我國(guó)礦井火災(zāi)預(yù)警技術(shù)及裝備研究進(jìn)展*

馬 斌，蔣上榮，翟小偉，3

(1．寧夏王洼煤業(yè)有限公司王洼二礦，寧夏 彭陽(yáng) 756500;2．西安科技大學(xué)安全科學(xué)與工程學(xué)院，陜西西安 710054;3．陜西省煤火災(zāi)害防治重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，陜西 西安 710054)

0 引言

安全是實(shí)現(xiàn)煤礦正常生產(chǎn)的重要前提和保障。而我國(guó)多數(shù)煤礦因煤層賦存條件復(fù)雜、開(kāi)采條件困難等原因，導(dǎo)致煤礦開(kāi)采生產(chǎn)過(guò)程中事故頻發(fā)，其中，礦井火災(zāi)更是煤礦安全生產(chǎn)中的重大災(zāi)害類型之一。我國(guó)90%以上的煤層屬自燃或易自燃煤層，煤炭自燃引起的火災(zāi)占礦井火災(zāi)總數(shù)的85%～90%，其中采空區(qū)自燃火災(zāi)占煤礦內(nèi)因火災(zāi)的60%以上［1］。礦井火災(zāi)按引發(fā)的不同原因分為內(nèi)因火災(zāi)和外因火災(zāi)。內(nèi)因火災(zāi)具有自然發(fā)火地點(diǎn)隱蔽、持續(xù)時(shí)間較長(zhǎng)、不易察覺(jué)等特點(diǎn)，是礦井火災(zāi)防治的重點(diǎn)?；谶@些特點(diǎn)，使得礦井內(nèi)因火災(zāi)的防治難度加大，嚴(yán)重威脅著井下工作人員的生命安全、機(jī)械設(shè)備的財(cái)產(chǎn)安全和煤礦開(kāi)采過(guò)程中的生產(chǎn)安全。因此，礦井火災(zāi)的預(yù)警就顯得尤其重要。

文中總結(jié)和分析了現(xiàn)有礦井火災(zāi)預(yù)警研究基礎(chǔ)和技術(shù)裝備，發(fā)現(xiàn)了其中存在的一些不足之處，并對(duì)礦井火災(zāi)預(yù)警技術(shù)及裝備的發(fā)展提出了展望。

1 礦井火災(zāi)預(yù)警的研究基礎(chǔ)

在礦井生產(chǎn)過(guò)程中，煤自燃相關(guān)理論對(duì)于礦井火災(zāi)的準(zhǔn)確預(yù)警具有重要的指導(dǎo)意義，預(yù)警技術(shù)和裝備的研發(fā)也是建立在溫度、氣體等預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)指標(biāo)及其對(duì)應(yīng)關(guān)系的基礎(chǔ)上。目前，相關(guān)研究主要集中在:煤自燃傾向性的鑒定、煤自然發(fā)火期的預(yù)測(cè)和礦井火災(zāi)預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)方法等幾個(gè)方面。

1．1 煤自燃傾向性

從20世紀(jì)50年代開(kāi)始，我國(guó)先后經(jīng)歷了克雷倫法、雙氧水法和靜態(tài)物理吸氧法測(cè)試等階段［2］。在幾代科研工作者的努力后，我國(guó)絕大多數(shù)實(shí)驗(yàn)室現(xiàn)階段普遍采用手段先進(jìn)的色譜吸氧鑒定法鑒定。該方法測(cè)試手段較為先進(jìn)，但在現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際應(yīng)用過(guò)程中仍存在一些問(wèn)題。該測(cè)試方法的準(zhǔn)確性、重復(fù)性及實(shí)踐性還有待進(jìn)一步提升。

