煤礦采空區自然發火多參數監測與預警系統設計

天地（常州）自動化股份有限公司 吉才睿

礦井火災是指發生在煤礦井下巷道、工作面、硐室、采空區等地點的火災。能夠波及和威脅井下安全的地面火災，也叫礦井火災。礦井火災一旦發生，則容易引發瓦斯、煤塵等爆炸事故，甚至造成人員傷亡。因此，煤層采空區內煤炭的自然發火監測預警對于減少煤礦火災發生、瓦斯突出爆炸等安全事故，確保煤礦安全具有重要意義。

1 采空區自然發火監測現狀及多參數監測必要性

煤層自燃監測就是在煤層開采后，采空區煤層在自然環境中的升溫、煤層氣體逐漸釋放，通過分析氣體濃度及溫度變化情況判斷煤層是否達到自燃條件，判斷煤層高溫位置，實現煤自燃實時監測、預報，并在煤層自燃之前給出報警。它是礦井火災預防與處理的基礎，是礦井煤層火災防治的關鍵，具有非常重要的地位。

井下采空區煤要發生自燃必須具備以下四個條件：

?具有低溫氧化性，即有自燃傾向的煤以破碎狀態存在；

?有大于12%氧含量的空氣通過采空區煤層；

?空氣流動速度適中，使破裂煤體有積聚氧化熱的環境；

?在上述3個條件同時具備的狀態下，持續一定的時間，使煤體可以達到著火溫度。

采空區自然發火監測現狀及多參數監測與預警系統主要針對采空區煤的氣體濃度分析及采空區溫度變化分析，在滿足以上4個自燃條件之前給出預報。

1.1 采空區自然發火監測現狀

煤自然發火的早期預報方法主要有氣體分析法、測溫法、傳感器測定法、紅外測定法、數值模擬法等，但遠遠無法滿足現代化礦井自動化生產的需要。目前國內大部分煤礦主要利用礦井火災束管監測系統和安全監測監控系統對礦井氣體參數監測，對火災進行預報。

在煤礦的實際應用中，煤礦火災束管監測系統的應用現狀不是特別好，無法發揮到最大的作用，究其原因，主要有以下幾個方面：

1）監測數據具有一定的時滯性。氣相色譜儀本身特性決定了要分析一個氣體單樣，其分析的時間長,從目前國內監測路數為20路來計算，要完成一個氣體采樣監測循環需要的時間都要超過10分鐘。單樣氣體分析結果一般都是10min之前的數據，監測軟件平臺分析并沒有考慮到氣體時間滯后的問題, 因此所分析的氣體結果并非當前監測點實時狀態, 無法達到實時分析要求。

2）井下管路漏風和空氣濕度、溫度對分析精度的影響。

煤礦火災束管監測系統作為一種氣體分析系統，要求采樣氣體必須純正，中間管路必須完全封閉，中間不允許出現管路側漏，否則就會出現監測樣品數據不精確。無法準確分析監測點氣體濃度比例。因此需要大量時間去維護束管監測管路，避免出現側漏，因為一旦管路出現漏點，采用氣體的濃度比例則不準確，同時在抽氣泵抽氣的過程中，采樣氣體的濕度也會相應增加。由于束管需要長距離鋪設，一旦出現管路側漏，則不容易尋找出氣體側漏點，導致所有分析氣體均不準確。目前的礦井火災束管監測系統的抽氣方式都是采用負壓抽取式，通過地面真空泵的運轉，使束管監測管路內部呈現負壓狀態，最終將監測點氣體抽入束管管路，輸送至束管色譜儀進行分析。因此，束管一旦出現側漏，則束管色譜儀分析樣品的結果與實際的氣體濃度值會差別很大。另外，井下空氣溫度，濕度等都能對氣體樣品分析精度產生較大的影響。

