分布式激光火情监控系统在寸草塔二矿的应用

谢巧军，刘 杰

(1.神东煤炭集团信息管理中心，陕西 神木 719315；2.光力科技股份有限公司研究院，河南 郑州 450001)

0 引言

煤矿火灾分为内因火灾和外因火灾，内因火灾是指煤炭自然氧化集热导致的煤炭自燃[1]，煤矿现场多年的防灭火经验表明，煤矿内因火灾是煤矿火灾防治的重点，防治难度大。煤炭内因火灾一旦发生灭火成本高，效果差，因此煤炭自燃火灾的防治工作重在预防。煤炭自燃火灾监测是火灾防治工作的重要组成部分。目前市场上传统的自燃火灾监测手段是采用地面抽气泵通过长距离束管将监测区域的气体抽取至地面，通过人工操作色谱仪对气体成分进行检测，管理人员依靠气体成分检测结果对自燃火灾发展情况进行判断。传统监测方式依靠(内径8～10 mm)长距离束管抽取气体，束管极易发生堵塞漏气故障导致系统无法正常运行或检测数据失真；依靠人工操作色谱仪的方式进行气体检测对检测人员技术水平要求高，而且每天能够测量的数量有限，无法对火情进行实时监测；系统故障排查和维护全部依靠人工进行，监测的数据需要依靠人工经验对火情进行判断；发火区域温度是煤自然发火最直接特征参数，对温度进行实时检测，将有助于对火情发展的准确判断。

按照国家发改委、国家安全监管总局以及神华集团对国家矿井安全生产监管物联网应用示范工程建设要求，基于物联网技术设计研发采用分布式光纤测温技术、激光气体检测技术和大数据分析技术的新一代分布式激光火情煤矿火灾监控预警系统，并选取示范矿井进行示范工程建设，将有助于先进技术推广应用并解决煤层自然发火监测存在的问题。

1 系统总体技术框架

国家矿井安全生产监管物联网应用示范工程项目建设的KJ428型煤矿安全监控系统，由煤矿井下火灾参数监测系统、基于以太网的数据传输高速通信系统和可视化、自动化和智能化的煤矿火灾监测预警系统组成，如图1所示。

图1 火灾预警系统技术框架

井下火灾监测参数数据采集设备主要包括激光火情监测主机、光纤测温控制柜和气体采样泵等组成，以相邻的多个火灾监测区域共同组成一个火灾监测单元，通过在井下部署火灾监测参数数据采集设备[2]，实现煤矿火灾监测的分布式取气自动化、多种气体成分分析自动化和定制化。

数据传输网络包括井下数据网络和地面数据传输网络，为提高传输速度，煤矿火灾监测系统采用以太网光纤环网网络作为数据传输网络。利用矿方已经搭建的以太网光纤环网网络，实现基于以太网的火灾监测参数与地面火灾监测系统的高速通信。

地面火灾监测预警系统主要包括地面基础支撑服务器系统和煤矿火灾监测软件组成，地面火灾监测系统通过数据传输网络自动采集分析井下火灾监测参数并根据火灾监测模型，实现煤矿火灾的可视化监测、自动化中央控制和火灾预警预报。

2 系统采用的关键技术

2.1 激光气体检测技术

KJ428-Z矿用本安型激光火情监测主机是KJ428矿用分布式激光火情监测系统的关键组成部分，采用波长调制吸收光谱技术实现气体浓度检测[3-4]，可同时完成CH4、CO、C2H2、O2、C2H4和CO2等气体浓度的测量和分析，具有测量误差小、分辨率高、完全避免水汽、煤尘和其它气体的交叉干扰等优点。同时还具有采样泵控制功能和温度数据采集中继功能，可接收远程的PC指令控制采样泵的启停和工作状态，并接收KJK660矿用隔爆兼本安型光纤测温控制柜传输的光纤测温数据并通过RS485数字信号或者以太网光信号进行传输。

