分布式激光火情監(jiān)測(cè)系統(tǒng)應(yīng)用及其測(cè)點(diǎn)部署優(yōu)化

曠永華

(貴州盤江精煤股份有限公司，貴州 六盤水 553536)

煤炭自然發(fā)火引起的火災(zāi)是煤礦安全生產(chǎn)的主要災(zāi)害之一，我國(guó)90%以上的煤礦火災(zāi)由煤炭自然發(fā)火引發(fā)，輕則影響采煤進(jìn)度，致使工作面封閉和設(shè)備損壞報(bào)廢，重則引起瓦斯爆炸，造成重大人員傷亡和財(cái)產(chǎn)損失[1-4]。因此，煤炭自然發(fā)火的防治及監(jiān)測(cè)預(yù)報(bào)越來(lái)越受到重視。煤炭自然發(fā)火隨煤氧化過(guò)程而釋放出一系列的氣體產(chǎn)物，不同的煤種不同的氧化階段會(huì)產(chǎn)生不同的特征氣體，如CO、O2、C2H4、C2H2等，通過(guò)監(jiān)測(cè)分析特征氣體可以進(jìn)行火情預(yù)測(cè)預(yù)警，同時(shí)可通過(guò)監(jiān)測(cè)氣體成分中CH4、CO、O2的體積分?jǐn)?shù)，預(yù)測(cè)被監(jiān)測(cè)空間的爆炸性危險(xiǎn)程度[5-7]。

經(jīng)貴州煤田地質(zhì)局實(shí)驗(yàn)室鑒定，月亮田礦多個(gè)煤層自燃傾向性均為Ⅱ類自燃煤層。現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)發(fā)現(xiàn)該礦所有采煤工作面回采過(guò)程中采空區(qū)均存在CO，南三采區(qū)的131015采煤工作面回采過(guò)程中上隅角CO體積分?jǐn)?shù)曾高達(dá)0.1%以上，煤層氧化自燃情況十分嚴(yán)重。因此，選擇在月亮田礦部署KJ428型分布式激光火情監(jiān)測(cè)系統(tǒng)進(jìn)行火情監(jiān)測(cè)和預(yù)測(cè)預(yù)警。

1 火情監(jiān)測(cè)技術(shù)

目前常用的火情監(jiān)測(cè)方法有氣相色譜法、激光火情氣體監(jiān)測(cè)法、光纖測(cè)溫法等[8-16]。氣相色譜儀結(jié)合束管抽測(cè)被監(jiān)測(cè)區(qū)域的氣體成分，是比較傳統(tǒng)的火情監(jiān)測(cè)方法。而采用激光氣體監(jiān)測(cè)技術(shù)，實(shí)現(xiàn)對(duì)采空區(qū)的火情氣體成分的在線監(jiān)測(cè)，同時(shí)利用光纖測(cè)溫技術(shù)將測(cè)溫光纖敷設(shè)到采空區(qū)，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)沿線環(huán)境溫度，是目前較為領(lǐng)先的火情監(jiān)測(cè)技術(shù)[17-20]。兩者優(yōu)劣比較如表1所示。

表1 火情監(jiān)測(cè)技術(shù)優(yōu)劣對(duì)比

由表1可知,分布式激光火情監(jiān)測(cè)系統(tǒng)與傳統(tǒng)束管監(jiān)測(cè)相比，克服了自動(dòng)化程度低、采樣滯后、監(jiān)測(cè)頻次低、容易漏氣等問(wèn)題，具有自動(dòng)化程度高、實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)、計(jì)量準(zhǔn)確、可靠性高等優(yōu)勢(shì)。

2 系統(tǒng)總體技術(shù)框架

2.1 監(jiān)測(cè)系統(tǒng)構(gòu)成

圖1 KJ428礦用分布式激光火情監(jiān)測(cè)系統(tǒng)架構(gòu)圖

2.2 設(shè)備現(xiàn)場(chǎng)部署

月亮田礦11109采煤工作面沿回風(fēng)巷采空區(qū)布置有一條?300 mm的瓦斯抽采管道，每30 m布置一個(gè)抽采口，且抽采口距離上隅角小于30 m，超過(guò)30 m的抽采口予以關(guān)閉。火情取氣束管布置在最新抽采口的后邊2 m位置，如圖2所示。

