某礦工作面煤層自燃預(yù)警系統(tǒng)設(shè)計及應(yīng)用

張曉龍

(山西汾西礦業(yè)(集團)有限責(zé)任公司宜興煤業(yè)有限責(zé)任公司)

礦井安全生產(chǎn)監(jiān)控系統(tǒng)以及礦井束管監(jiān)測系統(tǒng)大多用于監(jiān)測煤炭自燃發(fā)火指標(biāo)氣體的濃度、產(chǎn)生的速率等，無法直觀反應(yīng)出監(jiān)測區(qū)域的煤層自燃氧化程度、高溫點的溫度[1-4]。為有效實現(xiàn)煤層自燃預(yù)警，本研究對某礦工作面煤層自燃預(yù)警系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計開發(fā)和應(yīng)用。

1 系統(tǒng)功能設(shè)計

1.1 煤層自燃預(yù)警系統(tǒng)構(gòu)成

本研究煤層自燃預(yù)警系統(tǒng)模塊如圖1所示。

1.2 軟件后臺部分構(gòu)成

軟件后臺部分的核心內(nèi)容是預(yù)警模型以及預(yù)報警指標(biāo)。本研究利用Java語言對煤層自燃預(yù)警指標(biāo)進(jìn)行編輯和描述，并將其轉(zhuǎn)化為計算機語言程序，系統(tǒng)在采集相關(guān)信息后便可利用該類程序進(jìn)行數(shù)據(jù)處理和顯示[5-7]。

1.3 軟件界面構(gòu)成

煤層自燃預(yù)警系統(tǒng)作為一個子系統(tǒng)鑲嵌于礦山預(yù)警預(yù)報智能決策支持平臺系統(tǒng)中，系統(tǒng)啟動后顯示登錄界面，登錄后進(jìn)入主窗口，主窗口包括多個子系統(tǒng)，用戶可點擊進(jìn)入煤層自燃預(yù)警系統(tǒng)。為了方便管理人員能夠獲取最主要的監(jiān)控信息，軟件界面主要顯示溫度、氣體實時變化曲線、預(yù)報警信息、監(jiān)測區(qū)域的自燃情況以及月度分析報告，如果需要查找歷史數(shù)據(jù)，可以點擊相應(yīng)的區(qū)塊，便可以進(jìn)入到相應(yīng)的下一級頁面中，進(jìn)而可以查詢、分析相應(yīng)區(qū)塊的歷史數(shù)據(jù)。

2 工作面預(yù)警信息采集

某礦主要采用KJ90NB礦井安全生產(chǎn)監(jiān)控系統(tǒng)以及KSS-2100束管色譜監(jiān)測系統(tǒng)。本研究煤層自燃預(yù)警系統(tǒng)主要是基于KSS-2100束管色譜監(jiān)測系統(tǒng)和KJ90NB礦井安全生產(chǎn)監(jiān)控系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計開發(fā)[8-9]。

(1)煤礦安全監(jiān)控系統(tǒng)。KJ90NB安全監(jiān)控系統(tǒng)通過各個傳感器，可以實時采集一些礦井安全生產(chǎn)信息，經(jīng)過一系列傳輸，可以呈現(xiàn)于顯示設(shè)備上，并且能夠生成一些報表，涉及到203206工作面的監(jiān)測數(shù)據(jù)有工作面溫度、瓦斯?jié)舛龋ぷ髅婊仫L(fēng)口風(fēng)速、瓦斯?jié)舛龋约肮ぷ髅鏀嚯娖魇欠裾９ぷ鞯取?/p>

(2)束管監(jiān)測系統(tǒng)。KSS-2100束管色譜監(jiān)測系統(tǒng)可以由計算機對其進(jìn)行控制，通過產(chǎn)生負(fù)壓達(dá)到抽取測點氣樣的目的，而后通過管路運送至色譜儀中，由色譜儀進(jìn)行分析檢測，并將檢測結(jié)果將反饋給計算機，再由計算機軟件對各類檢測數(shù)據(jù)進(jìn)行匯總。該系統(tǒng)主要監(jiān)測的氣體為O2、N2、CO、CO2、CH4、C2H6、C2H4、C2H2，可通過C2H6、C2H4氣體濃度計算出烷烯比的含量比值，即w(C2H4)/w(C2H6)。該礦20306工作面束管抽取氣體樣品的探頭主要安裝于采空區(qū)、回風(fēng)側(cè)、工作面中心位置以及工作面等。

(3)人工監(jiān)測。當(dāng)束管監(jiān)測系統(tǒng)出現(xiàn)故障后無法實現(xiàn)自動監(jiān)測時，或監(jiān)測結(jié)果不準(zhǔn)確時，一般采用人工監(jiān)測手段。人工監(jiān)測可以作為一種輔助性監(jiān)測手段，當(dāng)束管監(jiān)測系統(tǒng)的監(jiān)測數(shù)據(jù)出現(xiàn)一些不規(guī)律的數(shù)據(jù)，并且根據(jù)該類數(shù)據(jù)無法有效判斷煤層自燃情況時，應(yīng)采取人工采樣監(jiān)測手段。當(dāng)人工檢測數(shù)據(jù)與束管監(jiān)測數(shù)據(jù)對比出現(xiàn)較大差異時，應(yīng)檢查束管管路情況，檢查是否有損壞，或工作人員操作束管時的操作過程是否正確。

