煤場自燃預(yù)防與控制的研究與應(yīng)用現(xiàn)狀分析

趙歡歡,李艷群,趙寧寧

(北京物資學(xué)院 信息學(xué)院,北京 101149)

煤炭在我國的能源結(jié)構(gòu)中占有舉足輕重的地位。煤炭在長期儲存過程中有可能會發(fā)生自燃,煤場自燃可能引發(fā)爆炸事故與火災(zāi)事故,不僅影響企業(yè)的正常生產(chǎn)給企業(yè)造成經(jīng)濟損失,還會污染環(huán)境[1]。所以,不斷研究和總結(jié)煤場自燃預(yù)防與控制措施具有重要的意義。

構(gòu)成煤炭有機質(zhì)的元素主要有碳、氫、氧、氮和硫等。在實際生產(chǎn)中,煤長期與空氣中的氧接觸,發(fā)生物理、化學(xué)變化。由于煤炭在氧化過程中會產(chǎn)生大量熱,熱量如果不能及時散發(fā),那么煤堆溫度將會逐漸升高,煤的氧化也隨之加快,從而釋放出更多熱量及小分子氣體,當(dāng)二者達到一定程度后便會發(fā)生自燃。

煤場中煤堆自燃是一個復(fù)雜的物理、化學(xué)作用過程,除受內(nèi)部因素影響外,還與外部因素有關(guān)。煤場中煤堆自燃的內(nèi)部因素主要是煤炭中的可燃物質(zhì),如有機質(zhì);引起煤場自燃的外部因素有風(fēng)速、堆放參數(shù)、孔隙率、空氣濕度等。煤的變質(zhì)程度、煤巖顯微組分、水分和黃鐵礦含量等與煤堆內(nèi)溫度的升高密切相關(guān),煤堆高度、煤堆坡面迎風(fēng)傾角、煤的含水量、風(fēng)向和風(fēng)力等都對煤堆與空氣接觸情況及煤堆溫度升高有影響[2]。

1 煤場預(yù)警方法研究與應(yīng)用現(xiàn)狀

為達到更好的煤場自燃實時監(jiān)測效果,針對不同的應(yīng)用場景,研究學(xué)者們均做出了相應(yīng)的預(yù)警措施,如表1所示。

1.1 傳統(tǒng)檢測方法

溫度是重要的自燃檢測指標(biāo),對于煤場自燃預(yù)警傳統(tǒng)上多采用人工觀測及測溫法進行。

1.1.1人工觀測

人工定期使用手持測溫桿進行煤堆內(nèi)部溫度的測量,需要依靠工人長期積累的工作經(jīng)驗。這種方法存在時效性差、效率低、可重復(fù)性小、人員安全隱患等問題,目前基本已被淘汰。

1.1.2測溫法

溫度傳感器測溫法、光纖測溫技術(shù)及紅外測溫法是應(yīng)用較成功的測溫技術(shù)。

1)溫度傳感器測溫法。溫度傳感測溫法預(yù)測可靠、直觀、準(zhǔn)確性高,應(yīng)用時需要將傳感器布置在測溫點。趙琳娜[3]研究并設(shè)計了基于ZigBee的儲煤場無線傳感器溫度監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng),由于ZigBee傳輸距離短且速率低,需要對采集溫度進行多級無線傳輸,因此傳輸時間較長,且很難準(zhǔn)確地選擇測溫點位置。

2)光纖測溫技術(shù)。光纖測溫技術(shù)大多應(yīng)用于圓形煤場,主要分層安裝在擋煤墻內(nèi)部,維護及更換不夠方便。光纖不僅可以作為傳感媒介,還可以作為傳輸介質(zhì),具有敏捷性高、分布性好等特點。

3)紅外測溫法。不同于前面兩種測溫方法,紅外測溫技術(shù)具有檢測快、安裝維護容易、操作簡單等優(yōu)點,而且監(jiān)測范圍廣。王艷春[4]等人通過在封閉式圓形煤場設(shè)置中心位置內(nèi)圈導(dǎo)軌、棚頂外圈導(dǎo)軌以及紅外測溫儀水平導(dǎo)軌三條導(dǎo)軌,實現(xiàn)封閉式圓形煤場無死角紅外測溫,預(yù)防火災(zāi)事故的發(fā)生。韓子彬[5]在選煤廠煤溫監(jiān)測方法的研究中,開發(fā)了一套基于紅外熱成像技術(shù)的煤溫監(jiān)控系統(tǒng),實現(xiàn)對煤溫的實時監(jiān)測控制。盡管紅外測溫法是非接觸式測溫,但容易受到測溫范圍內(nèi)大氣污染物等影響,檢測的準(zhǔn)確性仍會有一些偏差。