1．2 煤自然發(fā)火期

煤自然發(fā)火期的預(yù)測(cè)方法主要有統(tǒng)計(jì)法、類比法、大中型煤自然發(fā)火實(shí)驗(yàn)測(cè)試法、小試樣絕熱實(shí)驗(yàn)法、建立數(shù)值模擬計(jì)算模型等方法。目前，一般采用大中型煤自然發(fā)火實(shí)驗(yàn)測(cè)試法。國(guó)內(nèi)在模擬煤的自然發(fā)火過(guò)程方面，最早研發(fā)裝煤量較大且測(cè)試結(jié)果較為可靠的是西安科技大學(xué)研制的煤自然發(fā)火實(shí)驗(yàn)臺(tái)［3］。該方法較準(zhǔn)確，現(xiàn)已被大量應(yīng)用于現(xiàn)場(chǎng)煤礦煤層自然發(fā)火預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)工作中，對(duì)現(xiàn)場(chǎng)的防滅火工作起到了很好的指導(dǎo)作用，但實(shí)驗(yàn)周期長(zhǎng)、用煤量多、成本高、難以進(jìn)行重復(fù)性實(shí)驗(yàn)。

1．3 礦井火災(zāi)預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)技術(shù)

預(yù)測(cè)技術(shù)主要有煤自燃危險(xiǎn)區(qū)域判定法、綜合評(píng)判預(yù)測(cè)法、統(tǒng)計(jì)經(jīng)驗(yàn)法和建立礦井火災(zāi)數(shù)學(xué)模型模擬計(jì)算法等［4］。因?yàn)榫聦?shí)際開(kāi)采條件復(fù)雜，影響因素較多，這些預(yù)測(cè)技術(shù)和手段僅表現(xiàn)在定性預(yù)測(cè)判斷上，很難進(jìn)行定量定點(diǎn)的準(zhǔn)確預(yù)測(cè)，使得預(yù)測(cè)結(jié)果并不準(zhǔn)確，與實(shí)際有所偏差。

預(yù)報(bào)技術(shù)主要有測(cè)溫法和指標(biāo)氣體分析法等。目前，測(cè)溫法是發(fā)現(xiàn)煤自燃、探尋高溫點(diǎn)和探測(cè)隱蔽火源的最直接、可靠的方法，但因?yàn)槊簬r導(dǎo)熱性能差，關(guān)于松散煤體內(nèi)部溫度的測(cè)溫技術(shù)和手段尚未成熟完善，同時(shí)要受測(cè)點(diǎn)的布置位置和數(shù)量的限制，仍有不足之處。指標(biāo)氣體分析法現(xiàn)階段已相對(duì)比較完善，但是因?yàn)樗鶛z測(cè)的指標(biāo)氣體均為已經(jīng)有煤自然發(fā)火跡象時(shí)的標(biāo)志，故在監(jiān)測(cè)的時(shí)空上有滯后性，又因標(biāo)志氣體濃度較小，當(dāng)檢測(cè)儀的精度不高時(shí)，使得測(cè)試結(jié)果準(zhǔn)確性不高，系統(tǒng)誤報(bào)、漏報(bào)率高。

2 礦井火災(zāi)預(yù)警技術(shù)及裝備

2．1 基于氣體測(cè)試的礦井火災(zāi)預(yù)警技術(shù)及裝備

目前，在礦井生產(chǎn)過(guò)程中，基于氣體測(cè)試使用較多并且預(yù)警準(zhǔn)確率較高的礦井火災(zāi)預(yù)警技術(shù)主要有煤礦安全監(jiān)控系統(tǒng)和束管監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。

煤礦安全監(jiān)控系統(tǒng):從20世紀(jì)80年代開(kāi)始，我國(guó)在部分煤礦試用了從歐美發(fā)達(dá)國(guó)家引進(jìn)的煤礦安全監(jiān)控系統(tǒng)。之后我國(guó)科研工作者采用先引進(jìn)后消化吸收的方法并結(jié)合我國(guó)煤礦安全生產(chǎn)的實(shí)際情況，研制出了KJ系列煤礦安全監(jiān)控系統(tǒng)，被廣泛推廣應(yīng)用于煤礦井下，起到了很好的作用。近年來(lái)，很多學(xué)者在該系統(tǒng)基礎(chǔ)上采用先進(jìn)的技術(shù)研發(fā)了多種新型監(jiān)測(cè)監(jiān)控系統(tǒng)，例如宗朝陽(yáng)等［5］基于Zigbee技術(shù)，設(shè)計(jì)了僅通過(guò)Zigbee傳輸協(xié)議在地面上即可完成對(duì)井下帶式傳送機(jī)整個(gè)運(yùn)行過(guò)程的監(jiān)測(cè)顯示、控制、保護(hù)、報(bào)警和管理的煤礦井下通風(fēng)機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)。許金［6］提出了一種將物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)應(yīng)用于煤礦安全監(jiān)控系統(tǒng)體系的架構(gòu)，劉東［7］基于此基本架構(gòu)，構(gòu)建了實(shí)際的應(yīng)用模型，并結(jié)合煤礦安全生產(chǎn)實(shí)際情況和所應(yīng)用的各類裝備設(shè)施，設(shè)計(jì)出了完整的煤礦安全物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)和開(kāi)發(fā)出了詳細(xì)的硬件系統(tǒng)和軟件系統(tǒng)。

