超長煤巷監(jiān)測數(shù)據(jù)背景CO篩查及自燃預判研究

李騰 李宗翔 王繼仁 楊富強 張春華 賈進章

摘要：為了解決超長雙煤巷自燃發(fā)熱的早期預報問題，在自燃標志氣體分析法失效的情況下，運用井下監(jiān)測系統(tǒng)大數(shù)據(jù)的CO趨勢分析法。為了篩除井下柴油機動車尾氣產(chǎn)生CO的波動干擾，創(chuàng)新提出能夠僅反映煤相對緩慢氧化的背景CO體積分數(shù)的概念;對礦井某一獨立通風的考察區(qū)域，在某一足夠長的時間段內(nèi)，總能找到所有柴油車都不工作的極端時刻（或不受尾氣干擾的情況），且CO體積分數(shù)值被監(jiān)測系統(tǒng)記錄到，從而建立了背景CO體積分數(shù)的篩查方法;經(jīng)時間單元周期為0.125 d和0.5 d時的篩查結果對比，隨著考察時間單元的取大，CO體積分數(shù)曲線越來越低，波動減小，背景CO體積分數(shù)曲線越來越清晰，證明其客觀存在性。以最短自然發(fā)火期的一部分為考查期，依據(jù)背景CO體積分數(shù)的趨勢走勢來預判煤柱自然發(fā)火，結合紅慶梁煤礦經(jīng)驗，得到CO趨勢遞增率k*1=0.607 10-6 d-1，以此作為自燃危險預判的臨界指標，將自燃危險預警分三級，即當k1 ≥ k*1，一級預警，啟動重點巡查，將超長距離巷道每天全面巡查，改升級到為有針對性加大人力物力的重點巡查;當k1

關鍵詞：煤巷自燃;柴油尾氣;隱蔽性自燃;自燃預判;背景CO體積分數(shù);監(jiān)測預警

中圖分類號：TD752.2

文獻標志碼：A文章編號：1000-582X（2022）02-094-09

Abstract： ? To realize early prediction of spontaneous combustion of overlong double coal roadway， this paper proposes a CO trend analysis method based on the big data of the underground monitoring system when the spontaneous combustion mark-gas analysis method is invalid. Meanwhile， to screen out and remove fluctuation disturbance of CO caused by underground diesel vehicle exhaust， the concept of background CO volume fraction which can only reflect the relatively slow oxidation of coal is put forward. The background CO volume fraction screening method is established on the basis that for an independent ventilated investigation area of a mine， there is always an extreme moment that no diesel vehicle works （or exhaust gas does not interfere all diesel car） in a long enough time， and the CO volume fraction value is recorded by the monitoring system. Through the comparison of the screening results of a 0.125-day time unit cycle and a 0.5-day time unit cycle， it is found that as the time unit increases， the CO volume fraction curve becomes lower， the fluctuation decreases， and the background CO volume fraction curve becomes clearer， suggesting the objective existence of background CO volume fraction. Taking a part of the shortest spontaneous combustion period as the examination period， the spontaneous combustion of coal pillars is predicted based on the trend development of the background CO volume fraction. Combined with the experience of Hongqingliang coal mine， the CO increasing trend（increasing rate k*1=0.60710-6 d-1） is obtained as the critical index of spontaneous combustion risk prejudgment. The spontaneous combustion risk warning is divided into three levels. When k1≥k*1， it is first-level warning， which triggers key inspections， and upgrades the daily comprehensive inspection to the targeted inspection with more manpower and material resources. When k1<k*1， it is second-level alert， which requires to find out the causes. When k1≤0， there is no spontaneous combustion risk. The predicted results meet the engineering requirements.