1.1.3氣體檢測系統(tǒng)

光纖檢測氣體作為一種預(yù)警方式,大多應(yīng)用于采空區(qū)煤自燃預(yù)警系統(tǒng)中。Liang Ruiguang等[6]開發(fā)了一種基于氣體傳感器信息融合技術(shù)的火災(zāi)監(jiān)測系統(tǒng),可以有效地完成存在問題領(lǐng)域的氣體探測并提供可靠的數(shù)據(jù)保障煤礦災(zāi)害的預(yù)報。Qiu Xuanbing[7]設(shè)計了一種微型激光傳感器系統(tǒng),用于對溫度范圍為85～200 ℃的煤樣進行實時現(xiàn)場調(diào)查。

1.2 現(xiàn)代預(yù)警技術(shù)

傳統(tǒng)預(yù)警方法由于自身的局限性,檢測功能比較單一,預(yù)警存在延遲、不精確等問題。不少學(xué)者在研究與實際應(yīng)用中,為避免溫度誤差或外界因素對檢測結(jié)果的影響,利用現(xiàn)代化網(wǎng)絡(luò)技術(shù)手段對煤場進行多參數(shù)全天候監(jiān)測并采取有效的預(yù)防措施。

1.2.1綜合監(jiān)測系統(tǒng)平臺

綜合監(jiān)測預(yù)警平臺由多個子系統(tǒng)組成,能夠滿足全方位、多參數(shù)監(jiān)測。蔡文霞[8]從煤堆表面溫度、可燃?xì)怏w、煙霧濃度等幾方面進行安全監(jiān)測,針對具體的工程設(shè)計了圓形貯煤場安全動態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)。王艷春[9]提出一種封閉煤場綜合安全監(jiān)控系統(tǒng),每個煤場可以根據(jù)自身的實際情況選擇不同子系統(tǒng)的組合。王玉婷[10]結(jié)合某條形封閉煤場安全監(jiān)測系統(tǒng)的設(shè)計與應(yīng)用,實現(xiàn)了對煤場內(nèi)的氣體監(jiān)測、粉塵監(jiān)測、溫度監(jiān)測并給出早期預(yù)警。盡管綜合監(jiān)測系統(tǒng)功能齊全,但其結(jié)構(gòu)復(fù)雜需要通過數(shù)據(jù)端口與各個子系統(tǒng)進行命令交互、數(shù)據(jù)交換。因此，決策和存儲需要更好的處理器和服務(wù)器等軟硬件。

1.2.2無線傳感器網(wǎng)絡(luò)檢測

無線傳感器網(wǎng)絡(luò)依賴設(shè)備自身的智能,具有覆蓋范圍大、監(jiān)測信息可靠性高、成本低、能耗低等特點。王建軍[11]開發(fā)了煤倉自燃特征信息無線監(jiān)測系統(tǒng)。王圣齊[12]采集溫度和氣體(CO和CH4)參數(shù),結(jié)合試驗和BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)自燃點預(yù)測,開發(fā)了儲煤筒倉智能安全監(jiān)控系統(tǒng)。王敏等[13]搭建了一種基于云網(wǎng)絡(luò)的地面儲煤場所煤自燃在線監(jiān)測預(yù)警管控平臺系統(tǒng),主要由礦用本安型多參數(shù)傳感器、礦用監(jiān)測基站及監(jiān)測預(yù)警軟件三部分構(gòu)成。當(dāng)溫度超過設(shè)定閾值時,就會對指標(biāo)氣體進行分析,同時預(yù)警,實現(xiàn)多參數(shù)全方位監(jiān)測,有利于及時了解和處理安全隱患,切實保障生產(chǎn)工作安全。

表1 煤場自燃預(yù)警方法比較Table 1 Comparison of warning methods of spontaneous combustion in coal yards

