矿井采空区自然发火在线监测系统技术

常 哲，李赵岩，王海峰

(陕西黄陵二号煤矿有限公司，陕西 延安 727307)

0 引言

火灾作为煤矿“五大灾害”之首，矿井火灾一旦发生，轻则影响矿井正常生产，重则烧毁煤炭资源和物资设备，甚至引发瓦斯、煤尘爆炸等系列灾害的发生，因此，采空区自然发火检测技术显得尤为重要。近年来，众多专家从矿井发生自燃位置、引发自燃的因素和产生自燃的条件等方面做了深入的研究[1-3]。郁亚楠等[4]形成了“三位一体”的预测预报技术”；宋泽阳等[5]建立了风力和浮力驱动下煤堆的多场耦合自燃发火模型，对影响煤堆的孔隙率、高度和角度的减小，达到能延长煤堆的自然发火周期的效果。疏义国等[6]采用自然发火试验方法分析了煤自燃的特点及规律，进行了现场实践。谢中朋等[7]依照采空区遗煤自燃特点，从增强通风管理、气体与温度检测、均压、灌注三相泡沫等方面，制订了遗煤自燃防控体系。针对巷道不同距离的辐射能量场与高温点的对应关系，建立BP神经网络预测模型，对气样进行定性和定量分析，预测煤自然发火状况，并得出剧烈氧化的临界判别指标[8-10]。但对实时监测的研究较少。因此，开展矿井采空区自然发火在线系统监测技术具有很强的必要性。

针对黄陵二号煤矿四盘区采掘生产过程中已经多次发生过油型气涌出事故，实时监测矿井发火状况的变化尤为重要。因此，进行矿井采空区自然发火在线系统监测技术的研究，能够准确掌握采空区的温度和气体浓度，对发火点及时采取抢救措施，将损害降到最低，预防自然发火，意义重大。

1 工程背景

1.1 矿井概况

黄陵二号煤矿处于黄陵矿区中深部，属于高瓦斯矿井，主要回采2号煤层，煤层厚2.8～7.2 m[11]。地质勘探过程发现存在天然气或煤层气逸出现象。矿井覆岩从瓦窑堡组、富县组、延安组到直罗组上、下段的砂岩中均发现有油气，目前矿井采用对角式通风。2012年经中煤科工集团重庆研究院进行煤层自燃倾向性鉴定黄陵二号煤矿为Ⅱ类自燃煤层，煤尘具有爆炸危险性。

通过煤样分析，2号的煤自燃分为3个阶段：第1阶段，煤在低温的条件下，氧化过程十分隐蔽，放出的热量少；第2阶段，自热温度升高至70～80 ℃时，氧化急剧加快，使煤的温度迅速升高至300～500 ℃，并伴随燃烧现象；第3阶段，当温度到达800～2 000 ℃时，煤出现明火现象，为燃烧期。因此，在工作面回采过程中对温度实时监测，将煤的自燃抑制在第1阶段，具有重要意义。

1.2 传统监测存在的缺陷

根据传统的气相色谱式矿井束管监测系统对矿井CO、CO2、CH4、O2、C2H6、C2H2、C2H4、H2、N2等气体浓度监测，属于矿用地面一般性[12-13]。该系统要求监测技术人员有很强的责任心，且抽气管路长，导致抽气时间长；因采空区的气温较高、大巷温度较低，当气体从采空区达到大巷时，易导致部分水凝结，积存于管路中“低洼”位置，影响监测气体的通过，出现堵塞或截断现象不易发现。此外，色谱分析仪分析周期长、精度低：色谱分析仪分析一个气样从主泵气流经采样泵最终到达井上分析仪的时间周期大约1 h，而多通道的气体采样周期更长；每天监测次数为1～2次，监测的差异性较大；同时监测不具连续性，对分析监测点气体变化规律难以掌握。因此，该系统不能满足黄陵矿区智能化建设的生产需求。

2 采空区气体监测系统

综合考虑矿井生产条件，以原有监测缺陷为突破点，以智能化建设需要为抓手，针对矿井“五大”气体的运移特征分析，采用光纤多气体束管监测，实现煤矿井下采煤工作面、采空区等场合的多种气体浓度的在线检测及分析。

2.1 在线监测系统设计

采空区及工作面等场所采用一支多气体传感探头可完成浓度的在线监测，井下变电所内的监测分站通过交换机设备接入工业以太网，实时监测的数据经过环网传输到地面调度室内煤矿自然发火光纤综合在线监测系统主机。矿井气体在线监测系统布置如图1所示。其中气体传感探头结合束管及取样的装置控制，可测试多个监测点的多种气体浓度数据。地面主机既作为数据服务器，同时监测数据在工业环网内发布，保证环网内各个分站和监控主机都能随时查阅系统监测下的实时数据。

图1 在线监测系统布置Fig.1 Layout of online monitoring system

2.2 在线监测系统的框架

结合CO、CO2、O2、C2H4、CH4等气体的特征，在采空区及工作面等采用光纤多气体束管，进行在线检测及分析，以达到高瓦斯矿井采空区自然发火在线系统监测技术的目的。该系统主要由“数据采集分析服务”“Web客户端程序”“井下数据解调程序”“SQ Lserver数据库”等部分组成。其中，数据采集服务模块主要用于实时收集井下各分站测点的初始数据，加以分析并保存到数据库中。客户端程序用于Web系统信息的发布，用户既可以在任意一台服务器上查询实时监测状态数据，同时完成数据查询、报表打印等功能。维护系统工具主要包括系统数据还原和硬件检测。