束管監(jiān)測(cè)系統(tǒng):束管監(jiān)測(cè)系統(tǒng)現(xiàn)階段主要分為色譜類束管監(jiān)測(cè)系統(tǒng)和紅外類束管監(jiān)測(cè)系統(tǒng)兩大類。鄧軍等［8］從JSG-8型束管監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的基本原理入手，對(duì)氣樣傳輸分析滯后時(shí)間、測(cè)點(diǎn)布置方案、系統(tǒng)的智能化設(shè)計(jì)等關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行了分析，為束管監(jiān)測(cè)系統(tǒng)在現(xiàn)場(chǎng)的正確使用和準(zhǔn)確監(jiān)測(cè)提供了參考依據(jù)。蔡周全等［9］針對(duì)束管監(jiān)測(cè)系統(tǒng)在煤礦井下防滅火工作的應(yīng)用現(xiàn)狀，根據(jù)南梁煤礦的實(shí)際情況以及煤樣的程序升溫實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)開(kāi)發(fā)了基于束管系統(tǒng)的煤自燃預(yù)警系統(tǒng)，為煤自燃預(yù)警提供了技術(shù)支持。

2．2 基于溫度測(cè)試的礦井火災(zāi)預(yù)警技術(shù)及裝備

目前，在礦井生產(chǎn)過(guò)程中，基于溫度測(cè)試的預(yù)警技術(shù)及裝備主要有:激光氣體分析預(yù)警、紅外測(cè)溫預(yù)警、溫度傳感器預(yù)警等方面。

基于激光氣體分析預(yù)警:在激光氣體分析方面，魏超等［10］基于煤自燃過(guò)程各標(biāo)志氣體釋放時(shí)間及濃度不同的特點(diǎn)以及煤礦采空區(qū)三帶呈靜態(tài)分布的理論，設(shè)計(jì)了一種以激光氣體分析為檢測(cè)手段的礦井火災(zāi)預(yù)警裝備。馮波［11］針對(duì)氣相色譜法監(jiān)測(cè)系統(tǒng)不能連續(xù)用于現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)和在線監(jiān)測(cè)裝置對(duì)溶解于油中的氣體檢測(cè)時(shí)存在交叉干擾的情況，提出了將紅外激光氣體分析法用于檢測(cè)變壓器油中溶解氣體的方法，并通過(guò)C2H2的檢測(cè)得到了驗(yàn)證;馮文斌［12］以可調(diào)諧半導(dǎo)體激光光譜吸收檢測(cè)技術(shù)為基礎(chǔ)，設(shè)計(jì)研發(fā)了集高精度、寬量程、抗干擾、低誤差等優(yōu)勢(shì)為一體的礦用激光光譜多參數(shù)災(zāi)害氣體分析檢測(cè)裝備。

紅外測(cè)溫預(yù)警:紅外線測(cè)定法的實(shí)質(zhì)是自然界的任何物體只要處于絕對(duì)零度之上，都會(huì)自行向外發(fā)射紅外線。物質(zhì)溫度越高，輻射能量就越大，則紅外測(cè)溫儀或紅外熱成像儀接受輻射量或輻射溫度就越高，根據(jù)這個(gè)原理就可利用紅外監(jiān)測(cè)儀器溫度的高低來(lái)確定井下巷道煤炭自燃的燃燒程度及范圍。這種方法比較簡(jiǎn)單，可以快速地判斷出自燃程度及范圍。在測(cè)定時(shí)要求中間無(wú)遮擋物，因此主要用于浮煤堆、煤壁、煤柱等自燃隱患與自然發(fā)火火源的探測(cè)，但對(duì)于采空區(qū)發(fā)火點(diǎn)或離巷壁較遠(yuǎn)的火源點(diǎn)的有效探測(cè)具有一定的難度。

