礦井采空區(qū)自然發(fā)火在線監(jiān)測系統(tǒng)技術(shù)

常 哲，李趙巖，王海峰

(陜西黃陵二號煤礦有限公司，陜西 延安 727307)

0 引言

火災(zāi)作為煤礦“五大災(zāi)害”之首，礦井火災(zāi)一旦發(fā)生，輕則影響礦井正常生產(chǎn)，重則燒毀煤炭資源和物資設(shè)備，甚至引發(fā)瓦斯、煤塵爆炸等系列災(zāi)害的發(fā)生，因此，采空區(qū)自然發(fā)火檢測技術(shù)顯得尤為重要。近年來，眾多專家從礦井發(fā)生自燃位置、引發(fā)自燃的因素和產(chǎn)生自燃的條件等方面做了深入的研究[1-3]。郁亞楠等[4]形成了“三位一體”的預(yù)測預(yù)報技術(shù)”；宋澤陽等[5]建立了風(fēng)力和浮力驅(qū)動下煤堆的多場耦合自燃發(fā)火模型，對影響煤堆的孔隙率、高度和角度的減小，達(dá)到能延長煤堆的自然發(fā)火周期的效果。疏義國等[6]采用自然發(fā)火試驗(yàn)方法分析了煤自燃的特點(diǎn)及規(guī)律，進(jìn)行了現(xiàn)場實(shí)踐。謝中朋等[7]依照采空區(qū)遺煤自燃特點(diǎn)，從增強(qiáng)通風(fēng)管理、氣體與溫度檢測、均壓、灌注三相泡沫等方面，制訂了遺煤自燃防控體系。針對巷道不同距離的輻射能量場與高溫點(diǎn)的對應(yīng)關(guān)系，建立BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)預(yù)測模型，對氣樣進(jìn)行定性和定量分析，預(yù)測煤自然發(fā)火狀況，并得出劇烈氧化的臨界判別指標(biāo)[8-10]。但對實(shí)時監(jiān)測的研究較少。因此，開展礦井采空區(qū)自然發(fā)火在線系統(tǒng)監(jiān)測技術(shù)具有很強(qiáng)的必要性。

針對黃陵二號煤礦四盤區(qū)采掘生產(chǎn)過程中已經(jīng)多次發(fā)生過油型氣涌出事故，實(shí)時監(jiān)測礦井發(fā)火狀況的變化尤為重要。因此，進(jìn)行礦井采空區(qū)自然發(fā)火在線系統(tǒng)監(jiān)測技術(shù)的研究，能夠準(zhǔn)確掌握采空區(qū)的溫度和氣體濃度，對發(fā)火點(diǎn)及時采取搶救措施，將損害降到最低，預(yù)防自然發(fā)火，意義重大。

1 工程背景

1.1 礦井概況

黃陵二號煤礦處于黃陵礦區(qū)中深部，屬于高瓦斯礦井，主要回采2號煤層，煤層厚2.8～7.2 m[11]。地質(zhì)勘探過程發(fā)現(xiàn)存在天然氣或煤層氣逸出現(xiàn)象。礦井覆巖從瓦窯堡組、富縣組、延安組到直羅組上、下段的砂巖中均發(fā)現(xiàn)有油氣，目前礦井采用對角式通風(fēng)。2012年經(jīng)中煤科工集團(tuán)重慶研究院進(jìn)行煤層自燃傾向性鑒定黃陵二號煤礦為Ⅱ類自燃煤層，煤塵具有爆炸危險性。

通過煤樣分析，2號的煤自燃分為3個階段：第1階段，煤在低溫的條件下，氧化過程十分隱蔽，放出的熱量少；第2階段，自熱溫度升高至70～80 ℃時，氧化急劇加快，使煤的溫度迅速升高至300～500 ℃，并伴隨燃燒現(xiàn)象；第3階段，當(dāng)溫度到達(dá)800～2 000 ℃時，煤出現(xiàn)明火現(xiàn)象，為燃燒期。因此，在工作面回采過程中對溫度實(shí)時監(jiān)測，將煤的自燃抑制在第1階段，具有重要意義。

