分布式激光火情監(jiān)控系統(tǒng)在寸草塔二礦的應用

謝巧軍，劉 杰

(1.神東煤炭集團信息管理中心，陜西 神木 719315；2.光力科技股份有限公司研究院，河南 鄭州 450001)

0 引言

煤礦火災分為內(nèi)因火災和外因火災，內(nèi)因火災是指煤炭自然氧化集熱導致的煤炭自燃[1]，煤礦現(xiàn)場多年的防滅火經(jīng)驗表明，煤礦內(nèi)因火災是煤礦火災防治的重點，防治難度大。煤炭內(nèi)因火災一旦發(fā)生滅火成本高，效果差，因此煤炭自燃火災的防治工作重在預防。煤炭自燃火災監(jiān)測是火災防治工作的重要組成部分。目前市場上傳統(tǒng)的自燃火災監(jiān)測手段是采用地面抽氣泵通過長距離束管將監(jiān)測區(qū)域的氣體抽取至地面，通過人工操作色譜儀對氣體成分進行檢測，管理人員依靠氣體成分檢測結果對自燃火災發(fā)展情況進行判斷。傳統(tǒng)監(jiān)測方式依靠(內(nèi)徑8～10 mm)長距離束管抽取氣體，束管極易發(fā)生堵塞漏氣故障導致系統(tǒng)無法正常運行或檢測數(shù)據(jù)失真；依靠人工操作色譜儀的方式進行氣體檢測對檢測人員技術水平要求高，而且每天能夠測量的數(shù)量有限，無法對火情進行實時監(jiān)測；系統(tǒng)故障排查和維護全部依靠人工進行，監(jiān)測的數(shù)據(jù)需要依靠人工經(jīng)驗對火情進行判斷；發(fā)火區(qū)域溫度是煤自然發(fā)火最直接特征參數(shù)，對溫度進行實時檢測，將有助于對火情發(fā)展的準確判斷。

按照國家發(fā)改委、國家安全監(jiān)管總局以及神華集團對國家礦井安全生產(chǎn)監(jiān)管物聯(lián)網(wǎng)應用示范工程建設要求，基于物聯(lián)網(wǎng)技術設計研發(fā)采用分布式光纖測溫技術、激光氣體檢測技術和大數(shù)據(jù)分析技術的新一代分布式激光火情煤礦火災監(jiān)控預警系統(tǒng)，并選取示范礦井進行示范工程建設，將有助于先進技術推廣應用并解決煤層自然發(fā)火監(jiān)測存在的問題。

1 系統(tǒng)總體技術框架

國家礦井安全生產(chǎn)監(jiān)管物聯(lián)網(wǎng)應用示范工程項目建設的KJ428型煤礦安全監(jiān)控系統(tǒng)，由煤礦井下火災參數(shù)監(jiān)測系統(tǒng)、基于以太網(wǎng)的數(shù)據(jù)傳輸高速通信系統(tǒng)和可視化、自動化和智能化的煤礦火災監(jiān)測預警系統(tǒng)組成，如圖1所示。

圖1 火災預警系統(tǒng)技術框架

井下火災監(jiān)測參數(shù)數(shù)據(jù)采集設備主要包括激光火情監(jiān)測主機、光纖測溫控制柜和氣體采樣泵等組成，以相鄰的多個火災監(jiān)測區(qū)域共同組成一個火災監(jiān)測單元，通過在井下部署火災監(jiān)測參數(shù)數(shù)據(jù)采集設備[2]，實現(xiàn)煤礦火災監(jiān)測的分布式取氣自動化、多種氣體成分分析自動化和定制化。

數(shù)據(jù)傳輸網(wǎng)絡包括井下數(shù)據(jù)網(wǎng)絡和地面數(shù)據(jù)傳輸網(wǎng)絡，為提高傳輸速度，煤礦火災監(jiān)測系統(tǒng)采用以太網(wǎng)光纖環(huán)網(wǎng)網(wǎng)絡作為數(shù)據(jù)傳輸網(wǎng)絡。利用礦方已經(jīng)搭建的以太網(wǎng)光纖環(huán)網(wǎng)網(wǎng)絡，實現(xiàn)基于以太網(wǎng)的火災監(jiān)測參數(shù)與地面火災監(jiān)測系統(tǒng)的高速通信。

