某礦工作面煤層自燃預警系統(tǒng)設計及應用

張曉龍

(山西汾西礦業(yè)(集團)有限責任公司宜興煤業(yè)有限責任公司)

礦井安全生產監(jiān)控系統(tǒng)以及礦井束管監(jiān)測系統(tǒng)大多用于監(jiān)測煤炭自燃發(fā)火指標氣體的濃度、產生的速率等，無法直觀反應出監(jiān)測區(qū)域的煤層自燃氧化程度、高溫點的溫度[1-4]。為有效實現煤層自燃預警，本研究對某礦工作面煤層自燃預警系統(tǒng)進行設計開發(fā)和應用。

1 系統(tǒng)功能設計

1.1 煤層自燃預警系統(tǒng)構成

本研究煤層自燃預警系統(tǒng)模塊如圖1所示。

1.2 軟件后臺部分構成

軟件后臺部分的核心內容是預警模型以及預報警指標。本研究利用Java語言對煤層自燃預警指標進行編輯和描述，并將其轉化為計算機語言程序，系統(tǒng)在采集相關信息后便可利用該類程序進行數據處理和顯示[5-7]。

1.3 軟件界面構成

煤層自燃預警系統(tǒng)作為一個子系統(tǒng)鑲嵌于礦山預警預報智能決策支持平臺系統(tǒng)中，系統(tǒng)啟動后顯示登錄界面，登錄后進入主窗口，主窗口包括多個子系統(tǒng)，用戶可點擊進入煤層自燃預警系統(tǒng)。為了方便管理人員能夠獲取最主要的監(jiān)控信息，軟件界面主要顯示溫度、氣體實時變化曲線、預報警信息、監(jiān)測區(qū)域的自燃情況以及月度分析報告，如果需要查找歷史數據，可以點擊相應的區(qū)塊，便可以進入到相應的下一級頁面中，進而可以查詢、分析相應區(qū)塊的歷史數據。

2 工作面預警信息采集

某礦主要采用KJ90NB礦井安全生產監(jiān)控系統(tǒng)以及KSS-2100束管色譜監(jiān)測系統(tǒng)。本研究煤層自燃預警系統(tǒng)主要是基于KSS-2100束管色譜監(jiān)測系統(tǒng)和KJ90NB礦井安全生產監(jiān)控系統(tǒng)進行設計開發(fā)[8-9]。

(1)煤礦安全監(jiān)控系統(tǒng)。KJ90NB安全監(jiān)控系統(tǒng)通過各個傳感器，可以實時采集一些礦井安全生產信息，經過一系列傳輸，可以呈現于顯示設備上，并且能夠生成一些報表，涉及到203206工作面的監(jiān)測數據有工作面溫度、瓦斯?jié)舛?，工作面回風口風速、瓦斯?jié)舛龋约肮ぷ髅鏀嚯娖魇欠裾９ぷ鞯取?/p>

(2)束管監(jiān)測系統(tǒng)。KSS-2100束管色譜監(jiān)測系統(tǒng)可以由計算機對其進行控制，通過產生負壓達到抽取測點氣樣的目的，而后通過管路運送至色譜儀中，由色譜儀進行分析檢測，并將檢測結果將反饋給計算機，再由計算機軟件對各類檢測數據進行匯總。該系統(tǒng)主要監(jiān)測的氣體為O2、N2、CO、CO2、CH4、C2H6、C2H4、C2H2，可通過C2H6、C2H4氣體濃度計算出烷烯比的含量比值，即w(C2H4)/w(C2H6)。該礦20306工作面束管抽取氣體樣品的探頭主要安裝于采空區(qū)、回風側、工作面中心位置以及工作面等。

(3)人工監(jiān)測。當束管監(jiān)測系統(tǒng)出現故障后無法實現自動監(jiān)測時，或監(jiān)測結果不準確時，一般采用人工監(jiān)測手段。人工監(jiān)測可以作為一種輔助性監(jiān)測手段，當束管監(jiān)測系統(tǒng)的監(jiān)測數據出現一些不規(guī)律的數據，并且根據該類數據無法有效判斷煤層自燃情況時，應采取人工采樣監(jiān)測手段。當人工檢測數據與束管監(jiān)測數據對比出現較大差異時，應檢查束管管路情況，檢查是否有損壞，或工作人員操作束管時的操作過程是否正確。