KJ428-Z矿用本安型激光火情监测主机可通过远程控制或者本地控制的方式实现单根或者多根取样束管进行连续或者周期性的CH4、CO、C2H2、O2、C2H4和CO2等气体浓度的测量和分析，为煤矿井下火灾监测提供准确、稳定、可靠的监测数据，并结合KJ428矿用分布式激光火情监测系统强大的分析和监控功能实现火情位置定位、监测现场取气自动化、采集分析自动化、参数关联分析等，提供火灾预警和故障监测等功能，降低误诊误报。

KJ428-Z矿用本安型激光火情监测主机主要包括WMAS气体检测模块、气体采样系统控制模块、数据采集和通讯模块；其中WMAS气体检测模块用于测量CH4、CO、C2H2、CO2、C2H4和O2气体浓度；气体采样系统控制模块主要用于控制气体采样系统，不同气体取样束管的切换与导通和各气体取样束管的流量检测；数据采集和通讯模块主要用来完成CH4、CO、C2H2、CO2、C2H4和O2的检测数据采集及计算，并把CH4、CO、C2H2、CO2、C2H4和O2浓度，气体取样系统控制状态参数等数据通过RS485数字信号和以太网电信号经数据传输网络传输至地面火灾监测系统。

2.2 分布式光纤测温技术

KJK660矿用隔爆兼本安型光纤测温控制柜是分布式光纤温度探测(DTS)技术在火灾报警领域的具体应用[5]，主要用于煤矿采空区、密闭区等区域的温度探测。

KJK660矿用隔爆兼本安型光纤测温控制柜包括电源系统和分布式光纤测温系统，电源系统主要把煤矿电源设备提供的外部电源输入转化为本安电源输出和非本安电源输出，为整个火灾监测硬件系统提供电源；分布式光纤测温系统主要通过铺设到各个采空区和采煤工作面的光纤实现对监测区域的温度监测，并为温度异常区提供定位距离。

KJK660矿用隔爆兼本安型光纤测温控制柜主要由光纤测温模块、测温光纤、信号隔离模块、电机控制部分和隔爆兼本安电源模块组成。其中，光纤测温模块负责光纤信号处理、报警和参数设置等，测温光纤负责现场的温度采集，信号隔离模块输出电机控制信号、电机故障信号并通过R485串口、光信号网线传输信号；电机控制部分是通过本部分对电机进行控制和保护；隔爆兼本安电源模块除负责给本系统信号处理模块供电以外还给其它部分本安电器提供12 V电源。光纤测温模块还可以通过RS485、以太网接口与系统相连，构成完整的系统。

2.3 大数据智能分析技术

构建地面火灾监测预警系统，实现基于井下火情气体与温度综合集成分析的煤矿可视化火灾监测、智能化中央集控、自动化采集分析、定制化模型训练、及时性火灾预警预报，解决煤矿束管火灾监测系统业务分析能力差和缺乏火灾预警预报能力等缺点。

KJ428火情监测预警系统具备多参数交叉验证分析模型，针对火情监测区域的CO、CO2、O2、CH4、C2H4、C2H2特征气体和温度等监测数据，采用大数据分析技术进行深度交叉关联和挖掘分析，总结规律，超前感知火情风险，准确监测煤体自然发火所处的阶段(正常、缓慢氧化、加速氧化、激烈氧化、自燃)，在采空区顶板周期来压等因素导致采空区风流形态改变无法准确判断自然发火所处阶段的情况下，火情趋势判断能够为防灭火工作提供依据，为煤矿防灭火工作提供决策支持。

束管堵塞、漏气的判断和维护是当前影响煤矿火情监测系统正常运行的重要因素，KJ428束管堵塞漏气专家分析模型基于束管流量、压力、数据深度挖掘分析，能够准确捕捉束管堵塞漏气现象，并触发自动反吹功能实现束管的自动疏通。

