礦井煤層自燃多參數(shù)監(jiān)測系統(tǒng)的實(shí)踐

李光輝

(山西壽陽潞陽瑞龍煤業(yè)有限公司 山西 晉中 045400)

0 引言

中國多數(shù)礦井煤炭開采過程中受到煤炭自燃影響，其中以采空區(qū)自然發(fā)火最為常見[1]。加之煤炭開采不斷加深，礦井采空區(qū)面積不斷加大，采空區(qū)出現(xiàn)煤層自燃現(xiàn)象更為嚴(yán)峻，由于煤層自燃帶來的煤塵、瓦斯爆炸等事故逐漸增加，給礦井生產(chǎn)安全帶來不利影響[2-4]。由于采空區(qū)被冒落矸石填充，內(nèi)部結(jié)構(gòu)特殊且復(fù)雜，對于采空區(qū)發(fā)火監(jiān)測研究越來越得到重視[5]。

目前，對于煤層自燃監(jiān)測采用的技術(shù)方法以氣體探測、溫度探測、電阻率法及紅外探測為主，但都存在監(jiān)測指標(biāo)單一、探測精度不高等問題，不能起到對煤層自燃準(zhǔn)確預(yù)測以及提供先期防治有效的預(yù)警作用[6-8]。文中在對相關(guān)研究者研究的基礎(chǔ)上[9-13]，根據(jù)生產(chǎn)實(shí)際需要，經(jīng)過綜合分析，設(shè)計(jì)了一種集氣體探測、溫度探測為一體的綜合檢測系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)對回采范圍內(nèi)的O2、CO、CH4、CO2等氣體采空區(qū)內(nèi)溫度探測，從而實(shí)現(xiàn)自燃煤層采空區(qū)多參數(shù)在線監(jiān)測及預(yù)警，還可以對判定采空區(qū)遺煤自燃以及發(fā)火點(diǎn)位置提供依據(jù)，為礦井生產(chǎn)提供有效安全保障。

1 系統(tǒng)構(gòu)成及監(jiān)測原理

1.1 系統(tǒng)構(gòu)成

設(shè)計(jì)的多參數(shù)監(jiān)控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框架如圖1所示，整個監(jiān)控系統(tǒng)分為安全監(jiān)控系統(tǒng)、束管監(jiān)測系統(tǒng)以及溫度監(jiān)控系統(tǒng)3部分，具體硬件設(shè)施包括有供電電源、工業(yè)顯示屏、測溫主機(jī)、傳感器、測溫光纖、預(yù)警裝置、束管監(jiān)測裝置等構(gòu)成。可以實(shí)現(xiàn)對采空區(qū)內(nèi)溫度、氣體成分(O2、CO、CH4、CO2)實(shí)時在線監(jiān)測。

1.2 監(jiān)測原理

監(jiān)控系統(tǒng)控制器通過預(yù)先設(shè)定邏輯控制抽氣泵動作(圖1)，抽進(jìn)氣體通過9選1管路控制閥選擇合理管路進(jìn)入到本安腔進(jìn)行氣體成分分析，實(shí)現(xiàn)對采空區(qū)內(nèi)O2、CO、CH4、CO2等成分監(jiān)測，傳感器監(jiān)測結(jié)果通過RS 485通信網(wǎng)絡(luò)傳輸至控制器，并經(jīng)由另一RS 485通信網(wǎng)絡(luò)傳輸至上位機(jī)；測溫主機(jī)通過分布式測溫光纖實(shí)現(xiàn)對采空區(qū)溫度監(jiān)測，并將監(jiān)測結(jié)果通過視頻接口傳輸給工業(yè)顯示屏、傳輸接口傳輸給上位機(jī)以及RS 232通信網(wǎng)絡(luò)傳輸給控制器。上位機(jī)可顯示監(jiān)測到的采空區(qū)氣體成分及溫度。

圖1 多參數(shù)監(jiān)控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框架

2 監(jiān)控軟件

煤層自燃多參數(shù)監(jiān)測系統(tǒng)具體分為信息通信模塊、監(jiān)控預(yù)警模塊、分析及報(bào)表模塊、管理模塊等。監(jiān)控軟件以監(jiān)測系統(tǒng)監(jiān)控的氣體成分、溫度等數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，實(shí)現(xiàn)對自燃煤層發(fā)火傾向性分析、預(yù)警工作，減少出現(xiàn)漏報(bào)或者誤報(bào)概率。監(jiān)控軟件通過自定義監(jiān)控模型、工作流程、外部處理程序調(diào)用以及監(jiān)控參數(shù)修改的方式實(shí)現(xiàn)火災(zāi)監(jiān)控算法預(yù)設(shè)，解決不同礦井不同條件下同一種預(yù)警算法存在的弊端，提高監(jiān)控系統(tǒng)適用范圍及監(jiān)控精度。監(jiān)控系統(tǒng)根據(jù)監(jiān)測結(jié)果判定井下采空區(qū)煤層自燃危險(xiǎn)程度，并提出一些火災(zāi)處理建議。