1.2 傳統(tǒng)監(jiān)測存在的缺陷

根據(jù)傳統(tǒng)的氣相色譜式礦井束管監(jiān)測系統(tǒng)對礦井CO、CO2、CH4、O2、C2H6、C2H2、C2H4、H2、N2等氣體濃度監(jiān)測，屬于礦用地面一般性[12-13]。該系統(tǒng)要求監(jiān)測技術(shù)人員有很強(qiáng)的責(zé)任心，且抽氣管路長，導(dǎo)致抽氣時間長；因采空區(qū)的氣溫較高、大巷溫度較低，當(dāng)氣體從采空區(qū)達(dá)到大巷時，易導(dǎo)致部分水凝結(jié)，積存于管路中“低洼”位置，影響監(jiān)測氣體的通過，出現(xiàn)堵塞或截斷現(xiàn)象不易發(fā)現(xiàn)。此外，色譜分析儀分析周期長、精度低：色譜分析儀分析一個氣樣從主泵氣流經(jīng)采樣泵最終到達(dá)井上分析儀的時間周期大約1 h，而多通道的氣體采樣周期更長；每天監(jiān)測次數(shù)為1～2次，監(jiān)測的差異性較大；同時監(jiān)測不具連續(xù)性，對分析監(jiān)測點(diǎn)氣體變化規(guī)律難以掌握。因此，該系統(tǒng)不能滿足黃陵礦區(qū)智能化建設(shè)的生產(chǎn)需求。

2 采空區(qū)氣體監(jiān)測系統(tǒng)

綜合考慮礦井生產(chǎn)條件，以原有監(jiān)測缺陷為突破點(diǎn)，以智能化建設(shè)需要為抓手，針對礦井“五大”氣體的運(yùn)移特征分析，采用光纖多氣體束管監(jiān)測，實(shí)現(xiàn)煤礦井下采煤工作面、采空區(qū)等場合的多種氣體濃度的在線檢測及分析。

2.1 在線監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計

采空區(qū)及工作面等場所采用一支多氣體傳感探頭可完成濃度的在線監(jiān)測，井下變電所內(nèi)的監(jiān)測分站通過交換機(jī)設(shè)備接入工業(yè)以太網(wǎng)，實(shí)時監(jiān)測的數(shù)據(jù)經(jīng)過環(huán)網(wǎng)傳輸?shù)降孛嬲{(diào)度室內(nèi)煤礦自然發(fā)火光纖綜合在線監(jiān)測系統(tǒng)主機(jī)。礦井氣體在線監(jiān)測系統(tǒng)布置如圖1所示。其中氣體傳感探頭結(jié)合束管及取樣的裝置控制，可測試多個監(jiān)測點(diǎn)的多種氣體濃度數(shù)據(jù)。地面主機(jī)既作為數(shù)據(jù)服務(wù)器，同時監(jiān)測數(shù)據(jù)在工業(yè)環(huán)網(wǎng)內(nèi)發(fā)布，保證環(huán)網(wǎng)內(nèi)各個分站和監(jiān)控主機(jī)都能隨時查閱系統(tǒng)監(jiān)測下的實(shí)時數(shù)據(jù)。

圖1 在線監(jiān)測系統(tǒng)布置Fig.1 Layout of online monitoring system

2.2 在線監(jiān)測系統(tǒng)的框架

結(jié)合CO、CO2、O2、C2H4、CH4等氣體的特征，在采空區(qū)及工作面等采用光纖多氣體束管，進(jìn)行在線檢測及分析，以達(dá)到高瓦斯礦井采空區(qū)自然發(fā)火在線系統(tǒng)監(jiān)測技術(shù)的目的。該系統(tǒng)主要由“數(shù)據(jù)采集分析服務(wù)”“Web客戶端程序”“井下數(shù)據(jù)解調(diào)程序”“SQ Lserver數(shù)據(jù)庫”等部分組成。其中，數(shù)據(jù)采集服務(wù)模塊主要用于實(shí)時收集井下各分站測點(diǎn)的初始數(shù)據(jù)，加以分析并保存到數(shù)據(jù)庫中。客戶端程序用于Web系統(tǒng)信息的發(fā)布，用戶既可以在任意一臺服務(wù)器上查詢實(shí)時監(jiān)測狀態(tài)數(shù)據(jù)，同時完成數(shù)據(jù)查詢、報表打印等功能。維護(hù)系統(tǒng)工具主要包括系統(tǒng)數(shù)據(jù)還原和硬件檢測。

