定的質(zhì)量，基于智能算法的煤自燃監(jiān)測預(yù)警技術(shù)通過氣體或溫度傳感器采集數(shù)據(jù)，進入算法之前對所需數(shù)據(jù)進行預(yù)處理并從原始數(shù)據(jù)中提取有意義的特征，減少數(shù)據(jù)的維度并突出與監(jiān)測預(yù)警相關(guān)的信息，確保信息的準(zhǔn)確性。智能算法在礦井煤自燃監(jiān)測預(yù)警過程中可以提高安全性，減少風(fēng)險并提高效率，但在使用過程中需要合理的數(shù)據(jù)處理、模型建立和系統(tǒng)集成，確保能在實際運用中發(fā)揮作用。智能算法在礦井自燃預(yù)警的應(yīng)用可以識別不同監(jiān)測參數(shù)之間的關(guān)聯(lián)性和規(guī)律性，從而能更準(zhǔn)確地預(yù)測自燃的風(fēng)險，并及時發(fā)出預(yù)警信號。因不同算法的選擇通常依賴于具體應(yīng)用的需求和可用數(shù)據(jù)，在使用過程中涉及大量數(shù)據(jù)的收集和處理，需要有效的數(shù)據(jù)安全和隱私保護措施。

總體來說，基于氣體測試的預(yù)警方法具有高精度、響應(yīng)速度快的優(yōu)點，能夠快速識別自燃風(fēng)險；基于溫度測試的預(yù)警方法可以獲取礦井不同位置的溫度數(shù)據(jù)，具有高靈敏度和長測距等特點；基于智能算法的礦井自燃預(yù)警方法通過提取關(guān)鍵特征和規(guī)律，提供快速響應(yīng)和決策支持，幫助礦井人員及時采取措施，防止自燃事故的發(fā)生。但無論是基于哪種單一技術(shù)都無法采集和提供全面的信息，無法全面評估礦井自燃的風(fēng)險，存在誤判和漏報的問題。因此，礦井自燃監(jiān)測預(yù)警指標(biāo)的全面性顯得尤為重要。

3 存在問題及研究展望

3.1 存在問題

煤自燃是一種極其隱蔽的災(zāi)害，不易被及時察覺，其他礦井災(zāi)害如瓦斯爆炸或坍塌等相較于礦井煤自燃具有明顯的前兆性，煤自燃的發(fā)展過程較為持續(xù)，需要較長的時間積累；且煤自燃多發(fā)生在礦井內(nèi)部的隱蔽位置，與地質(zhì)構(gòu)造、煤體性質(zhì)、地下水等因素有關(guān)。針對礦井煤自燃區(qū)別于其他災(zāi)害的特殊性，國內(nèi)外學(xué)者對礦井煤自燃監(jiān)測預(yù)警領(lǐng)域開展了大量工作研究，并取得了一定的優(yōu)秀成果。但現(xiàn)有研究仍存在一些問題，主要體現(xiàn)：①監(jiān)測預(yù)警技術(shù)存在只能反映特定時間段的情況，無法全面覆蓋礦井內(nèi)所有區(qū)域深度的情況；②監(jiān)測的誤差性：部分監(jiān)測設(shè)備的固有的誤差并受環(huán)境因素等影響，從而影響監(jiān)測結(jié)果的準(zhǔn)確性；③監(jiān)測信息的狹隘性：僅依賴氣體檢測，可能忽略其他重要信息，導(dǎo)致對自燃風(fēng)險評估不夠全面；④監(jiān)測能力有限：監(jiān)測數(shù)據(jù)提供當(dāng)前狀態(tài)，但并不能準(zhǔn)確預(yù)測未來可能的變化或突發(fā)事件；⑤數(shù)據(jù)分析與處理具有挑戰(zhàn)性：監(jiān)測預(yù)警技術(shù)的數(shù)據(jù)龐大，如何高效地處理和分析數(shù)據(jù)，提取有效信息，仍是一個挑戰(zhàn)。