2 煤場控制手段研究與應(yīng)用現(xiàn)狀

防止煤場自燃要做到預(yù)防為主、防治結(jié)合。針對煤場自燃不同階段,采用溫度和氣體參數(shù)檢測預(yù)警,并選擇相應(yīng)的控制手段,如表2所示。

2.1 堆煤前煤場控制手段

1)合理的選址與設(shè)計。煤場應(yīng)選擇地勢高、寬敞平整的硬質(zhì)地面,且合理設(shè)置煤堆形式;

2)煤場存煤應(yīng)遵守“分堆存放,分層壓實”原則,按品種或煤質(zhì)分類分堆存放、壓實煤層,減少煤粒之間的空隙;

3)加強煤場管理,建立健全煤場煤質(zhì)管理制度等。

2.2 煤場儲煤控制手段

煤場自燃通常情況下會經(jīng)過三個階段,分別是水分蒸發(fā)、氧化及自燃。檢測的參數(shù)主要是煤的溫度和指標(biāo)氣體,通過對溫度和氣體的檢測來實現(xiàn)其預(yù)警功能,針對煤場自燃的不同階段,采取相應(yīng)措施,有效地控制自燃發(fā)生。葉正亮[14]認(rèn)為不同堆放方式煤堆溫升過程均具有分段特性,不同測點均顯示出以40 ℃左右為反應(yīng)拐點:當(dāng)溫度t≤40 ℃時,煤堆處于安全時期;當(dāng)溫度t≥70 ℃時,煤堆處于隨時自燃狀態(tài)。王建儒[15]提出溫度升高至80 ℃左右時,若熱量無法及時釋放到外界,氧化反應(yīng)速度就會急速升高,其中煤矸石會由自熱狀態(tài)變?yōu)樽匀紶顟B(tài)。張士金[16]認(rèn)為當(dāng)達到煤的自熱臨界溫度60～80 ℃時,生成可燃物如 CO、CH4及其他烷烴,此階段為煤的自熱期。韓子彬[5]將報警閾值設(shè)置為50 ℃,在30～60 ℃以及60～100 ℃的溫度區(qū)間內(nèi)都選用CO作為指標(biāo)氣體,且監(jiān)測C2H4及C2H6濃度變化。由于煤種、煤場環(huán)境、季節(jié)等因素的不同,采取控制措施還需由實際情況確定。

2.2.1水分蒸發(fā)階段

水分蒸發(fā)階段溫度大致在t≤30 ℃時,為安全期,可以采用噴淋降溫、風(fēng)障聯(lián)合壓實等措施。

1)噴淋。水分在一定條件下可以抑制煤的自燃氧化,水分的存在使煤堆在自燃中期升溫速率放緩,水分含量越高,水分蒸發(fā)所需時間越長,煤堆安全保存期越長。噴淋裝置可以使煤堆內(nèi)水分高于7%的時段保持較長時間,延緩煤堆發(fā)生自燃。但是在煤炭自燃初始階段,水分對煤的氧化有極為重要的催化作用,當(dāng)煤中水分處于引起自燃的臨界范圍內(nèi)時,它可以加速煤中各種放熱反應(yīng)的進行,進而加速自燃。

2)風(fēng)障聯(lián)合壓實。風(fēng)障聯(lián)合煤堆壓實防止煤堆自燃,可以保證煤堆最高溫度降低量顯著增加,且其風(fēng)障與煤堆之間的距離選取靈活,既能擴大煤堆壓實的適用范圍又能降低風(fēng)障高度,節(jié)約經(jīng)濟成本,提高現(xiàn)場施工的可操作性。

2.2.2低溫氧化階段

低溫氧化階段溫度大致在30～70 ℃,通過檢測CO等氣體濃度可以進行早期預(yù)防。建議采用重力熱管移熱、離子液體、液態(tài)CO2等措施。

1)重力熱管移熱。重力熱管能夠有效提取插入?yún)^(qū)域的熱量,將煤場內(nèi)部熱量及時轉(zhuǎn)移出,使煤場內(nèi)部熱源逐漸消失。

2)離子液體。離子液體對煤氧化過程和氧化放熱有明顯的減弱作用,且離子液體的阻化作用不是全過程的,而是某些溫度段作用明顯,如[BMIM][BF4]在40～70℃的阻化效果較好。