地面火災監(jiān)測預警系統(tǒng)主要包括地面基礎支撐服務器系統(tǒng)和煤礦火災監(jiān)測軟件組成，地面火災監(jiān)測系統(tǒng)通過數(shù)據(jù)傳輸網(wǎng)絡自動采集分析井下火災監(jiān)測參數(shù)并根據(jù)火災監(jiān)測模型，實現(xiàn)煤礦火災的可視化監(jiān)測、自動化中央控制和火災預警預報。

2 系統(tǒng)采用的關鍵技術

2.1 激光氣體檢測技術

KJ428-Z礦用本安型激光火情監(jiān)測主機是KJ428礦用分布式激光火情監(jiān)測系統(tǒng)的關鍵組成部分，采用波長調制吸收光譜技術實現(xiàn)氣體濃度檢測[3-4]，可同時完成CH4、CO、C2H2、O2、C2H4和CO2等氣體濃度的測量和分析，具有測量誤差小、分辨率高、完全避免水汽、煤塵和其它氣體的交叉干擾等優(yōu)點。同時還具有采樣泵控制功能和溫度數(shù)據(jù)采集中繼功能，可接收遠程的PC指令控制采樣泵的啟停和工作狀態(tài)，并接收KJK660礦用隔爆兼本安型光纖測溫控制柜傳輸?shù)墓饫w測溫數(shù)據(jù)并通過RS485數(shù)字信號或者以太網(wǎng)光信號進行傳輸。

KJ428-Z礦用本安型激光火情監(jiān)測主機可通過遠程控制或者本地控制的方式實現(xiàn)單根或者多根取樣束管進行連續(xù)或者周期性的CH4、CO、C2H2、O2、C2H4和CO2等氣體濃度的測量和分析，為煤礦井下火災監(jiān)測提供準確、穩(wěn)定、可靠的監(jiān)測數(shù)據(jù)，并結合KJ428礦用分布式激光火情監(jiān)測系統(tǒng)強大的分析和監(jiān)控功能實現(xiàn)火情位置定位、監(jiān)測現(xiàn)場取氣自動化、采集分析自動化、參數(shù)關聯(lián)分析等，提供火災預警和故障監(jiān)測等功能，降低誤診誤報。

KJ428-Z礦用本安型激光火情監(jiān)測主機主要包括WMAS氣體檢測模塊、氣體采樣系統(tǒng)控制模塊、數(shù)據(jù)采集和通訊模塊；其中WMAS氣體檢測模塊用于測量CH4、CO、C2H2、CO2、C2H4和O2氣體濃度；氣體采樣系統(tǒng)控制模塊主要用于控制氣體采樣系統(tǒng)，不同氣體取樣束管的切換與導通和各氣體取樣束管的流量檢測；數(shù)據(jù)采集和通訊模塊主要用來完成CH4、CO、C2H2、CO2、C2H4和O2的檢測數(shù)據(jù)采集及計算，并把CH4、CO、C2H2、CO2、C2H4和O2濃度，氣體取樣系統(tǒng)控制狀態(tài)參數(shù)等數(shù)據(jù)通過RS485數(shù)字信號和以太網(wǎng)電信號經(jīng)數(shù)據(jù)傳輸網(wǎng)絡傳輸至地面火災監(jiān)測系統(tǒng)。

2.2 分布式光纖測溫技術

KJK660礦用隔爆兼本安型光纖測溫控制柜是分布式光纖溫度探測(DTS)技術在火災報警領域的具體應用[5]，主要用于煤礦采空區(qū)、密閉區(qū)等區(qū)域的溫度探測。

KJK660礦用隔爆兼本安型光纖測溫控制柜包括電源系統(tǒng)和分布式光纖測溫系統(tǒng)，電源系統(tǒng)主要把煤礦電源設備提供的外部電源輸入轉化為本安電源輸出和非本安電源輸出，為整個火災監(jiān)測硬件系統(tǒng)提供電源；分布式光纖測溫系統(tǒng)主要通過鋪設到各個采空區(qū)和采煤工作面的光纖實現(xiàn)對監(jiān)測區(qū)域的溫度監(jiān)測，并為溫度異常區(qū)提供定位距離。