3 煤層自燃多參數(shù)監(jiān)測系統(tǒng)特征

多參數(shù)監(jiān)控裝置是煤層自燃多參數(shù)監(jiān)控系統(tǒng)核心組件，將束管監(jiān)測及光纖溫度監(jiān)測相結(jié)合，實(shí)時監(jiān)控氣體成分、溫度變化，避免單一監(jiān)測方式存在的弊端。該監(jiān)控裝置結(jié)合氣體、溫度監(jiān)測結(jié)果，為布置的多模塊感溫光纜提供脈沖信號，并根據(jù)反射的光信號對溫度異常點(diǎn)及位置進(jìn)行確定。束管布置在采空區(qū)內(nèi)部，通過負(fù)壓泵將采空區(qū)內(nèi)抽出至本安腔內(nèi)進(jìn)行氣體成本分析。監(jiān)控系統(tǒng)將氣體成分、溫度監(jiān)測結(jié)果從模擬信號轉(zhuǎn)換成電信號，不僅可以在井下工業(yè)顯示屏上顯示，而且通過工業(yè)通信網(wǎng)絡(luò)將監(jiān)測結(jié)果傳輸至地面監(jiān)控中心。采用煤層自燃多參數(shù)監(jiān)測系統(tǒng)不僅解決了傳統(tǒng)采空區(qū)溫度傳感器布置成本高、布點(diǎn)困難、測點(diǎn)少的問題，而且也解決了傳統(tǒng)束管監(jiān)測系統(tǒng)負(fù)壓氣體傳輸距離長、管路漏氣、監(jiān)測周期長、成本高昂等問題。

4 應(yīng)用實(shí)踐

自燃煤層采空區(qū)出現(xiàn)自燃與回采工作面采用的開采方法密切相關(guān)，現(xiàn)階段礦井主流煤炭開采方式是綜采開采、綜放開采。綜采開采采空區(qū)內(nèi)遺落煤炭較少，但在回采巷道以及切眼等位置處會遺留有煤炭。采空區(qū)內(nèi)遺煤出現(xiàn)自燃不僅與自身氧化性有關(guān)，還與蓄熱環(huán)境及漏風(fēng)供氧等密切關(guān)聯(lián)。采用綜放開采，回采巷道頂板煤炭無法回采，在采空區(qū)內(nèi)遺落大量煤炭，且頂板無法有效壓實(shí)，存在較大漏風(fēng)隱患，給自燃煤層氧化發(fā)火創(chuàng)造條件，具有較大自燃危險(xiǎn)性。同時隨著礦井開采的不斷推進(jìn)，井田采空區(qū)面積不斷增加，特別是采用綜放開采礦井，采空區(qū)遺落大量浮煤，遺煤自然發(fā)火危險(xiǎn)性更為嚴(yán)重，加之采空區(qū)內(nèi)遺煤自然發(fā)火區(qū)隱蔽性強(qiáng)，不易確定具體位置，在氧氣及蓄熱條件適合情況下，極易引起煤的自燃?；谏鲜龇治?，采用煤層自燃多參數(shù)監(jiān)控系統(tǒng)監(jiān)控采空區(qū)內(nèi)遺煤自燃情況，系統(tǒng)布置如圖2所示。

圖2 多參數(shù)監(jiān)控系統(tǒng)布置示意

監(jiān)控系統(tǒng)在結(jié)合束管監(jiān)測及溫度監(jiān)測，對遺煤氧化自燃時多重指標(biāo)進(jìn)行監(jiān)控，根據(jù)礦井開采煤層性質(zhì)差異，采用不同的監(jiān)測手段及監(jiān)測方法，提取有效的監(jiān)控信息，構(gòu)建合理的遺煤氧化自燃預(yù)警模型，為遺煤自燃預(yù)警提供依據(jù)。在采空區(qū)內(nèi)布置監(jiān)控系統(tǒng)主要是由測溫光纖及束管氣體成分監(jiān)控構(gòu)成。

4.1 測溫光纖布置

由于煤導(dǎo)熱率較低，在采空區(qū)的遺煤分散均衡，不利于熱量傳導(dǎo)，若僅僅布置幾個測溫光纖很難實(shí)現(xiàn)對采空區(qū)內(nèi)遺煤自燃引起的溫度變化監(jiān)測。因此，監(jiān)測系統(tǒng)布置多條測溫光纖構(gòu)成的監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)對采空區(qū)內(nèi)溫度變化進(jìn)行監(jiān)控，測溫光纖布置方案直接影響到采空區(qū)內(nèi)遺煤監(jiān)測效果及精度。若測溫光纖布置過于稀疏，發(fā)熱點(diǎn)距離測溫光纖距離較遠(yuǎn)測溫光纖無法監(jiān)測到發(fā)熱點(diǎn)溫度變化或者經(jīng)過較長時間后方可監(jiān)測到溫度異常；若測溫光纖布置間距過小，雖然有利于對采空區(qū)內(nèi)溫度異常點(diǎn)確定，但是隨著采空區(qū)面積增加，監(jiān)測成本難以承受。