1.2 多參數監測系統及分布式光纖測溫的提出

現有的束管監測技術一般只實現了火災氣體指標濃度的在線監測，功能尚未完善，只具有單指標超限報警功能，缺少引起煤自燃的一個關鍵因素—溫度。礦井火災監測預報系統獨立運行，信息相互獨立、共享差，無法對火災發生條件全部信息的采集，無法準確判定火災位置。目前還沒有一套針對采空區CH4、CO2、CO、O2氣體以及溫度的比較完善的煤自燃火災監測系統，可以說采空區煤自燃多參數監測系統及分布式光纖測溫目前處于空白狀態。如何在現有煤自燃監測、預報技術的基礎上，進一步對數據進行挖掘，提高煤自燃預報準確度和可靠性。為此，針對目前礦井煤自燃火災監測預報系統的不足，提出開展煤自燃多參數監測及分布式光纖測溫技術研究，全面提高采空區煤自然發火識別與預警的時效性、準確性和可靠性，對提升礦井火災防治水平，保障礦井安全生產具有重大意義。

2 采空區自然發火多參數在線監測與預警系統設計

采空區自然發火多參數在線監測系統通過氣體束管將采空區中的某個監測點氣體抽取到井下多參數分析及分布式光纖溫度監測主機中，分析采樣氣體濃度（主要包括氧氣，一氧化碳，二氧化碳，甲烷等），以及通過分布式光纖監測采空區內的溫度分布情況，地面數據分析中心對煤層綜合氣體的濃度和測溫點溫度的變化對采空區煤層的氧化過程進行分析并進行采空區自然發火的早期預測。采空區自然發火多參數在線監測與預警系統設計能夠對井下的采空區的氣體成分、濃度變化以及測點溫度分布實現有效的實時監測，并井下多參數分析及分布式光纖溫度監測主機分析后上傳至地面監測中心對采空區煤層的氣體及溫度發展進行預測，實現了采空區煤層自燃預測預報的智能化、自動化。本系統由于將氣體分析和溫度監測裝置集合為一體直接布置在井下，大大縮短了氣體抽樣管線和測溫光纖的長度，提高了數據分析的準確性和實時性，降低了系統維護的工作量。當井下多參數監測主機監測到的氣體監測濃度異常時，可以采用人工采樣或現有束管監測系統采集到井上分析烯炔類氣體含量，這一工作模式克服了當前多數礦井直接使用氣相色譜分析儀對束管采集的樣本進行分析的繁重工作和分析能力的限制，真正實現了束管實時分析的功能，并且節約了大量的束管鋪設，節省了大量的人力和物力。

3 重點監測點設置

根據采空區自然發火的特點，需要對整個采空區的自然發火情況進行長期監測，因此溫度觀測點和氣體觀測點設置如下：

1)工作面兩順槽布置分布式測溫光纖。

2)采空區布置氣體采集管路，隨工作面推進每隔一定距離布置一個采樣點；埋入采空區的束管采取措施加以保護。

4 主要功能

1）利用數據分析煤礦采空區某一個監測點氣體含量在一段時間內變化情況，并根據氣體變化情況得出分析曲線；

2）氣體自動采用和分析功能：井下監控主機可對多個采樣點自動巡回采樣，并對氣體進行濃度分析；

3）分布式光纖測溫功能：井下監控主機可支持四路測溫光纖輸出，對采空區溫度實現無源分布式測量；

4）聲光報警功能：井下監控主機支持外接聲光報警器，在出現報警情況時自動啟動聲光報警，提醒現場作業人員。

5）火災預警功能：通過分析煤礦各組監測點氣體濃度、甲烷氣體濃度比列以及溫度的計算，及時準確的反映煤礦采空區自然發火情況，提前給出預警；

6）歷史數據查詢功能：為防滅火提供各種數據；

7）具有報表分析、歷史曲線、儲存及打印功能。能夠分析各組氣體日報、月報、檢測譜圖報表、氣體含量變化趨勢報表等，掌握氣體變化情況。

5 結語

以“預防為主、防治結合”的思想，充分結合煤礦采空區情況，積極采用光纖測溫技術、多參數氣體分析技術，借鑒國內外先進的設計理念以及束管監測系統在煤礦上的應用經驗，設計出具備先進技術的礦井采空區自然發火多參數在線監測與預警系統，將采空區光纖測溫與多參數分析技術相結合，確保煤礦井下氣體參數分析的準確性及井下溫度變化規律性，充分發揮煤礦采空區火災源頭在達到起火點之前將其抹殺。從而保障煤礦生產和職工人身安全，防止煤礦火災事故的發生。