3 預警系統(tǒng)參數設置

3.1 預警值設置

本研究設計了煤層自燃預警系統(tǒng)預警點的預警指標，并對預警信息進行了分級，結果見表1。

表1 煤自燃預警系統(tǒng)預警指標信息

3.2 無效氣樣剔除

束管監(jiān)測系統(tǒng)在實際運用過程中難免會有無效氣樣產生，為確保系統(tǒng)的預報結果更為準確，有必要排除該類干擾數據。本研究運用特里克特比率Tr參數去排除一些干擾數據[4]，通過將該參數植入到束管監(jiān)測系統(tǒng)中，可以減少一些因無效氣樣引起的誤差數據。一般說來，Tr值不大于1.6，如果Tr大于1.6，應對該數值對應的氣樣進行舍棄。

3.3 預警模型構建

本研究設計的煤層自燃預警系統(tǒng)的工作流程如圖2所示。

圖2 煤層自燃預警系統(tǒng)預警模型工作流程

4 20306工作面應用效果

(1)系統(tǒng)測試內容。①分析煤層自燃預警系統(tǒng)是否能夠及時獲取束管監(jiān)測系統(tǒng)和安全監(jiān)控系統(tǒng)的監(jiān)測數據，且不會提取一些錯誤信息，長時間運行時系統(tǒng)運行是否可靠；②測試系統(tǒng)的分析結果是否能夠及時通過界面進行顯示，顯示效果是否能夠達到設計要求，點擊相應的模塊能否進入對應的下一級菜單；③測試系統(tǒng)分析結果是否可靠，通過現場復雜環(huán)境的測試，分析系統(tǒng)的測試結果是否符合工作面煤層自燃實際情況。

(2)運行測試流程。首先測試系統(tǒng)界面的顯示情況，采空區(qū)溫度曲線、預警指標氣體濃度曲線以及預警報警情況是否能夠正常顯示，點擊進入該類區(qū)塊后能否顯示各自的歷史數據；其次測試系統(tǒng)能否在特定的數據庫中正常獲取數據，以及提取數據的間隔時間是否符合設計要求；然后分析系統(tǒng)監(jiān)測分析結果與人工分析結果是否一致，在設定指標達到預警級別后，系統(tǒng)是否能夠按照預先設計的預警流程進行預警；最后該系統(tǒng)能否正常產生分析報告，分析報告是否符合設計要求。上述功能測試完畢后，使系統(tǒng)長期處于運行狀態(tài)，檢測個模塊之間的相互配合情況。

(3)測試結果。①系統(tǒng)預警功能，聯(lián)機運行時，通過KJ90NB安全監(jiān)控系統(tǒng)監(jiān)測到20306工作面采空區(qū)回風流CO濃度為2×10-6，通過束管系統(tǒng)監(jiān)測到的采空區(qū)回風側CO濃度為1.97×10-6，此時判斷煤體沒有發(fā)出自燃氧化反應，在系統(tǒng)測試的時間段內，20306工作面一直處于正常生產狀態(tài)，有時能夠檢測出少量CO，但一直未能達到預警點，因此，對于系統(tǒng)預報警點設置的合理性仍需進一步驗證；②系統(tǒng)運行穩(wěn)定性，系統(tǒng)在井下不間斷運轉了一段時間，期間采集了大量的煤層自燃氧化特征參數，并對其進行了分析和儲存，系統(tǒng)各功能模塊都能夠正常運轉，系統(tǒng)運行比較穩(wěn)定。

5 結 語

對某礦KSS-2100束管色譜監(jiān)測系統(tǒng)和KJ90NB礦井安全生產監(jiān)控系統(tǒng)進行了有機集成，開發(fā)了工作面煤層自燃預警系統(tǒng)，實現了煤層自燃預警的關鍵功能，主要包括煤層自燃特征信息采集與監(jiān)測、煤層自燃火災預警、系統(tǒng)分析與報表等，能夠實時監(jiān)測煤層自燃氧化情況，系統(tǒng)各功能模塊都能夠正常運轉，系統(tǒng)運行穩(wěn)定性較好。