礦井煤層自燃多參數監測系統的實踐

李光輝

(山西壽陽潞陽瑞龍煤業有限公司 山西 晉中 045400)

0 引言

中國多數礦井煤炭開采過程中受到煤炭自燃影響，其中以采空區自然發火最為常見[1]。加之煤炭開采不斷加深，礦井采空區面積不斷加大，采空區出現煤層自燃現象更為嚴峻，由于煤層自燃帶來的煤塵、瓦斯爆炸等事故逐漸增加，給礦井生產安全帶來不利影響[2-4]。由于采空區被冒落矸石填充，內部結構特殊且復雜，對于采空區發火監測研究越來越得到重視[5]。

目前，對于煤層自燃監測采用的技術方法以氣體探測、溫度探測、電阻率法及紅外探測為主，但都存在監測指標單一、探測精度不高等問題，不能起到對煤層自燃準確預測以及提供先期防治有效的預警作用[6-8]。文中在對相關研究者研究的基礎上[9-13]，根據生產實際需要，經過綜合分析，設計了一種集氣體探測、溫度探測為一體的綜合檢測系統，實現對回采范圍內的O2、CO、CH4、CO2等氣體采空區內溫度探測，從而實現自燃煤層采空區多參數在線監測及預警，還可以對判定采空區遺煤自燃以及發火點位置提供依據，為礦井生產提供有效安全保障。

1 系統構成及監測原理

1.1 系統構成

設計的多參數監控系統結構框架如圖1所示，整個監控系統分為安全監控系統、束管監測系統以及溫度監控系統3部分，具體硬件設施包括有供電電源、工業顯示屏、測溫主機、傳感器、測溫光纖、預警裝置、束管監測裝置等構成。可以實現對采空區內溫度、氣體成分(O2、CO、CH4、CO2)實時在線監測。

1.2 監測原理

監控系統控制器通過預先設定邏輯控制抽氣泵動作(圖1)，抽進氣體通過9選1管路控制閥選擇合理管路進入到本安腔進行氣體成分分析，實現對采空區內O2、CO、CH4、CO2等成分監測，傳感器監測結果通過RS 485通信網絡傳輸至控制器，并經由另一RS 485通信網絡傳輸至上位機；測溫主機通過分布式測溫光纖實現對采空區溫度監測，并將監測結果通過視頻接口傳輸給工業顯示屏、傳輸接口傳輸給上位機以及RS 232通信網絡傳輸給控制器。上位機可顯示監測到的采空區氣體成分及溫度。

圖1 多參數監控系統結構框架

2 監控軟件

煤層自燃多參數監測系統具體分為信息通信模塊、監控預警模塊、分析及報表模塊、管理模塊等。監控軟件以監測系統監控的氣體成分、溫度等數據為基礎，實現對自燃煤層發火傾向性分析、預警工作，減少出現漏報或者誤報概率。監控軟件通過自定義監控模型、工作流程、外部處理程序調用以及監控參數修改的方式實現火災監控算法預設，解決不同礦井不同條件下同一種預警算法存在的弊端，提高監控系統適用范圍及監控精度。監控系統根據監測結果判定井下采空區煤層自燃危險程度，并提出一些火災處理建議。

3 煤層自燃多參數監測系統特征

多參數監控裝置是煤層自燃多參數監控系統核心組件，將束管監測及光纖溫度監測相結合，實時監控氣體成分、溫度變化，避免單一監測方式存在的弊端。該監控裝置結合氣體、溫度監測結果，為布置的多模塊感溫光纜提供脈沖信號，并根據反射的光信號對溫度異常點及位置進行確定。束管布置在采空區內部，通過負壓泵將采空區內抽出至本安腔內進行氣體成本分析。監控系統將氣體成分、溫度監測結果從模擬信號轉換成電信號，不僅可以在井下工業顯示屏上顯示，而且通過工業通信網絡將監測結果傳輸至地面監控中心。采用煤層自燃多參數監測系統不僅解決了傳統采空區溫度傳感器布置成本高、布點困難、測點少的問題，而且也解決了傳統束管監測系統負壓氣體傳輸距離長、管路漏氣、監測周期長、成本高昂等問題。