KJK660礦用隔爆兼本安型光纖測溫控制柜主要由光纖測溫模塊、測溫光纖、信號隔離模塊、電機控制部分和隔爆兼本安電源模塊組成。其中，光纖測溫模塊負責光纖信號處理、報警和參數(shù)設置等，測溫光纖負責現(xiàn)場的溫度采集，信號隔離模塊輸出電機控制信號、電機故障信號并通過R485串口、光信號網(wǎng)線傳輸信號；電機控制部分是通過本部分對電機進行控制和保護；隔爆兼本安電源模塊除負責給本系統(tǒng)信號處理模塊供電以外還給其它部分本安電器提供12 V電源。光纖測溫模塊還可以通過RS485、以太網(wǎng)接口與系統(tǒng)相連，構成完整的系統(tǒng)。

2.3 大數(shù)據(jù)智能分析技術

構建地面火災監(jiān)測預警系統(tǒng)，實現(xiàn)基于井下火情氣體與溫度綜合集成分析的煤礦可視化火災監(jiān)測、智能化中央集控、自動化采集分析、定制化模型訓練、及時性火災預警預報，解決煤礦束管火災監(jiān)測系統(tǒng)業(yè)務分析能力差和缺乏火災預警預報能力等缺點。

KJ428火情監(jiān)測預警系統(tǒng)具備多參數(shù)交叉驗證分析模型，針對火情監(jiān)測區(qū)域的CO、CO2、O2、CH4、C2H4、C2H2特征氣體和溫度等監(jiān)測數(shù)據(jù)，采用大數(shù)據(jù)分析技術進行深度交叉關聯(lián)和挖掘分析，總結規(guī)律，超前感知火情風險，準確監(jiān)測煤體自然發(fā)火所處的階段(正常、緩慢氧化、加速氧化、激烈氧化、自燃)，在采空區(qū)頂板周期來壓等因素導致采空區(qū)風流形態(tài)改變無法準確判斷自然發(fā)火所處階段的情況下，火情趨勢判斷能夠為防滅火工作提供依據(jù)，為煤礦防滅火工作提供決策支持。

束管堵塞、漏氣的判斷和維護是當前影響煤礦火情監(jiān)測系統(tǒng)正常運行的重要因素，KJ428束管堵塞漏氣專家分析模型基于束管流量、壓力、數(shù)據(jù)深度挖掘分析，能夠準確捕捉束管堵塞漏氣現(xiàn)象，并觸發(fā)自動反吹功能實現(xiàn)束管的自動疏通。

3 系統(tǒng)在寸草塔二礦的應用

3.1 測點和設備部署

寸草塔二礦井田位于內(nèi)蒙古自治區(qū)鄂爾多斯市伊金霍洛旗東南部、東勝煤田寸草塔礦區(qū)二井田東北部，行政區(qū)劃隸屬于伊金霍洛旗烏蘭木倫鎮(zhèn)。井田南北走向長5.15 km，東西傾向寬4.55 km，面積16.5 km2。礦井屬低瓦斯礦井，采用斜井+平硐聯(lián)合開拓方式，在工業(yè)場地內(nèi)布置有一條主斜井(傾角9°，斜長1 050 m)、一條輔運平硐(傾角6°，斜長1 150 m)和3條回風斜井(傾角分別為16°、18°、25°，斜長分別為403 m、423 m、220 m)。在井田中央沿走向布置3條煤層大巷，大巷兩側布置條帶式工作面。

根據(jù)寸草塔二礦采掘接替和發(fā)火情況，確認了8個監(jiān)測點的部署方案，通過3套井下監(jiān)測設備實現(xiàn)全礦井火情預警監(jiān)測點的覆蓋。主要包括3-1煤層一個采煤工作面及采空區(qū)3個監(jiān)測點，以及3-1煤層3個密閉區(qū)監(jiān)測點，2-2煤層2個密閉區(qū)監(jiān)測點。項目井下施工內(nèi)容主要鋪設曙光17 400 m，測溫光纖2 600 m，安裝測溫主機3臺，氣體主機3臺，抽氣泵組3套，束管過濾箱3套，具體設備和測點部署情況見表1。