3.2 研究展望

1）提升煤自然發(fā)火臨界值確定方法的綜合性。煤層開采時，必須開展煤自然發(fā)火監(jiān)測工作，建立煤自然發(fā)火監(jiān)測系統(tǒng)，確定煤層自然發(fā)火標(biāo)志氣體及臨界值，健全自然發(fā)火預(yù)測預(yù)報及管理制度。首先，差熱分析法可以提供短時間內(nèi)煤自然發(fā)火及升溫情況的數(shù)據(jù)，適合進行快速、動態(tài)的監(jiān)測。其次，熱重分析法對煤樣的燃燒機理有較好的解釋能力，可以發(fā)現(xiàn)煤在不同溫度下的熱穩(wěn)定性及氧化特性。而熱流量法由于需要實際煤樣參與反應(yīng)，更接近實際自然發(fā)火條件，具有一定的仿真性和可操作性。同時，在實驗過程中需要對樣品制備、測試條件、結(jié)果分析等綜合考慮和比較。展望未來，可以借助新興的儀器設(shè)備和技術(shù)手段，完善煤自然發(fā)火臨界值的確定方法。例如，可以結(jié)合先進的熱分析儀器、數(shù)據(jù)分析技術(shù)和計算模擬方法，提高測定的準(zhǔn)確性和可靠性，并豐富對煤樣氧化反應(yīng)行為的理論認(rèn)識。同時，還可以探索綠色、低成本的測定方法，使其更適用于工業(yè)生產(chǎn)和環(huán)境保護應(yīng)用。通過不斷的研究和改進，可以為煤礦和工業(yè)領(lǐng)域提供更為可靠和有效的自然發(fā)火防控方案。

2）提升礦井參數(shù)監(jiān)測的多維性。未來的礦井煤自燃監(jiān)測預(yù)警技術(shù)將更加注重監(jiān)測效率和監(jiān)測精細(xì)化以及監(jiān)測的全面性，綜合考慮多傳感器集成，提供更全面的數(shù)據(jù)有助于了解礦井內(nèi)部環(huán)境，除氣體檢測外，引入溫度、濕度等多維監(jiān)測手段。同時使用高精度傳感器，數(shù)據(jù)的實時采集和傳輸是確保準(zhǔn)確的關(guān)鍵，利用交叉驗證數(shù)據(jù)來評估監(jiān)測和預(yù)警技術(shù)的性能，確保在實際應(yīng)用中的可靠性。

3）創(chuàng)新礦井?dāng)?shù)字孿生技術(shù)預(yù)警研究。為提升礦井監(jiān)測的可視化管理，優(yōu)化礦井安全生產(chǎn)流程和資源配置，降低維護成本、減少生產(chǎn)停工時間和損失。提出未來的礦井煤自燃監(jiān)測預(yù)警研究將進一步探索技術(shù)的創(chuàng)新性。致力于將數(shù)字孿生技術(shù)與監(jiān)測預(yù)警相結(jié)合，利用數(shù)字孿生技術(shù)對礦井內(nèi)部的多種參數(shù)進行高精度的模擬和建模，有助于識別自燃風(fēng)險的多維特征。數(shù)字孿生技術(shù)還可以通過對不同工況下的試驗進行仿真，預(yù)測不同措施的防控效果，在虛擬環(huán)境下實現(xiàn)對實際礦井生態(tài)環(huán)境的反饋控制，輔助管理人員進行智能決策。數(shù)字孿生技術(shù)還可用于培訓(xùn)、教育、應(yīng)急演練與決策支持，利用數(shù)字孿生技術(shù)為不同的場景條件提供更為真實、可靠的模擬環(huán)境，增強培訓(xùn)和應(yīng)急響應(yīng)能力。創(chuàng)新礦井?dāng)?shù)字孿生技術(shù)預(yù)警研究可以提高礦井安全性、生產(chǎn)效率和管理水平，是礦井行業(yè)邁向智能化和自動化的重要步驟。