3 系统在寸草塔二矿的应用

3.1 测点和设备部署

寸草塔二矿井田位于内蒙古自治区鄂尔多斯市伊金霍洛旗东南部、东胜煤田寸草塔矿区二井田东北部，行政区划隶属于伊金霍洛旗乌兰木伦镇。井田南北走向长5.15 km，东西倾向宽4.55 km，面积16.5 km2。矿井属低瓦斯矿井，采用斜井+平硐联合开拓方式，在工业场地内布置有一条主斜井(倾角9°，斜长1 050 m)、一条辅运平硐(倾角6°，斜长1 150 m)和3条回风斜井(倾角分别为16°、18°、25°，斜长分别为403 m、423 m、220 m)。在井田中央沿走向布置3条煤层大巷，大巷两侧布置条带式工作面。

根据寸草塔二矿采掘接替和发火情况，确认了8个监测点的部署方案，通过3套井下监测设备实现全矿井火情预警监测点的覆盖。主要包括3-1煤层一个采煤工作面及采空区3个监测点，以及3-1煤层3个密闭区监测点，2-2煤层2个密闭区监测点。项目井下施工内容主要铺设曙光17 400 m，测温光纤2 600 m，安装测温主机3台，气体主机3台，抽气泵组3套，束管过滤箱3套，具体设备和测点部署情况见表1。

表1 寸草塔二矿火情测点部署表

3.2 激光气体检测和分布式光纤测温技术验证

为验证检测设备对CH4、CO、C2H2、CO2、C2H4和O2浓度以及温度参数检测的准确性，技术人员采用神东检测公司色谱分析数据对比9次、采用便携仪进行数据对比50次、通过通标气进行数据对比5次，数据表明设备对参数检测准确，各种参数检测精度见表2。

表2 气体测量指标

3.3 大数据智能分析技术验证

系统能够根据束管流量、压力和抽取气体流量的变化，智慧总结束管堵塞时的参数变化规律，并根据参数变化规则对束管堵塞和漏气故障进行智能判断[6-7]，在系统发生堵塞故障时自动启用反吹功能排除故障。在束管发生漏气故障时及时提醒系统运维人员排除故障，保障系统正常运行。

2018年2月4日22121综采面上隅角束管发生堵塞故障，系统及时弹出了报警提醒，经现场排查束管在上隅角附近位置发生了弯折。图2为束管堵塞分析曲线。

图2 束管堵塞分析曲线

2018年1月15日22119密闭(22121主运5联巷)束管发生漏气，系统及时弹出了报警提醒，经现场排查束管接头发生脱落，重新连接束管后恢复正常。图3为束管漏气分析曲线。

图3 束管漏气分析曲线

系统根据不同煤质燃烧参数分析数据、取气换气采样参数、测温光纤和多气体监测关联参数，通过模型训练建立适合于特定区域的火灾监测预警模型，针对监测区域的温度和火灾气体参数关联集成，根据建立的火灾预警分析模型和用户设定的预警条件实现煤矿火灾风险分析和预警预报[7]。

2017年11月3日31202采空区(203辅运7联巷)附近区域发生缓慢氧化现象，系统及时进行了预警，经现场处理火情得到及时处理。火情变化分析曲线，如图4所示。

图4 多参数交叉分析曲线

4 结论

(1)分布式光纤测温技术能够实时准确监测易自然发火区域的温度，监测误差范围为±1 ℃。

(2)采用激光气体检测技术能够准确检测CH4、CO、CO2、O2、C2H2、C2H4，共计6种气体浓度。勿需参考气体，不受交叉气体干扰，设备测量准备、稳定可靠；内置自校验机制，长达6个月免标校。

(3)束管故障分析模型能够依据束管流量、压力、气体浓度等因素准确判断其堵塞和漏气故障。

(4)系统能够依据测量的6种气体浓度和温度参数对火情发展进行预测预警。

(5)通过分布式部署，避免传统束管色谱火灾监测方式长距离管路的易堵易漏和粉尘、水汽干扰弊端，大大提高了系统的适用性。