采空區煤自燃多參數監測系統的設計與應用*

陳佩佩

(天地(常州)自動化股份有限公司， 江蘇 常州 213015)

0 引言

我國煤礦大多存在煤自燃發火的危險，其中采空區自燃發火占多數。近年來，隨著礦井開采強度的增大，采空區范圍不斷擴大，采空區煤自燃火災現象日趨嚴重，由煤自燃火災誘發的瓦斯、煤塵爆炸事故時有發生，嚴重影響煤礦的安全生產[1]。由于采空區區域的特殊性及復雜性，自燃發火監測至今尚未得到圓滿解決。

目前對煤礦火災的監測方法主要有電阻率法、氣體探測法、紅外探測發和自燃溫度探測法等，但均不能滿足煤礦火災預警的需要。經反復分析研究,設計了一套煤自燃多參數監測系統,該系統集CH4、O2、CO2、CO氣體多參數測量以及分布式光纖測溫于一體，可對火災信息進行全面監測，判定煤自燃程度并確定發火位置，實現對采空區多參數的實時監測及在線報警功能。

1 系統架構及工作原理

1.1 系統架構

采空區煤自燃多參數監測系統對采空區溫度和氣體進行監測，其工作原理如圖1所示。該系統由地面監控主機及上位機軟件、傳輸網絡、采空區煤自燃多參數監測裝置、分布式測溫光纖、束管監測部分等組成。

圖1 采空區煤自燃多參數監測系統工作原理

采空區煤自燃多參數監測裝置包括:本質安全型電源、控制器、氣體傳感器(CH4、O2、CO2、CO)、負壓傳感器、顯示屏和測溫主機等。

1.2 工作原理

控制器通過設定的邏輯控制電磁閥和抽氣泵選擇氣路進行氣體采樣，采集的氣體首先吸入束管，由9選1管路控制閥進行氣路選擇，再通過束管送入氣室進行氣體分析，最后由抽氣泵排出。通過標校氣路送入標校氣樣，控制器向傳感器傳輸標校值完成標校工作。傳感器采集氣室內CO、CO2、瓦斯和O2等環境參數濃度及抽氣泵前端的負壓值，將檢測結果通過RS-485通信傳給控制器，再由控制器通過另一路RS-485通信傳給上位機，同時通過RS-232通信傳給測溫主機,在液晶顯示屏上進行氣體濃度、氣路壓力、當前通道號及狀態等信息的顯示。測溫主機完成采空區測點的分布式溫度采集，并將溫度信息通過傳輸接口傳輸給上位機，同時顯示溫度曲線等信息。控制器接收遙控信號后配合測溫主機在液晶屏上顯示，可在不開蓋的情況下實現人機交互。

2 監測系統軟件

采空區煤自燃多參數監測系統軟件主要由數據通信模塊、系統管理模塊、火災監測模塊、火災預警模塊和分析與報表模塊5個功能模塊組成。軟件以煤礦火災監測數據為基礎，可實現礦井火災預警，減少誤報、漏報。系統通過自定義模型、設定流程、調用外部處理程序和修改參數等方式，實現預警算法的預設定，可解決因不同礦井在不同情況下采用的預警算法不同而限制軟件應用范圍的問題，便于根據現場應用情況優化算法,提高預警精度。系統可根據礦井火災危險程度，結合火災地點和生產情況，自動生成火災應急處理方案。

3 采空區煤自燃多參數監測裝置的特點

采空區煤自燃多參數監測裝置作為采空區煤自燃監測預警系統的核心設備，主要采用集光纖測溫和束管監測氣體相結合的方法，對采空區內部氣體進行大范圍的監測，并借助束管監測的方法，實現對光纖測溫盲區監測的補充，避免出現光纖測溫無法監測到的區域內出現自燃時系統感應不到的情況。

該裝置結合溫度和氣體監測的多種參數數據，為現場多模感溫光纜提供激光脈沖信號，并采集散射光信號進行分析，輸出光纜沿線的溫度數據和位置信息。內部負壓抽氣裝置外部延伸到采空區的管路,將采樣點的氣體抽取到隔爆兼本質安全型腔內部的氣體分析室進行分析。系統將溫度和氣體分析的結果轉化為電信號，可在井下通過液晶屏實時顯示，通過井下環網傳輸到地面監測中心,這樣既解決了傳統溫度傳感器成本高、難布置、測點少等難題，又解決了傳統束管監測系統距離長、易漏氣、取樣時間長、測點少、安裝成本高等問題。

4 監測系統示范工程建設

采空區煤自燃危險發火區域與井下煤炭的開采方式有關，目前常用開采方式有一次性采全高和放頂煤開采。對于一次性采全高方式，采空區內部遺煤量相對較少，進回風巷道和開切眼及綜采線會有大量的遺煤量。煤自燃不僅與煤自身的氧化性和放熱性有關，還與漏風供氧和蓄熱環境密切相關。放頂煤開采方式進回風巷道頂部無法放煤，采空區內部遺煤量較大，且頂板的垮落無法壓實，存在漏風通道，為煤自燃發火創造了條件，危險性較大[2-5]。除此之外，隨著礦井開采強度加大，采空區范圍不斷擴大，特別是綜采放頂煤采煤法推廣應用后，放頂煤開采方式難以保證頂煤全部開采，采空區留有大量浮煤，煤自燃火災尤為嚴重，由于采空區遺煤高溫點位置的隱蔽性與不易確定性，在氧氣濃度合適且蓄熱效果好的條件下極易發生自燃[6]。基于以上分析，放頂煤開采采空區煤自燃多參數監測系統監測危險區域分布如圖2所示。