溫度傳感器預(yù)警:溫度傳感器探測(cè)法是自燃高溫探測(cè)方法中應(yīng)用最為廣泛的方法。①采用溫度傳感器監(jiān)測(cè)井下空氣溫度變化情況;②采用溫度計(jì)、熱電阻、熱電偶和傳導(dǎo)式溫度傳感器等，對(duì)采空區(qū)內(nèi)煤體進(jìn)行接觸式溫度檢測(cè)，或通過(guò)施工測(cè)溫鉆孔，利用溫度傳感器探測(cè)鉆孔孔底和孔壁的溫度情況。無(wú)線溫度傳感器、分布式測(cè)溫光柵和分布式測(cè)溫光纖都采用接觸式溫度檢測(cè)技術(shù)，都可歸類為傳導(dǎo)式溫度傳感器。無(wú)線溫度傳感器可預(yù)埋在采空區(qū)內(nèi)，通過(guò)定期發(fā)送無(wú)線信號(hào)傳送檢測(cè)結(jié)果到專用的信號(hào)接收裝置，實(shí)現(xiàn)對(duì)測(cè)點(diǎn)溫度的檢測(cè)。分布式測(cè)溫光柵可同時(shí)進(jìn)行一定數(shù)量測(cè)點(diǎn)溫度的連續(xù)檢測(cè)，分布式測(cè)溫光纖可實(shí)現(xiàn)對(duì)埋設(shè)測(cè)溫光纖的線狀分布測(cè)點(diǎn)的溫度進(jìn)行連續(xù)在線監(jiān)測(cè)。在分布式光纖測(cè)溫方面，顏試［13］將分布式光纖測(cè)溫技術(shù)應(yīng)用于煤礦火災(zāi)預(yù)警的溫度監(jiān)測(cè)，該裝置實(shí)現(xiàn)了長(zhǎng)距離、大范圍的溫度測(cè)量。劉淵龍［14］提出分布式光纖測(cè)溫系統(tǒng)在煤礦的應(yīng)用，有效地提高煤炭的運(yùn)輸質(zhì)量，能夠準(zhǔn)確地測(cè)量出傳輸皮帶各個(gè)點(diǎn)的溫度，及時(shí)發(fā)現(xiàn)其中存在的故障并且進(jìn)行報(bào)警，保證皮帶傳送機(jī)安全運(yùn)行。田兵［15］采用分布式光纖測(cè)溫技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了對(duì)礦井溫度場(chǎng)無(wú)盲區(qū)的測(cè)量;并針對(duì)主流廠家的測(cè)溫主機(jī)，設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了具有統(tǒng)一的監(jiān)控解決方案、標(biāo)準(zhǔn)的驅(qū)動(dòng)接口、實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)、預(yù)警等功能的測(cè)溫系統(tǒng)軟件。

3 發(fā)展趨勢(shì)分析

3．1 煤自燃基礎(chǔ)理論的研究

在判斷煤自然發(fā)火危險(xiǎn)性時(shí)，目前實(shí)驗(yàn)室普遍使用的色譜吸氧法測(cè)定煤自燃傾向性，測(cè)試手段較為先進(jìn)，但測(cè)定結(jié)果并不準(zhǔn)確，與實(shí)際相差較大;現(xiàn)有的預(yù)測(cè)煤自然發(fā)火期的方法中，大中型實(shí)驗(yàn)爐模擬煤自燃實(shí)驗(yàn)法測(cè)試結(jié)果較為準(zhǔn)確，但周期長(zhǎng)、成本高、難以進(jìn)行重復(fù)實(shí)驗(yàn)進(jìn)行驗(yàn)證;現(xiàn)階段用于煤自燃預(yù)報(bào)的指標(biāo)氣體受風(fēng)量、風(fēng)壓和檢測(cè)地點(diǎn)等多種因素影響較大，在及時(shí)準(zhǔn)確地反映煤層自燃危險(xiǎn)性方面存在較大的局限性。