4）構(gòu)建礦井智能化監(jiān)測預(yù)警體系。礦井智能化是煤炭工業(yè)高質(zhì)量發(fā)展的核心技術(shù)支撐，將人工智能、物聯(lián)網(wǎng)等與現(xiàn)代煤炭開發(fā)利用深度融合，形成全面感知、實時互聯(lián)、動態(tài)預(yù)測、協(xié)同控制的智能系統(tǒng)，全面打造礦井?dāng)?shù)字化升級標(biāo)桿?；诰?xì)化監(jiān)測和精準(zhǔn)預(yù)測，礦井煤自燃災(zāi)害監(jiān)測預(yù)警技術(shù)朝著智能化方向發(fā)展，聚焦礦井煤自燃災(zāi)害全面監(jiān)測、精準(zhǔn)預(yù)測與智能預(yù)警一體化。這一發(fā)展借助人工智能、物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)、激光掃描、光纖環(huán)網(wǎng)和5G 通信等技術(shù)手段，按照“數(shù)據(jù)監(jiān)測-數(shù)據(jù)采集-數(shù)據(jù)傳輸-數(shù)據(jù)分析與處理-數(shù)據(jù)構(gòu)建-實時監(jiān)測與響應(yīng)-智能決策”的思路逐步展開研究，形成集礦井信息監(jiān)測技術(shù)、智能預(yù)警模型、精準(zhǔn)預(yù)測、快速識別定位、應(yīng)急決策和自適應(yīng)優(yōu)化于一體的礦井信息智能監(jiān)測預(yù)警與應(yīng)急處置體系，為礦井自燃預(yù)警和應(yīng)急處置提供支持。

4 結(jié) 語

通過對現(xiàn)階段礦井煤自燃監(jiān)測預(yù)警技術(shù)進行綜述，可知目前礦井煤自燃災(zāi)害監(jiān)測預(yù)警技術(shù)還存在一些問題，如氣體測試監(jiān)測技術(shù)易受環(huán)境干擾、不能實時或連續(xù)監(jiān)測等，還會受到氣流、地質(zhì)等因素的干擾，進一步影響判斷的準(zhǔn)確性；基于溫度測試的監(jiān)測預(yù)警技術(shù)存在預(yù)測精度、實時性、誤報、覆蓋范圍等問題；基于智能算法測試的礦井監(jiān)測預(yù)警技術(shù)存在數(shù)據(jù)采集質(zhì)量不高、算法準(zhǔn)確性、能耗和可解釋性等方面的問題。

針對當(dāng)前存在的局限和技術(shù)限制，對未來礦井煤自燃災(zāi)害監(jiān)測預(yù)警技術(shù)發(fā)展提出新要求，提出提升煤自然發(fā)火臨界值確定方法的綜合性，利用多種先進監(jiān)測技術(shù)手段提高礦井火災(zāi)監(jiān)測的全面性和精細(xì)化監(jiān)測；推動智能化防控系統(tǒng)的創(chuàng)新和決策，通過數(shù)字孿生技術(shù)提供精準(zhǔn)的模擬與預(yù)測能力，優(yōu)化防控方案，提供應(yīng)急管理培訓(xùn)以及數(shù)據(jù)分析和決策支持；同時聚焦礦井火災(zāi)全面監(jiān)測、智能預(yù)警和精準(zhǔn)預(yù)測一體化建設(shè)，強化對礦井火災(zāi)數(shù)據(jù)分析、災(zāi)前主動預(yù)警、火災(zāi)事故治理等技術(shù)的研究。未來礦井煤自燃災(zāi)害監(jiān)測預(yù)警技術(shù)將通過新型技術(shù)手段、智能化系統(tǒng)、全面感知與應(yīng)急處置相結(jié)合來提高防控效率和監(jiān)測預(yù)警能力，確保礦山的安全運行。