2.3 在線監(jiān)測系統(tǒng)的功能

根據(jù)監(jiān)測系統(tǒng)的框架，形成了該系統(tǒng)的主要功能。具備動畫顯示的性能，區(qū)域地圖能夠放大、縮小、移動，操作便捷；顯示實(shí)時動態(tài)監(jiān)測數(shù)據(jù)，捕捉異常信息并及時報警，包括聲光、短信等多種報警方式；能夠直觀顯示巷道設(shè)計圖，設(shè)備、傳感器等安設(shè)地點(diǎn)及狀態(tài)。具有歷史數(shù)據(jù)調(diào)查、報警數(shù)據(jù)存儲的功能，故障信息記錄并提示，同時數(shù)據(jù)庫具有默認(rèn)備份功能；可自動生成報表，導(dǎo)出打印功能；具備人人對話功能，以便于參數(shù)的井下設(shè)置及調(diào)試。具有管理操作權(quán)限的功能，實(shí)現(xiàn)一機(jī)一碼一記錄；系統(tǒng)具備提供數(shù)據(jù)接口，可以直接接入煤礦自動信息化管理平臺，便于管理。

2.4 在線監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)置

通過登錄系統(tǒng)進(jìn)行操作，對監(jiān)測位置進(jìn)行日志信息的設(shè)置。通過對設(shè)置各測點(diǎn)、分站、分區(qū)、分組位置，進(jìn)行分站信息的新增、編輯、刪除操作。主要包括分站編號、分站名稱、IP地址、分站位置等信息。最后對分站編號、通道編號、通道名稱、光纜長度、剩余長度、長度變化、變化狀態(tài)等各通道信息進(jìn)行錄入、編輯、刪除等操作，完成對監(jiān)測區(qū)域的設(shè)置。

3 現(xiàn)場監(jiān)測

3.1 現(xiàn)場監(jiān)測區(qū)域確定

通過對礦井四盤區(qū)及412工作面氣體的監(jiān)測，設(shè)計將感溫光纜敷設(shè)于412工作面膠帶巷和回風(fēng)巷，以及北二回風(fēng)大巷兩側(cè)煤柱內(nèi)進(jìn)行溫度感應(yīng)，將光纖分布式測溫儀放置于北二四盤區(qū)變電所內(nèi)分析解析溫度變化情況。根據(jù)井下現(xiàn)場設(shè)計，光纖敷設(shè)如圖2、3所示。將2條光纜經(jīng)由變電所與回風(fēng)巷的壁墻穿線孔引出，分別沿回風(fēng)巷兩側(cè)幫鋪設(shè)，一號輔運(yùn)巷側(cè)的光纜覆蓋輔運(yùn)側(cè)六聯(lián)巷至二聯(lián)巷的煤柱，膠帶巷側(cè)的光纜覆蓋七聯(lián)巷至二聯(lián)巷的煤柱。輔運(yùn)巷側(cè)18個孔，膠帶巷側(cè)煤柱22個孔，總計40個孔。完成后將覆蓋自七聯(lián)巷至二聯(lián)巷回風(fēng)巷左右兩側(cè)的煤柱，布設(shè)光纜總長度5 500 m。在兩側(cè)煤柱距離端面3 m處使用履帶式鉆機(jī)打盲孔將光纜U型彎折后敷設(shè)進(jìn)孔內(nèi)，然后進(jìn)行封孔注漿防止煤柱漏風(fēng)。監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)置如圖4所示。