圖2 束管與抽采管位置關(guān)系示意圖

監(jiān)測(cè)系統(tǒng)上位機(jī)部分布置在地面調(diào)度室，為使氣體輸送距離降至最短，火情氣體監(jiān)測(cè)主機(jī)及測(cè)溫主機(jī)布置在距離被監(jiān)測(cè)工作面11109最近的采煤工作面硐室。將束管從氣體監(jiān)測(cè)主機(jī)沿工作面回風(fēng)巷一直布置到上隅角、采空區(qū)，利用束管將被測(cè)氣體輸送至監(jiān)測(cè)主機(jī)，同時(shí)將測(cè)溫光纜同程布置到采空區(qū)。

3 分布式激光火情監(jiān)測(cè)系統(tǒng)運(yùn)行效果

3.1 火情監(jiān)測(cè)系統(tǒng)效果分析

該監(jiān)測(cè)系統(tǒng)利用激光氣體監(jiān)測(cè)技術(shù)和光纖測(cè)溫技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了對(duì)煤礦采空區(qū)火情的特征氣體在線監(jiān)測(cè)，主要監(jiān)測(cè)O2、CO、CO2、CH4、C2H2、C2H4氣體體積分?jǐn)?shù)及采空區(qū)的溫度。

為了能驗(yàn)證監(jiān)測(cè)系統(tǒng)運(yùn)行的穩(wěn)定性及測(cè)量準(zhǔn)確性，對(duì)監(jiān)測(cè)地點(diǎn)的氣樣同時(shí)進(jìn)行系統(tǒng)在線監(jiān)測(cè)和人工取樣分析，兩種方式監(jiān)測(cè)結(jié)果對(duì)比情況如表2所示。

表2 火情監(jiān)測(cè)系統(tǒng)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)與人工取樣分析數(shù)據(jù)對(duì)比

由表2可知，火情監(jiān)測(cè)系統(tǒng)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)、現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)與色譜分析得到的數(shù)據(jù)基本一致，能夠反映現(xiàn)場(chǎng)真實(shí)情況。

3.2 火情監(jiān)測(cè)系統(tǒng)運(yùn)行存在的問(wèn)題及原因分析

3.2.1 存在的主要問(wèn)題

通過(guò)對(duì)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)歷史曲線進(jìn)行分析，驗(yàn)證系統(tǒng)運(yùn)行的有效性。以2018年7月4#束管測(cè)點(diǎn)歷史監(jiān)測(cè)曲線為例，監(jiān)測(cè)系統(tǒng)束管測(cè)點(diǎn)歷史曲線如圖3所示。

圖3 監(jiān)測(cè)系統(tǒng)束管測(cè)點(diǎn)歷史曲線

由圖3可以看出：

由于缺少科學(xué)的激勵(lì)考核機(jī)制，忽視人的核心利益和心理需要，嚴(yán)重影響員工的工作積極性，忽視人的潛能釋放和長(zhǎng)遠(yuǎn)發(fā)展［2］。在用人方面缺乏科學(xué)的績(jī)效評(píng)價(jià)機(jī)制，提升往往取決于上司的個(gè)人好惡，使客觀、公平、公正的選人原則難以體現(xiàn)，缺乏與績(jī)效考核掛鉤的收入分配機(jī)制。長(zhǎng)此以往，員工工作情緒低落，滿足感缺失，最終導(dǎo)致大量的人才流失。

1)在7月4日至13日歷史曲線顯示采樣氣體的流量為8 L/min左右，說(shuō)明采樣束管未堵塞，未漏氣。多種氣體測(cè)量值的突出變化發(fā)生在7月6日和 7月 11日。7月6日O2體積分?jǐn)?shù)一直在20.80%左右，說(shuō)明采集到的氣體接近于新鮮空氣。

2)O2體積分?jǐn)?shù)從7月6日17:30的20.80%較快下降到7月11日的14.00%，在7月11日當(dāng)天又急速下降到1.50%。CH4體積分?jǐn)?shù)逐步上升到7月11日的9.00%之后繼續(xù)波動(dòng)上升，而CO體積分?jǐn)?shù)則在7月6日快速上升到20×10-6，7月 11日又快速下降接近0，7月12日后與O2體積分?jǐn)?shù)同步逐漸上升和波動(dòng)。