3)液態(tài)CO2。粒徑越小的煤體降溫效果越好。

2.2.3自燃階段

自燃階段反應(yīng)溫度大約為70～230 ℃,伴隨溫度升高會釋放大量CO2、SO2等氣體,F-500微胞囊技術(shù)與消防水炮是應(yīng)用較多的滅火手段。

1)F-500微胞囊技術(shù)的滅火機理是通過微胞囊包裹,中斷自由基鏈?zhǔn)椒磻?yīng),以達到快速降溫、快速滅火及阻止復(fù)燃的目的。

2)消防水炮是一種水流強度大、噴射距離遠(yuǎn)的滅火設(shè)施,可與火災(zāi)自動報警系統(tǒng)聯(lián)動,不僅可遠(yuǎn)程控制,也可現(xiàn)場手動操作。

表2 自燃不同階段控制手段Table 2 Controlling methods of spontaneous combustion in different stages

3 目前應(yīng)用存在問題

煤場自燃預(yù)防和控制,盡管目前在生產(chǎn)實踐中發(fā)揮了很大作用,但存在一些不足之處,如檢測的準(zhǔn)確性低、網(wǎng)絡(luò)可靠性低以及防控及時性差等問題。

3.1 檢測準(zhǔn)確性較差

煤場作為一個動態(tài)環(huán)境,其檢測預(yù)警手段需要具備較高的靈活性及良好的精確性。在實際應(yīng)用中,傳統(tǒng)預(yù)警方法只能依靠單一的參數(shù)進行檢測,綜合預(yù)警平臺盡管可以對多參數(shù)進行檢測,但靈活性較差。

3.2 網(wǎng)絡(luò)可靠性較差

數(shù)據(jù)傳輸依賴網(wǎng)絡(luò)的可靠性,若網(wǎng)絡(luò)可靠性差,則數(shù)據(jù)傳輸會發(fā)生延遲。有線網(wǎng)絡(luò)相比無線網(wǎng)絡(luò)較穩(wěn)定,但是需要進行布線等工作;綜合預(yù)警平臺由于傳輸過程復(fù)雜、傳輸節(jié)點多,該類技術(shù)也存在安裝調(diào)試?yán)щy、網(wǎng)絡(luò)傳輸過程延遲等問題。

3.3 防控不夠及時

1)預(yù)警延遲。預(yù)警過程會采集大量數(shù)據(jù),但是準(zhǔn)確和可靠的數(shù)據(jù)才具有價值。大量數(shù)據(jù)傳輸給服務(wù)器,會加大網(wǎng)絡(luò)負(fù)載,網(wǎng)絡(luò)可能擁堵;再者服務(wù)器接收到數(shù)據(jù)后,需要進行判斷和決策再顯示出需要處理的危險區(qū)域的具體位置,這就會增加數(shù)據(jù)處理響應(yīng)時間,導(dǎo)致處理能力降低。

2)控制延遲。預(yù)警信息決定采取哪種控制措施。一方面,預(yù)警延遲會導(dǎo)致控制措施的選用不當(dāng);另一方面,實施控制手段不及時,也會存在安全隱患。

4 總結(jié)

煤場中的煤堆易受環(huán)境影響,表征其安全的參數(shù)是動態(tài)變化的。傳統(tǒng)預(yù)警技術(shù)由于檢測參數(shù)單一等問題,不能滿足煤場安全要求。在實際應(yīng)用中,綜合監(jiān)測系統(tǒng)平臺較多,每個煤場可以根據(jù)自身的實際情況選擇不同子系統(tǒng)的組合,但在及時性、準(zhǔn)確性和可靠性等方面存在一些問題。

基于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的預(yù)警系統(tǒng)具有一定優(yōu)勢:

1)有利于獲得準(zhǔn)確的監(jiān)測數(shù)據(jù)。傳感設(shè)備具有高精確性、高穩(wěn)定性和測點密集等特點,可以在復(fù)雜多變的環(huán)境中,正常高效地工作。

2)利用感知節(jié)點做必要的數(shù)據(jù)預(yù)處理,減少數(shù)據(jù)傳輸量。

3)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)利用云計算、邊緣計算等技術(shù),有助于完成自動檢測、判斷和防火控制。