煤矿采空区自然发火多参数监测与预警系统设计

天地（常州）自动化股份有限公司 吉才睿

矿井火灾是指发生在煤矿井下巷道、工作面、硐室、采空区等地点的火灾。能够波及和威胁井下安全的地面火灾，也叫矿井火灾。矿井火灾一旦发生，则容易引发瓦斯、煤尘等爆炸事故，甚至造成人员伤亡。因此，煤层采空区内煤炭的自然发火监测预警对于减少煤矿火灾发生、瓦斯突出爆炸等安全事故，确保煤矿安全具有重要意义。

1 采空区自然发火监测现状及多参数监测必要性

煤层自燃监测就是在煤层开采后，采空区煤层在自然环境中的升温、煤层气体逐渐释放，通过分析气体浓度及温度变化情况判断煤层是否达到自燃条件，判断煤层高温位置，实现煤自燃实时监测、预报，并在煤层自燃之前给出报警。它是矿井火灾预防与处理的基础，是矿井煤层火灾防治的关键，具有非常重要的地位。

井下采空区煤要发生自燃必须具备以下四个条件：

➢具有低温氧化性，即有自燃倾向的煤以破碎状态存在；

➢有大于12%氧含量的空气通过采空区煤层；

➢空气流动速度适中，使破裂煤体有积聚氧化热的环境；

➢在上述3个条件同时具备的状态下，持续一定的时间，使煤体可以达到着火温度。

采空区自然发火监测现状及多参数监测与预警系统主要针对采空区煤的气体浓度分析及采空区温度变化分析，在满足以上4个自燃条件之前给出预报。

1.1 采空区自然发火监测现状

煤自然发火的早期预报方法主要有气体分析法、测温法、传感器测定法、红外测定法、数值模拟法等，但远远无法满足现代化矿井自动化生产的需要。目前国内大部分煤矿主要利用矿井火灾束管监测系统和安全监测监控系统对矿井气体参数监测，对火灾进行预报。

在煤矿的实际应用中，煤矿火灾束管监测系统的应用现状不是特别好，无法发挥到最大的作用，究其原因，主要有以下几个方面：

1）监测数据具有一定的时滞性。气相色谱仪本身特性决定了要分析一个气体单样，其分析的时间长,从目前国内监测路数为20路来计算，要完成一个气体采样监测循环需要的时间都要超过10分钟。单样气体分析结果一般都是10min之前的数据，监测软件平台分析并没有考虑到气体时间滞后的问题, 因此所分析的气体结果并非当前监测点实时状态, 无法达到实时分析要求。

2）井下管路漏风和空气湿度、温度对分析精度的影响。

煤矿火灾束管监测系统作为一种气体分析系统，要求采样气体必须纯正，中间管路必须完全封闭，中间不允许出现管路侧漏，否则就会出现监测样品数据不精确。无法准确分析监测点气体浓度比例。因此需要大量时间去维护束管监测管路，避免出现侧漏，因为一旦管路出现漏点，采用气体的浓度比例则不准确，同时在抽气泵抽气的过程中，采样气体的湿度也会相应增加。由于束管需要长距离铺设，一旦出现管路侧漏，则不容易寻找出气体侧漏点，导致所有分析气体均不准确。目前的矿井火灾束管监测系统的抽气方式都是采用负压抽取式，通过地面真空泵的运转，使束管监测管路内部呈现负压状态，最终将监测点气体抽入束管管路，输送至束管色谱仪进行分析。因此，束管一旦出现侧漏，则束管色谱仪分析样品的结果与实际的气体浓度值会差别很大。另外，井下空气温度，湿度等都能对气体样品分析精度产生较大的影响。