Keywords： ?spontaneous combustion of coal roadway; diesel exhaust; hidden spontaneous combustion; prediction of spontaneous combustion; background CO volume fraction; monitoring warning

神東鄂爾多斯礦區(qū)的煤層埋藏條件好，開采規(guī)模大。以昊華集團紅慶梁煤礦為例，采煤工作面長達300 m，推進總長度達4 300 m，采用雙煤層巷布置，井下輔助運輸大量使用柴油工作車。該礦區(qū)隨著采深增加，地應力顯現(xiàn)明顯。紅慶梁煤礦采深超過450 m，留15 m煤柱時巷道變形嚴重，超長雙巷掘進和回采期間更易于引發(fā)煤巷自燃，在11301首采過程中出現(xiàn)4次煤巷煤柱自燃現(xiàn)象，給礦井安全生產(chǎn)帶來不利影響。由于超長雙煤巷布置煤暴露面太大，巡查戰(zhàn)線過長，依靠人工每天例行巡檢，難度大。長期以來國內(nèi)外關于煤巷自燃問題開展了大量的研究[1-2]，具體在煤柱自燃火源位置的紅外探測與定位[3-5]、煤柱自燃溫度分布[6-7]、巷道自燃危險區(qū)域劃分等[8-9]，以及煤柱自燃防滅火方法等[9-12]，經(jīng)文獻檢索，現(xiàn)有的研究針對的都是傳統(tǒng)礦區(qū)的中短尺度開采的煤巷，而超長多煤巷自燃火災管控另有其特殊性，即煤巷自燃治理和日常巡查戰(zhàn)線超長，自燃防治不能有的放矢。另一方面，受井下機電設備和機動車的放熱干擾，遠程光纖測溫技術很難在煤巷發(fā)熱早期預報方面發(fā)揮作用[13]。顯然，超長多煤巷自燃防治關鍵仍然是自燃的早期發(fā)現(xiàn)[1]，目前，超長雙煤巷自燃綜合預判研究尚待研究[13-15]，缺少相關報道，問題亟待解決。

CO作為煤自燃災害氣體，最早被用于自燃早期預判，并積累了大量經(jīng)驗[14-17]，但在井下大量使用柴油車的礦井如何排除尾氣干擾，發(fā)揮傳統(tǒng)方法作用，這里結合紅慶梁礦的工程實際，提出一種篩選出背景CO氣體體積分數(shù)的方法，利用井下監(jiān)測系統(tǒng)連續(xù)監(jiān)測的大數(shù)據(jù)，根據(jù)其變化趨勢進行自燃預判。

1 ?超長煤巷自燃預測面臨的問題及其解決對策

如圖1所示，紅慶梁煤礦超長距離雙煤巷布置，連同接替工作面掘進準備，煤巷數(shù)目多達6～8條，管理范圍很大，煤巷自燃（包括煤柱自燃）嚴重。

有多條超長煤巷的自燃隱患排查戰(zhàn)線過長，單純依靠人工巡檢，一來人手不足，二來長時間工作極容易渙散注意力，三是煤體內(nèi)自燃點發(fā)熱隱蔽性很強，容易漏掉，如圖2所示，解決對策是自燃的早期預測。

3 ?區(qū)域背景CO體積分數(shù)的趨勢預測方法

3.1 背景CO異常和自燃預判準則

在一個系統(tǒng)相對穩(wěn)定的自然發(fā)火考察時間內(nèi)，背景CO體積分數(shù)一直在緩慢持續(xù)穩(wěn)定增長。

所謂系統(tǒng)相對穩(wěn)定期是指通風、人員施工管理和巷道系統(tǒng)等條件都不變的情況，當?shù)V井系統(tǒng)各因素有明顯變化，對自燃環(huán)境影響較大，背景CO體積分數(shù)變化的水平也產(chǎn)生明顯差異，即不一定在一個水平上。