對(duì)于煤自燃基礎(chǔ)理論及預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)方面，需進(jìn)一步探索研究煤自燃的微觀機(jī)理及影響因素，同時(shí)繼續(xù)探索、優(yōu)化或研發(fā)煤自燃傾向性測(cè)定方法，使得測(cè)定結(jié)果準(zhǔn)確，對(duì)煤自燃傾向等級(jí)劃分更加細(xì)致明確;進(jìn)一步探索小型實(shí)驗(yàn)爐或其他方法測(cè)試煤自然發(fā)火期，使得測(cè)試結(jié)果準(zhǔn)確，并達(dá)到周期小、成本低、可重復(fù)實(shí)驗(yàn)等目的。通過(guò)對(duì)煤自燃傾向性、煤自然發(fā)火期的進(jìn)一步研究，使礦井火災(zāi)預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)更為準(zhǔn)確和及時(shí)。

3．2 對(duì)礦井火災(zāi)預(yù)警技術(shù)和裝備的研究

現(xiàn)階段的礦井火災(zāi)預(yù)警技術(shù)和裝備一般只實(shí)現(xiàn)了火災(zāi)氣體指標(biāo)的在線監(jiān)測(cè)，在線分析預(yù)報(bào)的功能還不完善，只具有單指標(biāo)超限報(bào)警功能，或多指標(biāo)共同耦合分析時(shí)，指標(biāo)權(quán)重還不夠完善，各類火災(zāi)監(jiān)測(cè)預(yù)報(bào)指標(biāo)及系統(tǒng)配合度不高，信息共享差，缺少對(duì)火災(zāi)信息的全面采集、處理和分析，系統(tǒng)誤報(bào)、漏報(bào)率較高，很難及時(shí)準(zhǔn)確地判定發(fā)火位置。另外，基本上還沒(méi)有一套集火災(zāi)監(jiān)測(cè)、預(yù)警、救災(zāi)預(yù)案自動(dòng)生成和火災(zāi)控制裝備于一體的比較完善的煤自燃監(jiān)控系統(tǒng)，智能化煤自燃火災(zāi)預(yù)警系統(tǒng)基本上仍處于空白。

需要進(jìn)一步挖掘礦井火災(zāi)預(yù)警裝置體系化、智能化的潛力，提高煤自燃預(yù)報(bào)的準(zhǔn)確度和可靠性，進(jìn)行礦井火災(zāi)預(yù)警技術(shù)與裝備的系統(tǒng)研究，并加大在應(yīng)用方面的投入力度，全面提高礦井安全生產(chǎn)和管理水平，改善礦井安全生產(chǎn)形勢(shì)。

4 結(jié)論

(1)礦井火災(zāi)預(yù)警研究基礎(chǔ)理論和方法，主要基于氣體測(cè)試和溫度測(cè)試兩個(gè)方面，結(jié)合礦井火災(zāi)預(yù)警技術(shù)和裝備對(duì)我國(guó)目前的研究現(xiàn)狀進(jìn)行了總結(jié)，分析了現(xiàn)有研究中存在的局限性，并對(duì)未來(lái)的發(fā)展趨勢(shì)進(jìn)行了展望。

(2)應(yīng)進(jìn)一步加強(qiáng)煤自燃基礎(chǔ)理論的研究，加深對(duì)煤自燃過(guò)程的認(rèn)識(shí)與了解，從而優(yōu)化煤自燃傾向性預(yù)測(cè)方法和煤自然發(fā)火期的精準(zhǔn)預(yù)測(cè)，從理論上為煤自燃預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)提供依據(jù)。

(3)進(jìn)一步加強(qiáng)對(duì)煤自燃預(yù)警技術(shù)和裝置研究的科研力度，努力挖掘和實(shí)現(xiàn)礦井火災(zāi)預(yù)警技術(shù)和裝置的體系化、智能化、一體化潛力，提高煤自燃預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)的準(zhǔn)確性和可靠度，同時(shí)實(shí)現(xiàn)集礦井火災(zāi)預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)、預(yù)警、應(yīng)急響應(yīng)、智能化滅火和救災(zāi)于一體的綜合性系統(tǒng)，全面提高礦井安全，保障礦井的正常生產(chǎn)和人員安全。