束管与安全监测系统在巴彦高勒煤矿中的综合应用

丁光辉 彭顺长 王 刚

（1.内蒙古黄陶勒盖煤炭有限责任公司，内蒙古 鄂尔多斯 017300；2.山东科技大学矿业与安全工程学院，山东 青岛 266590）

瓦斯爆炸和煤炭自燃都是矿井重要灾害形式，对财产损失及人员伤亡的威胁都是十分巨大的。瓦斯爆炸和煤炭自燃都能够通过对瓦斯以及一氧化碳气体的实时检测来达到预防效果。为尽快发现异常及采取措施，巴彦高勒煤矿采用束管监测系统与安全监测系统相结合的方式，对井下各地点瓦斯及一氧化碳气体浓度进行监测，对瓦斯与自然发火的预防起到了重要作用[1]。

1 矿井概况

巴彦高勒煤矿位于呼吉尔特勘查区的南部，矿井年产量为402 万t，主采一水平的3-1 煤，采用走向长壁综合机械化一次采全高采煤法后退式回采，全部垮落法管理顶板。矿井为低瓦斯矿井，煤层具有爆炸危险，所采煤层为容易自燃煤层，自然发火等级为Ⅰ级，自然发火期在41~92d，最短自然发火期为41d。

2 系统主要参数及原理

2.1 束管监测系统

KSS-200 束管监测系统主要由粉尘过滤器、单管、束管、分路箱、抽气泵、气体采样控制柜、监控微机、束管专用色谱仪、打印输出设备、网卡、系统软件等组成。 KSS-200 束管监测系统工作原理如图1 所示。在微机控制下，由地面抽气泵将气体抽入色谱仪，色谱仪检测出结果后，由电脑进行分析，整个过程都在微机控制下进行，自动化程度高。

图1 KSS-200 束管监测系统原理图

2.2 安全监测系统

KJ90NB 型安全监测监控系统可实现对井下各地点的甲烷、一氧化碳、风速、温度、烟雾、噪声、粉尘、风筒压力、设备开停、风电、甲烷电闭锁、风门、通风设备、井下紧急避险系统的运行状态等进行实时在线监测。地面中心站由主控机（备机）环网交换机、双机热备组件、计算机病毒防杀组件、打印机、电源避雷器等组成；中心站安装2 台主机，互为热备；中心站采用双回路供电；井下由KJ90-F16（D）矿用分站、各种传感器、电路分线盒、声光报警器等组成。其原理图如图2 所示。

图2 KJ90NB 型安全监测系统原理图

3 系统在实际现场中的布置

巴彦高勒煤矿根据其具体情况，结合束管监测系统与安全监测系统各自的适用条件和优缺点，依靠安全监测系统实现24h 不间断监测，依靠束管监测系统实现对重点位置的高精度监测[2]。

3.1 工作面传感器布置

为了使工作面安全回采，要求工作面一旦发生瓦斯、一氧化碳超限，要第一时间发出报警信号，因此，在工作面回风侧上隅角等标志位置放置瓦斯、CO、温度传感器，利用安全监测系统，对工作面进行24h 不间断实时监测。工作面传感器布置图如图3 所示。

图3 工作面传感器布置图

3.2 束管检测系统的敷设

束管监测系统主管路采用16 芯束管，从副井下到井底，顺着3-1 煤辅运巷到311101 工作面回风巷口。在311101 工作面回风巷口安装一个16 路分路箱，从分路箱出6 芯束管，顺着311101 工作面回风巷到311101 工作面。在311101 工作面安装两个测点，分别位于采空区内距离工作面15m 处、回风隅角处。在311101 工作面停采线附近安装一个总回风测点。另从16 路分路箱出主管路顺着3-1 煤辅运巷铺设为其他地点服务。为防止束管过快老化漏气，束管敷设需要吊挂平直，距离巷道底部高度要在1.5m 以上。每天对采样点的气体成分进行连续监测。

4 系统在实际现场中的应用

4.1 在瓦斯防治中的应用

在防治瓦斯过程中，要求气体检验及时，越早发现瓦斯异常超限，越早采取措施，能减少甚至避免灾害带来的损失，但人工等传统方法检测往往存在一定滞后性。结合瓦斯灾害的特性，矿井采用安全监测监控系统为主、束管监测系统为辅的方式监测瓦斯。能够实现对井下各个监测地点瓦斯浓度的24h 不间断监测，重点实现对工作面风流、工作面回风流以及工作面回风隅角处的瓦斯监测[3]。相较瓦斯巡检员实测的数据，其更及时，为灾害预防以及抢险救灾赢得了宝贵的时间。

工作面风流瓦斯传感器设在距工作面煤壁线10~15m 内的回风顺槽中；工作面回风流瓦斯传感器设在回风顺槽，距工作面回风出口10~15m 处；工作面回风隅角瓦斯传感器设在回风隅角处，当出现异常情况时，传感器会第一时间发出声光报警，并同时向地面监测系统报警。

4.2 在防火中的应用

巴彦高勒煤矿回采距离长，采空区范围大，有着较为严峻的防灭火形势，尤其是对于自然发火的预防，需要及时准确地得到采空区内遗煤的氧化情况，以预防其自然发火。

采空区自然发火有着较长的周期性，在自然氧化初期，氧化缓慢，氧化的煤体会释放出CO 气体[4]。根据其氧化特性，采用以KSS-200 束管监测系统为主、以KJ90NB 安全监测系统为辅的监测方法，在回采工作面采空区预先设置束管系统，每天进行人工取样化验分析，确定冷却带、氧化带、窒息带的具体宽度，为对自然发火的预测和防治提供依据[5]。在工作面回风隅角、回风巷道布置CO、CH4、温度传感器，如发生超限危险，能够第一时间发出警报。

在工作面回风隅角和回风顺槽安设束管气体采样器进行束管监测。在回风顺槽安设一氧化碳和温度传感器，对采煤工作面一氧化碳浓度和温度监测。

4.3 在注氮中的应用

采空区注氮是常用且有效的一种防灭火措施，但注氮期间也会发生采空区有害气体被置换排出、多余氮气充斥工作面降低氧气浓度等危险。通过束管监测系统和安全监测系统，能够避免这些危险并使得“动态监测、适时注氮”工艺的实施更为方便准确。

利用束管色谱检测系统检测工作面回风隅角的CO 及氧气含量，根据检测的CO 浓度及时进行注氮。检查注氮系统，一切正常后进行注氮，注氮时，关注回风隅角传感器显示的CO 及氧气含量。注氮初期，CO 含量逐渐上升，这是由于氮气进入采空区与采空区内的CO 气体产生置换，将CO 气体挤出采空区。注氮中期，CO 气体保持平稳或显现下降趋势，当CO 浓度平稳时，代表注氮效果已经最大，如若此时CO 气体还超标，就需要采用其他方法或加强注氮来进行防灭火。注氮同时，为防止工作面氧气浓度过低，当回风流中氧气浓度＜18%,及时撤出回风流中全部人员。

5 结论

KSS-200 束管监测系统与KJ90NB 型安全监测监控系统分别具有分析精确和报警及时的特点。在实际应用中，束管监测系统能够满足对采空区内部、高冒区等危险区域的气体监测需求，安全监测监控系统能够实现对预定地点不间断的观测。充分利用两者的优势以及瓦斯、自燃灾害的特点，能够及时发现灾害隐患，有效地预防灾害的发生，同时也能为注氮等防灾减灾措施的实施提供指导。巴彦高勒煤矿311101 工作面回采的实践证明，两者的相互配合有效地避免了瓦斯与自然发火灾害的发生，保证了工作面安全。