圖2 放頂煤開采采空區煤自燃多參數監測系統監測危險區域分布

采空區煤自燃多參數監測系統采用光纖測溫和束管監測的方式，對煤自燃火災時產生的多種物理參量進行監測，根據不同的煤自燃特征物理參量，采用多參數監測的方法，提取有效和準確的信息，建立煤自燃預警模型，作為煤自燃診斷和預警判據，實現正確識別、預警的目的。采空區各測點現場布置方案主要由分布式光纖測溫布置方案和氣體測溫布置方案組成。

采空區內部溫度測點布置在易發生自燃的區域，放頂煤開采進回風巷道遺煤量較多，容易形成蓄熱環境，極易發生自燃，因此,必須在采空區兩巷布置測溫光纖以監測煤自燃危險程度[7]。運輸巷和回風巷之間順煤層掘進的巷道推進速度慢，自燃發火危險性較大，需布設一條L型光纖以監測開采過程中的自燃情況。當推進一定距離后處于基本穩定狀態，隨著推進速度的提升，需布置第二條L型光纖,為后續正常開采提供保證。當工作面到達終采線區域時，推進速度較慢，此時根據實際煤礦自燃發火情況，每隔20 m布置一條光纖。

由于采空區內存在巷道高冒頂,易出現破碎煤柱落下等惡劣情況，布置的光纖很容易被破壞，故需對測溫光纖進行重點防護。設計了一種采空區煤自燃分布式測溫光纖的防護裝置，包括鋼管和與鋼管相連通的軟管，鋼管的外徑大于軟管的內徑，軟管的端部套設在鋼管端部的外側。在鋪設分布式測溫光纖時，在密封墻、停采線撤架位置以及采空區內部等特殊位置設置與鋼管相連通的軟管。在布置分布式光纖測溫時，在一般區域鋪設銅管。軟管柔韌性好,具備良好的導熱性能，可以在井下特殊位置進行彎曲、盤繞，對測溫光纖起到一定的保護作用。鋼管的導熱性好，便于在管內設置冗余盤，預留光纖，便于施工作業。

根據采空區內氣體運移規律，采空區煤自燃多參數監測系統在選取氣體測點布置位置時,應優先選擇煤自燃危險性大、測點穩定性好、監測靈敏性強、測點可操作性好的位置。 在井下工作面區域，無論采用上行通風還是下行通風，上隅角都容易積聚瓦斯等有害氣體，該位置需要設置氣體測點，以監測采空區內煤自燃發火以及瓦斯分布情況， 安裝時需要將測點吊掛在液壓支架上,以避免影響煤層正常開采。工作面中部的氣體測點視工作面長度和煤礦自燃發火嚴重程度而定，一般間距60～100 m布置2～4個測點，吊掛在液壓支架上隨著工作面前進。重點在采空區回風側布置測點，在采空區內部流場匯流區域的不同位置布置多個測點，可增加有效測點的選擇性，更好地應對通風狀況變化導致的指標氣體濃度突變以及濃度太低無法檢測等問題。

采空區煤自燃多參數監測系統在龍礦集團梁家煤礦進行示范工程的建設，完成了系統軟硬件的現場安裝與調試，同時建成了梁家煤礦煤自燃火災束管監測系統，建成礦井火災綜合監測預警示范工程，從多方面獲得關于煤自燃現象的多維信息，并加以融合利用，更有利于對煤自燃火災進行準確的識別和判定。將信息融合技術應用于煤自燃火災預警系統，充分利用多維信息，完成對煤自燃火災的監測和預警，降低誤報率和漏報率，使系統更加靈敏、可靠，提高了預警系統的穩定性和可靠性。

5 結論

1) 系統提出的分布式光纖測溫及氣體檢測技術，解決了目前煤礦行業對采空區煤自燃監測參數單一的問題，可實時動態監測井下采空區、巷道及工作面溫度及氣體變化情況。

2) 分布式光纖采集溫度可以確定發火點位置，解決了以往通過溫度傳感器單點監測成本高、監測范圍小、監測范圍有限等問題。采用氣體多參數監測裝置監測CO、CH4、O2、CO2氣體濃度，可解決現有方式監測種類單一、監測數據少、不能實時在線監測、束管監測系統管路長、易漏氣、無法監測溫度等問題。

3) 該系統可為深入研究煤礦采空區發火機理，掌握自燃發火預警規律提供有效技術手段，對煤礦采空區監測及控制有著現實意義。通過該系統可以全面提高采空區煤自燃發火識別與預警的時效性、準確性和可靠性，可提升礦井火災防治水平，保障礦井安全生產。