表1 寸草塔二礦火情測點部署表

3.2 激光氣體檢測和分布式光纖測溫技術驗證

為驗證檢測設備對CH4、CO、C2H2、CO2、C2H4和O2濃度以及溫度參數(shù)檢測的準確性，技術人員采用神東檢測公司色譜分析數(shù)據(jù)對比9次、采用便攜儀進行數(shù)據(jù)對比50次、通過通標氣進行數(shù)據(jù)對比5次，數(shù)據(jù)表明設備對參數(shù)檢測準確，各種參數(shù)檢測精度見表2。

表2 氣體測量指標

3.3 大數(shù)據(jù)智能分析技術驗證

系統(tǒng)能夠根據(jù)束管流量、壓力和抽取氣體流量的變化，智慧總結束管堵塞時的參數(shù)變化規(guī)律，并根據(jù)參數(shù)變化規(guī)則對束管堵塞和漏氣故障進行智能判斷[6-7]，在系統(tǒng)發(fā)生堵塞故障時自動啟用反吹功能排除故障。在束管發(fā)生漏氣故障時及時提醒系統(tǒng)運維人員排除故障，保障系統(tǒng)正常運行。

2018年2月4日22121綜采面上隅角束管發(fā)生堵塞故障，系統(tǒng)及時彈出了報警提醒，經(jīng)現(xiàn)場排查束管在上隅角附近位置發(fā)生了彎折。圖2為束管堵塞分析曲線。

圖2 束管堵塞分析曲線

2018年1月15日22119密閉(22121主運5聯(lián)巷)束管發(fā)生漏氣，系統(tǒng)及時彈出了報警提醒，經(jīng)現(xiàn)場排查束管接頭發(fā)生脫落，重新連接束管后恢復正常。圖3為束管漏氣分析曲線。

圖3 束管漏氣分析曲線

系統(tǒng)根據(jù)不同煤質燃燒參數(shù)分析數(shù)據(jù)、取氣換氣采樣參數(shù)、測溫光纖和多氣體監(jiān)測關聯(lián)參數(shù)，通過模型訓練建立適合于特定區(qū)域的火災監(jiān)測預警模型，針對監(jiān)測區(qū)域的溫度和火災氣體參數(shù)關聯(lián)集成，根據(jù)建立的火災預警分析模型和用戶設定的預警條件實現(xiàn)煤礦火災風險分析和預警預報[7]。

2017年11月3日31202采空區(qū)(203輔運7聯(lián)巷)附近區(qū)域發(fā)生緩慢氧化現(xiàn)象，系統(tǒng)及時進行了預警，經(jīng)現(xiàn)場處理火情得到及時處理?；鹎樽兓治銮€，如圖4所示。

圖4 多參數(shù)交叉分析曲線

4 結論

(1)分布式光纖測溫技術能夠實時準確監(jiān)測易自然發(fā)火區(qū)域的溫度，監(jiān)測誤差范圍為±1 ℃。

(2)采用激光氣體檢測技術能夠準確檢測CH4、CO、CO2、O2、C2H2、C2H4，共計6種氣體濃度。勿需參考氣體，不受交叉氣體干擾，設備測量準備、穩(wěn)定可靠；內(nèi)置自校驗機制，長達6個月免標校。

(3)束管故障分析模型能夠依據(jù)束管流量、壓力、氣體濃度等因素準確判斷其堵塞和漏氣故障。

(4)系統(tǒng)能夠依據(jù)測量的6種氣體濃度和溫度參數(shù)對火情發(fā)展進行預測預警。

(5)通過分布式部署，避免傳統(tǒng)束管色譜火災監(jiān)測方式長距離管路的易堵易漏和粉塵、水汽干擾弊端，大大提高了系統(tǒng)的適用性。