圖2 412工作面敷設(shè)設(shè)計 Fig.2 Design of line laying for 412 working face

圖3 煤柱側(cè)敷設(shè)設(shè)計Fig.3 Design of line laying on coal pillar side

圖4 礦井監(jiān)測系統(tǒng)布置Fig.4 Layout of mine monitoring system

3.2 現(xiàn)場監(jiān)測效果

通過對現(xiàn)場412工作面順槽的實(shí)時監(jiān)測，設(shè)置工作面報警溫度為46 ℃，工作面回風(fēng)巷10 m的實(shí)時溫度變化特征如圖5所示。均達(dá)到了46 ℃以上，通過控制工作面風(fēng)量及風(fēng)速達(dá)到控制工作面溫度的目的。控制后的工作面溫度如圖6所示。調(diào)控后的412工作面兩順槽溫度變化曲線基本一致，膠帶巷、回風(fēng)巷分別在700 m、850 m瞬間增加，但都控制在40 ℃以內(nèi)。調(diào)控后的工作面回風(fēng)巷實(shí)時監(jiān)測，最大、最小溫度分別為34.7 ℃、31.4 ℃，平均溫度為31.95 ℃。同時對工作面選擇分類測點(diǎn)監(jiān)測后，形成各段的監(jiān)測報表，各段的溫度均滿足生產(chǎn)需求，達(dá)到了對現(xiàn)場實(shí)時監(jiān)測的目的。

圖5 回風(fēng)巷10 m溫度變化特征Fig.5 Temperature variation characteristics at 10 m in return air roadway

圖6 412工作面順槽溫度情況Fig.6 Temperature of roadway in 412 working face

3.3 應(yīng)用效果評價

自然發(fā)火在線系統(tǒng)監(jiān)測技術(shù)通過采用基于窄帶激光光譜吸收原理的高精度、高可靠性、高靈敏度的氣體分析儀，實(shí)現(xiàn)了對采空區(qū)內(nèi)部煤炭自然發(fā)火指標(biāo)氣體CH4、O2、CO、CO2、C2H4氣體濃度的快速分析，較傳統(tǒng)色譜分析效率提升8～10倍，且激光氣體分析儀無需開機(jī)校準(zhǔn)，免校驗(yàn)。該系統(tǒng)對北二四盤區(qū)回采工作面進(jìn)回風(fēng)易形成遺煤區(qū)域、巷道煤柱內(nèi)部的實(shí)時溫度及回采工作面、密閉采空區(qū)等內(nèi)部氣體濃度進(jìn)行實(shí)時在線監(jiān)測，實(shí)現(xiàn)了各種氣體異常積聚和采空區(qū)及煤柱內(nèi)部自然發(fā)火進(jìn)行早期預(yù)警預(yù)報，同時也滿足了實(shí)時監(jiān)測數(shù)據(jù)的存儲、網(wǎng)絡(luò)發(fā)布、數(shù)據(jù)查詢和打印功能。提高了礦井防滅火效率，提升了具有自然發(fā)火傾向礦井的安全生產(chǎn)水平。

4 結(jié)語

自然發(fā)火在線監(jiān)測系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了對回采工作面進(jìn)回風(fēng)易形成遺煤區(qū)域、回風(fēng)大巷煤柱內(nèi)部的實(shí)時溫度采集和分析。充分發(fā)揮了分布式光纖傳感技術(shù)本質(zhì)安全、遠(yuǎn)程、分布式測量、精度高的特點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)了采空區(qū)內(nèi)部氣體濃度的實(shí)時在線監(jiān)測。該系統(tǒng)對采集到的溫度和氣體數(shù)據(jù)進(jìn)行綜合分析，對各種氣體異常積聚、溫度異常變化和采空區(qū)自然發(fā)火進(jìn)行早期預(yù)警預(yù)報，并對高溫點(diǎn)進(jìn)行定位，為采空區(qū)發(fā)火的預(yù)防及治理提供了可靠的技術(shù)手段，提高了防滅火效率，使礦井免受自然發(fā)火區(qū)域的威脅。