1.2 多参数监测系统及分布式光纤测温的提出

现有的束管监测技术一般只实现了火灾气体指标浓度的在线监测，功能尚未完善，只具有单指标超限报警功能，缺少引起煤自燃的一个关键因素—温度。矿井火灾监测预报系统独立运行，信息相互独立、共享差，无法对火灾发生条件全部信息的采集，无法准确判定火灾位置。目前还没有一套针对采空区CH4、CO2、CO、O2气体以及温度的比较完善的煤自燃火灾监测系统，可以说采空区煤自燃多参数监测系统及分布式光纤测温目前处于空白状态。如何在现有煤自燃监测、预报技术的基础上，进一步对数据进行挖掘，提高煤自燃预报准确度和可靠性。为此，针对目前矿井煤自燃火灾监测预报系统的不足，提出开展煤自燃多参数监测及分布式光纤测温技术研究，全面提高采空区煤自然发火识别与预警的时效性、准确性和可靠性，对提升矿井火灾防治水平，保障矿井安全生产具有重大意义。

2 采空区自然发火多参数在线监测与预警系统设计

采空区自然发火多参数在线监测系统通过气体束管将采空区中的某个监测点气体抽取到井下多参数分析及分布式光纤温度监测主机中，分析采样气体浓度（主要包括氧气，一氧化碳，二氧化碳，甲烷等），以及通过分布式光纤监测采空区内的温度分布情况，地面数据分析中心对煤层综合气体的浓度和测温点温度的变化对采空区煤层的氧化过程进行分析并进行采空区自然发火的早期预测。采空区自然发火多参数在线监测与预警系统设计能够对井下的采空区的气体成分、浓度变化以及测点温度分布实现有效的实时监测，并井下多参数分析及分布式光纤温度监测主机分析后上传至地面监测中心对采空区煤层的气体及温度发展进行预测，实现了采空区煤层自燃预测预报的智能化、自动化。本系统由于将气体分析和温度监测装置集合为一体直接布置在井下，大大缩短了气体抽样管线和测温光纤的长度，提高了数据分析的准确性和实时性，降低了系统维护的工作量。当井下多参数监测主机监测到的气体监测浓度异常时，可以采用人工采样或现有束管监测系统采集到井上分析烯炔类气体含量，这一工作模式克服了当前多数矿井直接使用气相色谱分析仪对束管采集的样本进行分析的繁重工作和分析能力的限制，真正实现了束管实时分析的功能，并且节约了大量的束管铺设，节省了大量的人力和物力。

3 重点监测点设置

根据采空区自然发火的特点，需要对整个采空区的自然发火情况进行长期监测，因此温度观测点和气体观测点设置如下：

1)工作面两顺槽布置分布式测温光纤。

2)采空区布置气体采集管路，随工作面推进每隔一定距离布置一个采样点；埋入采空区的束管采取措施加以保护。

4 主要功能

1）利用数据分析煤矿采空区某一个监测点气体含量在一段时间内变化情况，并根据气体变化情况得出分析曲线；

2）气体自动采用和分析功能：井下监控主机可对多个采样点自动巡回采样，并对气体进行浓度分析；

3）分布式光纤测温功能：井下监控主机可支持四路测温光纤输出，对采空区温度实现无源分布式测量；

4）声光报警功能：井下监控主机支持外接声光报警器，在出现报警情况时自动启动声光报警，提醒现场作业人员。

5）火灾预警功能：通过分析煤矿各组监测点气体浓度、甲烷气体浓度比列以及温度的计算，及时准确的反映煤矿采空区自然发火情况，提前给出预警；

6）历史数据查询功能：为防灭火提供各种数据；

7）具有报表分析、历史曲线、储存及打印功能。能够分析各组气体日报、月报、检测谱图报表、气体含量变化趋势报表等，掌握气体变化情况。

5 结语

以“预防为主、防治结合”的思想，充分结合煤矿采空区情况，积极采用光纤测温技术、多参数气体分析技术，借鉴国内外先进的设计理念以及束管监测系统在煤矿上的应用经验，设计出具备先进技术的矿井采空区自然发火多参数在线监测与预警系统，将采空区光纤测温与多参数分析技术相结合，确保煤矿井下气体参数分析的准确性及井下温度变化规律性，充分发挥煤矿采空区火灾源头在达到起火点之前将其抹杀。从而保障煤矿生产和职工人身安全，防止煤矿火灾事故的发生。