采空區(qū)溫度異常監(jiān)測首先應(yīng)布置在容易出現(xiàn)煤層自燃區(qū)域，如回采巷道側(cè)遺煤量多，容易形成蓄熱環(huán)境，是引起遺煤自燃的高發(fā)區(qū)域，因此，應(yīng)在回采巷道兩側(cè)布置測溫光纖，監(jiān)控采空區(qū)；采面收尾期間回采推進(jìn)速度較慢，應(yīng)根據(jù)礦井開采煤層自然發(fā)火性每隔20 m布置一道測溫光纖。在采空區(qū)內(nèi)布置測溫光纖在頂板巖層出現(xiàn)冒落時很容易造成損壞，因此，需要對測溫光纖進(jìn)行保護(hù)。因此，設(shè)計(jì)了一種由鋼管、軟管等構(gòu)成的測溫光纖保護(hù)裝置，對采空區(qū)內(nèi)布置的測溫光纖進(jìn)行保護(hù)。

4.2 氣體成分監(jiān)控布置

采面通風(fēng)難以避免會向采空區(qū)漏風(fēng)，根據(jù)采空區(qū)內(nèi)氣體流動特點(diǎn)，本著監(jiān)測布置操作性強(qiáng)、靈敏度高、穩(wěn)定性好等原則，在測點(diǎn)選擇時應(yīng)布置在采面采空區(qū)回風(fēng)側(cè)、采面回風(fēng)巷上隅角、回風(fēng)巷以及采面中部。采面中部布置測點(diǎn)時應(yīng)根據(jù)煤層自然發(fā)火危險(xiǎn)程度確定，一般間距30～40 m，將測點(diǎn)布置在液壓支架上隨架移動；監(jiān)控重點(diǎn)應(yīng)放在采空區(qū)回風(fēng)巷上，在采空區(qū)內(nèi)多個流場匯集區(qū)域應(yīng)布置多個測點(diǎn)，提升測點(diǎn)測量效果，降低由于通風(fēng)影響導(dǎo)致煤層自燃標(biāo)志性氣體濃度突變或者濃度過低而無法監(jiān)測的情況發(fā)生。

4.3 應(yīng)用效果

設(shè)計(jì)的自燃煤層多參數(shù)監(jiān)控系統(tǒng)在山西某礦12306采面應(yīng)用監(jiān)測，并對監(jiān)控系統(tǒng)硬件、軟件系統(tǒng)進(jìn)行調(diào)試。建成的自燃煤層多參數(shù)監(jiān)控系統(tǒng)可以從多個維度獲取采空區(qū)煤層自燃信息，通過對監(jiān)控信息進(jìn)行綜合分析研判，有利于自燃煤層采空區(qū)發(fā)火位置以及火情綜合確定，避免傳統(tǒng)火災(zāi)監(jiān)控系統(tǒng)誤報(bào)率、漏報(bào)率高等弊端，監(jiān)控系統(tǒng)將氣體成分變化及溫度變化多個指標(biāo)作為火災(zāi)預(yù)警參數(shù)，從而使得監(jiān)控系統(tǒng)監(jiān)測更為靈敏，監(jiān)測結(jié)果更為可靠。

5 結(jié)論

(1)設(shè)計(jì)的采空區(qū)遺煤自燃多參數(shù)監(jiān)控系統(tǒng)將束管監(jiān)測與溫度監(jiān)測相結(jié)合，避免傳統(tǒng)單一監(jiān)測方式存在的弊端，設(shè)計(jì)的監(jiān)控系統(tǒng)可以對采面采空區(qū)、回采巷道以及回采工作面對溫度、氣體成分變化情況進(jìn)行實(shí)時在線監(jiān)控。

(2)采用分布式測溫光纖可以實(shí)現(xiàn)采空區(qū)遺煤氧化發(fā)熱點(diǎn)進(jìn)行確定，解決傳統(tǒng)感溫傳感器監(jiān)測范圍小，監(jiān)測成本高問題；采用多氣體監(jiān)測裝置實(shí)現(xiàn)井下對O2、CO、CH4、CO2等成分監(jiān)測，解決傳統(tǒng)束管監(jiān)測管路長、不能實(shí)時監(jiān)測、監(jiān)測結(jié)果精度偏低問題。

(3)設(shè)計(jì)的多參數(shù)監(jiān)控系統(tǒng)在深入研究采空區(qū)遺煤發(fā)火機(jī)理，提高礦井火災(zāi)預(yù)警能力等方面均有一定的促進(jìn)作用，監(jiān)測結(jié)果可靠性及精準(zhǔn)度高，可以在一定程度上提升礦井火災(zāi)防治能力。