如圖5所示，在十一放假停產(chǎn)期間最有利于煤柱的自燃氧化，節(jié)后的礦井恢復生產(chǎn)一段時間，背景CO體積分數(shù)偏高，波動也較大;隨著生產(chǎn)逐漸正規(guī)，系統(tǒng)進入穩(wěn)定狀態(tài)，且恢復生產(chǎn)后及時進行重點巡檢和發(fā)熱區(qū)處理，背景CO體積分數(shù)隨之大幅度降低，煤柱的自燃氧化也進入一個新的階段（條件環(huán)境）。

3.2 自然發(fā)火預判考察期的確定

所謂自然發(fā)火預測考察期，是指區(qū)別于外因火災短時間發(fā)生的能反映內(nèi)因火災煤自燃緩慢持續(xù)增長的時間。自燃預測考察期的確定與煤的最短自然發(fā)火期有關，長則直接按煤的最短自然發(fā)火期，但此時可能煤已經(jīng)發(fā)生了自燃，短則按其一部分，本礦實驗3-1煤的最短自然發(fā)火期是27 d，取1周或數(shù)周，這樣可預測到自燃正在成長過程中，預測到早期發(fā)熱階段，視具體情況和經(jīng)驗而定。圖5中是截取十一放假后恢復正常掘進時的CO監(jiān)測值，連續(xù)11 d背景CO體積分數(shù)有持續(xù)升高趨勢，直到出現(xiàn)煤柱自燃和多點發(fā)熱。

煤炭自燃是緩慢的，如果背景CO體積分數(shù)在10 d左右考察期內(nèi)連續(xù)走高，就可以斷定沿途巷道有自燃高溫熱點，然后再有目的和針對性地在巷道沿途進行仔細排查。

如圖6所示，新階段經(jīng)過從8—22日累計16 d的煤自燃考察期，背景CO體積分數(shù)漸且持續(xù)升高，接近之前的十一節(jié)后恢復生產(chǎn)期間（前一期）的背景CO體積分數(shù)水平，圖6中趨勢線是隨著煤巷氧化線性增大，符合自然發(fā)火緩慢持續(xù)增長的特征，說明監(jiān)測范圍內(nèi)巷道煤柱內(nèi)有自燃趨勢，有自燃熱點存在。經(jīng)過人工有目的地仔細巡查，確認3處發(fā)熱點，煤壁溫度分別為27 ℃、29 ℃和31 ℃，高于平時最高值24 ℃（隱蔽性很強不易被發(fā)現(xiàn)），經(jīng)打鉆取氣樣化驗確認后注防火劑滅火，背景CO體積分數(shù)又逐漸下降。

3.4 可能有自燃危險（應重點加強巡查）的工作流程

超長煤巷自燃預判的重點關鍵是如何進入排查。如果有連續(xù)的CO體積分數(shù)超出背景CO體積分數(shù)預測線，且維持一定考察時間時，就應啟動重點排查。

每一次的超長煤巷自燃預判應保留數(shù)據(jù)，繼承經(jīng)驗，不斷通過現(xiàn)場實際反復驗證。運用該方法對紅慶梁礦發(fā)生過的多起煤柱內(nèi)部自燃煤幫升溫現(xiàn)象進行了成功預報，例如2018年12月16日預測CO異常，用紅外測溫成像儀巡查發(fā)現(xiàn)原火點再次發(fā)熱，煤壁表面溫度最高42 ℃，2019年3月19日11302新回風順槽里段407排非開采幫有發(fā)熱點，通過人工紅外熱成像儀觀測巡查，在向煤體打鉆探測與滅火中，均檢測出有乙烯C2H4、乙炔C2H2、丙烷C3H8氣體出現(xiàn)，以此確認煤體內(nèi)部的確呈自燃狀態(tài)。

以上工作過程的簡單邏輯如下：

通過背景CO體積分數(shù)預測CO異常上升現(xiàn)象（本文主旨）→進入“重點巡查”這一步，找到高溫區(qū)→對疑似火區(qū)打鉆，用C2H4、C2H2、C3H8氣體“確認內(nèi)部呈自燃狀態(tài)”→滅火處理。