4 應用實踐

自燃煤層采空區出現自燃與回采工作面采用的開采方法密切相關，現階段礦井主流煤炭開采方式是綜采開采、綜放開采。綜采開采采空區內遺落煤炭較少，但在回采巷道以及切眼等位置處會遺留有煤炭。采空區內遺煤出現自燃不僅與自身氧化性有關，還與蓄熱環境及漏風供氧等密切關聯。采用綜放開采，回采巷道頂板煤炭無法回采，在采空區內遺落大量煤炭，且頂板無法有效壓實，存在較大漏風隱患，給自燃煤層氧化發火創造條件，具有較大自燃危險性。同時隨著礦井開采的不斷推進，井田采空區面積不斷增加，特別是采用綜放開采礦井，采空區遺落大量浮煤，遺煤自然發火危險性更為嚴重，加之采空區內遺煤自然發火區隱蔽性強，不易確定具體位置，在氧氣及蓄熱條件適合情況下，極易引起煤的自燃。基于上述分析，采用煤層自燃多參數監控系統監控采空區內遺煤自燃情況，系統布置如圖2所示。

圖2 多參數監控系統布置示意

監控系統在結合束管監測及溫度監測，對遺煤氧化自燃時多重指標進行監控，根據礦井開采煤層性質差異，采用不同的監測手段及監測方法，提取有效的監控信息，構建合理的遺煤氧化自燃預警模型，為遺煤自燃預警提供依據。在采空區內布置監控系統主要是由測溫光纖及束管氣體成分監控構成。

4.1 測溫光纖布置

由于煤導熱率較低，在采空區的遺煤分散均衡，不利于熱量傳導，若僅僅布置幾個測溫光纖很難實現對采空區內遺煤自燃引起的溫度變化監測。因此，監測系統布置多條測溫光纖構成的監控網絡對采空區內溫度變化進行監控，測溫光纖布置方案直接影響到采空區內遺煤監測效果及精度。若測溫光纖布置過于稀疏，發熱點距離測溫光纖距離較遠測溫光纖無法監測到發熱點溫度變化或者經過較長時間后方可監測到溫度異常；若測溫光纖布置間距過小，雖然有利于對采空區內溫度異常點確定，但是隨著采空區面積增加，監測成本難以承受。

采空區溫度異常監測首先應布置在容易出現煤層自燃區域，如回采巷道側遺煤量多，容易形成蓄熱環境，是引起遺煤自燃的高發區域，因此，應在回采巷道兩側布置測溫光纖，監控采空區；采面收尾期間回采推進速度較慢，應根據礦井開采煤層自然發火性每隔20 m布置一道測溫光纖。在采空區內布置測溫光纖在頂板巖層出現冒落時很容易造成損壞，因此，需要對測溫光纖進行保護。因此，設計了一種由鋼管、軟管等構成的測溫光纖保護裝置，對采空區內布置的測溫光纖進行保護。

4.2 氣體成分監控布置

采面通風難以避免會向采空區漏風，根據采空區內氣體流動特點，本著監測布置操作性強、靈敏度高、穩定性好等原則，在測點選擇時應布置在采面采空區回風側、采面回風巷上隅角、回風巷以及采面中部。采面中部布置測點時應根據煤層自然發火危險程度確定，一般間距30～40 m，將測點布置在液壓支架上隨架移動；監控重點應放在采空區回風巷上，在采空區內多個流場匯集區域應布置多個測點，提升測點測量效果，降低由于通風影響導致煤層自燃標志性氣體濃度突變或者濃度過低而無法監測的情況發生。

4.3 應用效果

設計的自燃煤層多參數監控系統在山西某礦12306采面應用監測，并對監控系統硬件、軟件系統進行調試。建成的自燃煤層多參數監控系統可以從多個維度獲取采空區煤層自燃信息，通過對監控信息進行綜合分析研判，有利于自燃煤層采空區發火位置以及火情綜合確定，避免傳統火災監控系統誤報率、漏報率高等弊端，監控系統將氣體成分變化及溫度變化多個指標作為火災預警參數，從而使得監控系統監測更為靈敏，監測結果更為可靠。

5 結論

(1)設計的采空區遺煤自燃多參數監控系統將束管監測與溫度監測相結合，避免傳統單一監測方式存在的弊端，設計的監控系統可以對采面采空區、回采巷道以及回采工作面對溫度、氣體成分變化情況進行實時在線監控。

(2)采用分布式測溫光纖可以實現采空區遺煤氧化發熱點進行確定，解決傳統感溫傳感器監測范圍小，監測成本高問題；采用多氣體監測裝置實現井下對O2、CO、CH4、CO2等成分監測，解決傳統束管監測管路長、不能實時監測、監測結果精度偏低問題。

(3)設計的多參數監控系統在深入研究采空區遺煤發火機理，提高礦井火災預警能力等方面均有一定的促進作用，監測結果可靠性及精準度高，可以在一定程度上提升礦井火災防治能力。