2.3 在线监测系统的功能

根据监测系统的框架，形成了该系统的主要功能。具备动画显示的性能，区域地图能够放大、缩小、移动，操作便捷；显示实时动态监测数据，捕捉异常信息并及时报警，包括声光、短信等多种报警方式；能够直观显示巷道设计图，设备、传感器等安设地点及状态。具有历史数据调查、报警数据存储的功能，故障信息记录并提示，同时数据库具有默认备份功能；可自动生成报表，导出打印功能；具备人人对话功能，以便于参数的井下设置及调试。具有管理操作权限的功能，实现一机一码一记录；系统具备提供数据接口，可以直接接入煤矿自动信息化管理平台，便于管理。

2.4 在线监测系统设置

通过登录系统进行操作，对监测位置进行日志信息的设置。通过对设置各测点、分站、分区、分组位置，进行分站信息的新增、编辑、删除操作。主要包括分站编号、分站名称、IP地址、分站位置等信息。最后对分站编号、通道编号、通道名称、光缆长度、剩余长度、长度变化、变化状态等各通道信息进行录入、编辑、删除等操作，完成对监测区域的设置。

3 现场监测

3.1 现场监测区域确定

通过对矿井四盘区及412工作面气体的监测，设计将感温光缆敷设于412工作面胶带巷和回风巷，以及北二回风大巷两侧煤柱内进行温度感应，将光纤分布式测温仪放置于北二四盘区变电所内分析解析温度变化情况。根据井下现场设计，光纤敷设如图2、3所示。将2条光缆经由变电所与回风巷的壁墙穿线孔引出，分别沿回风巷两侧帮铺设，一号辅运巷侧的光缆覆盖辅运侧六联巷至二联巷的煤柱，胶带巷侧的光缆覆盖七联巷至二联巷的煤柱。辅运巷侧18个孔，胶带巷侧煤柱22个孔，总计40个孔。完成后将覆盖自七联巷至二联巷回风巷左右两侧的煤柱，布设光缆总长度5 500 m。在两侧煤柱距离端面3 m处使用履带式钻机打盲孔将光缆U型弯折后敷设进孔内，然后进行封孔注浆防止煤柱漏风。监测系统设置如图4所示。

图2 412工作面敷设设计 Fig.2 Design of line laying for 412 working face

图3 煤柱侧敷设设计Fig.3 Design of line laying on coal pillar side

图4 矿井监测系统布置Fig.4 Layout of mine monitoring system

3.2 现场监测效果

通过对现场412工作面顺槽的实时监测，设置工作面报警温度为46 ℃，工作面回风巷10 m的实时温度变化特征如图5所示。均达到了46 ℃以上，通过控制工作面风量及风速达到控制工作面温度的目的。控制后的工作面温度如图6所示。调控后的412工作面两顺槽温度变化曲线基本一致，胶带巷、回风巷分别在700 m、850 m瞬间增加，但都控制在40 ℃以内。调控后的工作面回风巷实时监测，最大、最小温度分别为34.7 ℃、31.4 ℃，平均温度为31.95 ℃。同时对工作面选择分类测点监测后，形成各段的监测报表，各段的温度均满足生产需求，达到了对现场实时监测的目的。

图5 回风巷10 m温度变化特征Fig.5 Temperature variation characteristics at 10 m in return air roadway

图6 412工作面顺槽温度情况Fig.6 Temperature of roadway in 412 working face

3.3 应用效果评价

自然发火在线系统监测技术通过采用基于窄带激光光谱吸收原理的高精度、高可靠性、高灵敏度的气体分析仪，实现了对采空区内部煤炭自然发火指标气体CH4、O2、CO、CO2、C2H4气体浓度的快速分析，较传统色谱分析效率提升8～10倍，且激光气体分析仪无需开机校准，免校验。该系统对北二四盘区回采工作面进回风易形成遗煤区域、巷道煤柱内部的实时温度及回采工作面、密闭采空区等内部气体浓度进行实时在线监测，实现了各种气体异常积聚和采空区及煤柱内部自然发火进行早期预警预报，同时也满足了实时监测数据的存储、网络发布、数据查询和打印功能。提高了矿井防灭火效率，提升了具有自然发火倾向矿井的安全生产水平。

4 结语

自然发火在线监测系统实现了对回采工作面进回风易形成遗煤区域、回风大巷煤柱内部的实时温度采集和分析。充分发挥了分布式光纤传感技术本质安全、远程、分布式测量、精度高的特点，实现了采空区内部气体浓度的实时在线监测。该系统对采集到的温度和气体数据进行综合分析，对各种气体异常积聚、温度异常变化和采空区自然发火进行早期预警预报，并对高温点进行定位，为采空区发火的预防及治理提供了可靠的技术手段，提高了防灭火效率，使矿井免受自然发火区域的威胁。