7月4日至13日光纖測(cè)量的溫度曲線見(jiàn)圖4。

圖4 光纖測(cè)溫測(cè)點(diǎn)歷史曲線

7月6日和7月11日O2、CO、CH4等參數(shù)出現(xiàn)兩次階躍性突變的情況，不符合監(jiān)測(cè)值變化與進(jìn)深呈近似正比關(guān)系的一般經(jīng)驗(yàn)。

3.2.2 原因分析

對(duì)歷史曲線及束管進(jìn)深、抽采管路抽氣口切換時(shí)間綜合分析后發(fā)現(xiàn)，氣體監(jiān)測(cè)值突變發(fā)生的時(shí)間，恰為瓦斯抽采切換抽氣口的時(shí)間，氣體監(jiān)測(cè)值突變與采空區(qū)抽采及火情監(jiān)測(cè)束管在附近時(shí)的氣體流場(chǎng)有關(guān)。抽采管路直徑300 mm，抽采流量在45 m3/min；抽采口負(fù)壓達(dá)到-10 kPa，在抽采口形成強(qiáng)大的負(fù)壓區(qū)，導(dǎo)致回采工作面及上隅角區(qū)域的氣體向抽采口流動(dòng)。而束管直徑僅為10 mm，抽采量在8～10 L/min，如果位于抽采口的上隅角方向，抽取的是從上隅角方向流向瓦斯抽采口的空氣，此時(shí)測(cè)量的O2體積分?jǐn)?shù)在20.80%左右。束管取氣在抽采口的回風(fēng)巷側(cè)流場(chǎng)見(jiàn)圖5。

圖5 束管取氣在抽采口的回風(fēng)巷側(cè)流場(chǎng)示意圖

如果束管取樣口在瓦斯抽采口的采空區(qū)方向(見(jiàn)圖6)，則抽采管道抽取的是從采空區(qū)及工作面多個(gè)方向來(lái)的混和氣體，束管抽取的樣氣是該混合氣流。

圖6 束管取氣在抽采口的采空區(qū)側(cè)32 m處的 流場(chǎng)示意圖

隨著采空區(qū)內(nèi)側(cè)瓦斯抽采口關(guān)閉，并打開(kāi)上隅角側(cè)下一個(gè)瓦斯抽采口，抽采口向外切換，束管吸氣口逐步遠(yuǎn)離抽采口，速管測(cè)點(diǎn)深入采空區(qū)的流場(chǎng)示意圖如圖7所示。當(dāng)距離抽采口超過(guò)62 m時(shí)，基本不再受抽采影響，所抽取氣樣與現(xiàn)場(chǎng)位置的氣樣相似。

圖7 束管測(cè)點(diǎn)深入采空區(qū)的流場(chǎng)示意圖

根據(jù)上述分析，火情監(jiān)測(cè)參數(shù)的有效性受瓦斯抽采流場(chǎng)影響。為減少瓦斯抽采對(duì)束管取樣的影響。應(yīng)將束管及測(cè)溫光纖布置在無(wú)抽采管道或不受抽采管道影響的位置。

4 結(jié)論

1)與氣相色譜儀加束管的傳統(tǒng)的火情監(jiān)測(cè)方式相比，分布式激光火情監(jiān)測(cè)系統(tǒng)采用激光氣體自動(dòng)監(jiān)測(cè)技術(shù)，取代了人工取樣測(cè)量，降低了人工成本，同時(shí)實(shí)現(xiàn)了實(shí)時(shí)在線監(jiān)測(cè)，保證了火情預(yù)警的及時(shí)性。

2)分布式激光火情監(jiān)測(cè)系統(tǒng)采用監(jiān)測(cè)裝置井下分布式部署，減小了束管部署長(zhǎng)度和人工束管維護(hù)工作量，極大縮短了取氣時(shí)間，提高了系統(tǒng)的可靠性。

3)火情監(jiān)測(cè)參數(shù)的有效性受瓦斯抽采流場(chǎng)影響較大，為減少瓦斯抽采對(duì)束管取樣的影響，應(yīng)將束管及測(cè)溫光纖布置在無(wú)抽采管道或不受抽采管道影響的位置。