3 預(yù)警系統(tǒng)參數(shù)設(shè)置

3.1 預(yù)警值設(shè)置

本研究設(shè)計了煤層自燃預(yù)警系統(tǒng)預(yù)警點的預(yù)警指標(biāo)，并對預(yù)警信息進(jìn)行了分級，結(jié)果見表1。

表1 煤自燃預(yù)警系統(tǒng)預(yù)警指標(biāo)信息

3.2 無效氣樣剔除

束管監(jiān)測系統(tǒng)在實際運用過程中難免會有無效氣樣產(chǎn)生，為確保系統(tǒng)的預(yù)報結(jié)果更為準(zhǔn)確，有必要排除該類干擾數(shù)據(jù)。本研究運用特里克特比率Tr參數(shù)去排除一些干擾數(shù)據(jù)[4]，通過將該參數(shù)植入到束管監(jiān)測系統(tǒng)中，可以減少一些因無效氣樣引起的誤差數(shù)據(jù)。一般說來，Tr值不大于1.6，如果Tr大于1.6，應(yīng)對該數(shù)值對應(yīng)的氣樣進(jìn)行舍棄。

3.3 預(yù)警模型構(gòu)建

本研究設(shè)計的煤層自燃預(yù)警系統(tǒng)的工作流程如圖2所示。

圖2 煤層自燃預(yù)警系統(tǒng)預(yù)警模型工作流程

4 20306工作面應(yīng)用效果

(1)系統(tǒng)測試內(nèi)容。①分析煤層自燃預(yù)警系統(tǒng)是否能夠及時獲取束管監(jiān)測系統(tǒng)和安全監(jiān)控系統(tǒng)的監(jiān)測數(shù)據(jù)，且不會提取一些錯誤信息，長時間運行時系統(tǒng)運行是否可靠；②測試系統(tǒng)的分析結(jié)果是否能夠及時通過界面進(jìn)行顯示，顯示效果是否能夠達(dá)到設(shè)計要求，點擊相應(yīng)的模塊能否進(jìn)入對應(yīng)的下一級菜單；③測試系統(tǒng)分析結(jié)果是否可靠，通過現(xiàn)場復(fù)雜環(huán)境的測試，分析系統(tǒng)的測試結(jié)果是否符合工作面煤層自燃實際情況。

(2)運行測試流程。首先測試系統(tǒng)界面的顯示情況，采空區(qū)溫度曲線、預(yù)警指標(biāo)氣體濃度曲線以及預(yù)警報警情況是否能夠正常顯示，點擊進(jìn)入該類區(qū)塊后能否顯示各自的歷史數(shù)據(jù)；其次測試系統(tǒng)能否在特定的數(shù)據(jù)庫中正常獲取數(shù)據(jù)，以及提取數(shù)據(jù)的間隔時間是否符合設(shè)計要求；然后分析系統(tǒng)監(jiān)測分析結(jié)果與人工分析結(jié)果是否一致，在設(shè)定指標(biāo)達(dá)到預(yù)警級別后，系統(tǒng)是否能夠按照預(yù)先設(shè)計的預(yù)警流程進(jìn)行預(yù)警；最后該系統(tǒng)能否正常產(chǎn)生分析報告，分析報告是否符合設(shè)計要求。上述功能測試完畢后，使系統(tǒng)長期處于運行狀態(tài)，檢測個模塊之間的相互配合情況。

(3)測試結(jié)果。①系統(tǒng)預(yù)警功能，聯(lián)機運行時，通過KJ90NB安全監(jiān)控系統(tǒng)監(jiān)測到20306工作面采空區(qū)回風(fēng)流CO濃度為2×10-6，通過束管系統(tǒng)監(jiān)測到的采空區(qū)回風(fēng)側(cè)CO濃度為1.97×10-6，此時判斷煤體沒有發(fā)出自燃氧化反應(yīng)，在系統(tǒng)測試的時間段內(nèi)，20306工作面一直處于正常生產(chǎn)狀態(tài)，有時能夠檢測出少量CO，但一直未能達(dá)到預(yù)警點，因此，對于系統(tǒng)預(yù)報警點設(shè)置的合理性仍需進(jìn)一步驗證；②系統(tǒng)運行穩(wěn)定性，系統(tǒng)在井下不間斷運轉(zhuǎn)了一段時間，期間采集了大量的煤層自燃氧化特征參數(shù)，并對其進(jìn)行了分析和儲存，系統(tǒng)各功能模塊都能夠正常運轉(zhuǎn)，系統(tǒng)運行比較穩(wěn)定。

5 結(jié) 語

對某礦KSS-2100束管色譜監(jiān)測系統(tǒng)和KJ90NB礦井安全生產(chǎn)監(jiān)控系統(tǒng)進(jìn)行了有機集成，開發(fā)了工作面煤層自燃預(yù)警系統(tǒng)，實現(xiàn)了煤層自燃預(yù)警的關(guān)鍵功能，主要包括煤層自燃特征信息采集與監(jiān)測、煤層自燃火災(zāi)預(yù)警、系統(tǒng)分析與報表等，能夠?qū)崟r監(jiān)測煤層自燃氧化情況，系統(tǒng)各功能模塊都能夠正常運轉(zhuǎn)，系統(tǒng)運行穩(wěn)定性較好。