4 超長煤巷自燃多渠道聯(lián)合預警防滅火體系的探討

實踐證明，超長煤巷自燃預警還應堅持多渠道聯(lián)合預警防滅火體系，即正規(guī)方法和監(jiān)測監(jiān)控系統(tǒng)識別相結合，如圖7所示，人工日常巡查、氣體取樣分析和監(jiān)測監(jiān)控系統(tǒng)識別后重點排查多種方法的聯(lián)合應用模式。其中，人工日常巡查是運用紅外熱成像儀照射煤壁檢查發(fā)熱情況，把監(jiān)測監(jiān)控系統(tǒng)識別背景CO體積分數(shù)預測自燃作為第一層的宏觀看管掌控，以氣體分析（C2H4、C2H2）判讀自燃溫度為輔助，一旦發(fā)現(xiàn)區(qū)域情況異常就動用一切手段進行重點排查，將超長距離巷道每天全面巡查，升級到有針對性加大人力物力的重點巡查;在確定疑似自燃位置后，向煤壁發(fā)熱點打探測措施鉆孔（兼做備用滅火措施孔），抽取鉆孔內(nèi)氣樣分析指標氣體C2H4和C2H2確認和判斷自燃狀態(tài)，用探測鉆孔溫度分布探明火源深度，同時在周圍補打滅火鉆孔注漿等措施。圖7中在1個邏輯循環(huán)有2次用到氣體分析法驗證。

通過上述識別巡查，紅慶梁礦多次發(fā)現(xiàn)過煤柱內(nèi)部自燃煤幫升溫現(xiàn)象，在向煤體打鉆探測取氣樣，均檢測出有C2H4、C2H2和C3H8氣體出現(xiàn)，以此判斷煤體內(nèi)部呈自燃狀態(tài)，然后滅火。

本文中的“自燃早期預測”的目的，是判斷是否可以上升到“重點巡查”的環(huán)節(jié)，所謂重點巡查，就是已知危險的情況下，重新調(diào)配增加人員，多臺儀器并行，增加巡查時間，提高注意力，使巡查工作有的放矢。同時結合其他因素手段，如暫停柴油車工作，進行分段排查;重點排查老舊火區(qū)等。

5 結 語

1）利用井下監(jiān)測系統(tǒng)大數(shù)據(jù)篩選提取背景CO體積分數(shù)，以此預測自燃趨勢，彌補了單純用標志性氣體方法不顯現(xiàn)的問題，對超長煤巷隱蔽性自燃做出早期預判，使人工巡查工作有的放矢。用背景CO體積分數(shù)趨勢法，可為煤巷自燃提供比標志性氣體法更早期的自燃判讀。

作為一種輔助的分析手段和渠道，應該與人員巡查、標志性氣體跟蹤檢測，以及分布式光纖測溫系統(tǒng)（DTS）在線監(jiān)測等多手段聯(lián)合使用。方法更精準信息提取還有待于進一步完善。

2）背景CO體積分數(shù)篩查的時間單元盡可能取大，這里取1 d，滿足過濾掉柴油車尾氣強烈干擾的要求;根據(jù)最短發(fā)火期（一定折算比例）選取預測觀察期，根據(jù)已有自燃案例數(shù)據(jù)確定背景CO體積分數(shù)上升變化率臨界值，為超長煤巷自燃早期預報提供量化的依據(jù)。預判依賴礦井監(jiān)測系統(tǒng)，也為監(jiān)測系統(tǒng)管理提出更高的要求，保證監(jiān)測數(shù)據(jù)的真實性，尤其在CO超限期間，不能隨意調(diào)整監(jiān)測的數(shù)據(jù)。

3）煤自燃不是頻繁大量出現(xiàn)的事件，紅慶梁礦又是新投產(chǎn)礦井，尚不能用更多樣本對預判準確度做概率統(tǒng)計分析（文中未能給出），今后還需要不斷修正、總結和完善。

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（編輯 鄭 潔）