矿井防火关键参数实时在线监测技术研究

杨鑫 葛毓柱 杨全

作者简介：杨鑫（1985-），男，黑龙江密山人，本科，工程师，研究方向：矿井通风安全。

摘 要： 针对采空区防火关键参数O2、CO、CH4，采用高精度光学传感检测、本安型供电取气等技术，开发适于煤矿现场使用的在线监测技术装备，以及研究运用先进的分布式光纤测温技术，实现煤自燃温度的直接、快速感知与定位，对采空区煤自燃发火状态、安全风险，实现全方位实时在线监测，为指导开采进度、评估安全风险、精准实施防火措施奠定基础。

关键词： 采空区;防火参数;在线监测;分布式光纤测温

【中图分类号】TD76     【文献标识码】A     【DOI】10.12215/j.issn.1674-3733.2020.35.151

近年来，随着矿井开采强度加大，采空区范围不断扩大，特别是综采放顶煤采煤法的推广应用后，采空区留有大量浮煤，采空区煤自燃火灾尤为严重，由于采空区遗煤高温点位置的隐蔽与不易确定性，易导致火灾发现与采取措施的滞后，给矿井安全生产带来极大隐患。目前大部分矿井主要采用束管抽采监测系统对采空区煤自燃状况进行监测，但由于该系统需依靠气相色谱仪对指标气体进行分析，设备的运行维护几乎不能在井下开展，严重制约了煤矿集约化矿井生产。

1 矿井采空区防火关键参数监测现状

工作面回采期间在上、下隅角每20米迈步式交替预埋一趟防火束管，防火束管采用防突筛管或2寸铁管进行保护，现场瓦检员随时通过束管对采空区气体情况进行检测。地面色谱化验分析，每天现场测气员对上、下隅角束管进行取样，并送到地面进行化验分析。在实际应用过程中，采空区压力过大会将管路接头处压断，造成束管漏气，无法取到采空区内真实气样，可能误导防火措施的制定和落实。因此为保证煤矿的安全生产，进行矿井防火关键参数实时在线监测技术研究有非常重大的必要性。

2 火灾在线监测系统设计

2.1 关键参数选定

随着采煤工作面的推进，采空区作为落煤塌陷区域，不仅有煤自燃危害，而且失去通风后瓦斯浓度也急剧上升，对矿井安全和工作面开采作业构成极大威胁。煤层自然发火预报技术是指在煤层开采后，根据煤自燃进程中的温升、气体释放等变化特征，判识自燃状态，对自然发火进行识别并预警的技术。该技术主要解决三个问题：①煤层火灾隐患点的温度。②煤层火灾隐患点的位置。③发展到着火所需要的时间。

目前，较为流行的煤自然发火早期预测预报方法为气体分析法，即矿井束管在线监测系统。但由于该系统需依靠气相色谱仪分析气体，该设备的运行维护几乎不能在井下开展，严重制约了煤矿集约化矿井生产。因此，需要进一步开发集约化、系统化的矿井防火在线监测技术及装备。

2.1.1 氧气参数选定

O2是参与煤自燃氧化的关键气体，也是评估是否存在瓦斯爆炸风险的决定性因素。

2.1.2 一氧化碳参数选定

CO是贯穿于整个煤自然发火过程的关键性指标气体，一般在50℃以上就可测定出来，随着温度的升高，浓度也会随之升高，在120～150℃这个温度范围浓度开始急剧增高。

2.1.3 甲烷参数选定

随着采煤工作面推进，采空区失去通风后CH4浓度会急剧上升。因此，对采空区CH4浓度参数的监测，是评估采空区及相关工作面安全状况、风险程度的关键指标。

2.1.4 温度参数选定

分布式光纤测温技术是一种利用光纤实现长距离、连续线性感温的传感技术，可实现光纤铺设区域的温度连续监测与定位，是极佳的采空区火灾隐患监测技术。

2.2 系统设计

2.2.1 系统功能设计

针对防火关键参数O2、CO、CH4，采用高精度光学传感检测技术，开发适于煤矿井下长期、实时在线监測装备，以及开发适用于本安电源长距离供电使用的本安型气体采样监测装置，形成一套配接于安全监控系统使用的采空区防火实时在线监测装备，并研究运用分布式光纤测温技术，实现采空区煤自燃隐患点的定位，提高矿井防火监测的时效性、准确性，同时实现防火监测数据与安全监控系统的有机融合。

2.2.2 系统组成

本次研究设计的采空区防火气体及温度在线监测装备依托于煤矿安全监控系统，以安全监控传感器的方式研制检测装备，并通过井下覆盖的安全监控网络实现监控数据上传，以及超限报警或融合联动。

监测设备分为两类：一是采空区O2、CO、CH4气体在线监测装备;二是采空区分布式光纤测温装备。其中，O2、CO、CH4气体监测装备由束管气体自动采样装置和高稳定光学氧气传感器、一氧化碳传感器、甲烷传感器组成。装置整体采用本安型设计，由分站本安电源供电，通过监控分站实时上传监测数据。装置安装于工作面，两巷各安装一套。采空区分布式光纤测温装备主要由一台本安兼隔爆型光纤测温主机和布置于采空区两帮的铠装测温光缆组成，监控数据直接接入井下安全监控环网平台上传至地面，如图1所示。

3 火灾在线监测系统的应用

3.1 采空区气体在线监测

（1）设备安装设置情况

采空区气体在线监测装备地面完成调试后入井安装，设备安装于Ⅱ830工作面风巷，距工作面50m左右。设备供电及信号接入位于大巷的安全监控分站，带载距离800m左右。现场在工作面新铺设一根长度约60m束管，束管外采用了5根10m的KJRB3-19高压软管套管保护。

现场气体采样间隔时间设置为开5min，停25min，即每30min采样一次。

上图为设备连续运行2天的监测数据，由图可以看出：

①设备每次采样时，随着泵开始工作，测得的O2浓度逐渐下降，CO和CH4浓度逐渐上升，至泵工作4～5min时，O2浓度达到最小值，CO和CH4浓度达到最大值，此时浓度即代表采空区气体浓度。当泵停止工作后，由于传感器的排空端与外部相通，外面的空气缓慢扩散至传感器，从而O2浓度又逐渐上升，CO和CH4浓度逐渐下降。

②随着采煤工作面的不断推进，埋入采空区的束管取样点进深越深，O2浓度下降，与此同时CO和CH4浓度上升，符合采空区煤自燃演变规律。

（2）在线监测运行情况

设备安装完成后，为充分了解和掌握采空区煤自燃状态演变规律，以及考察设备长期运行准确性和可靠性，持续对采空区气体情况进行监测。

该套系统在连续运行近4个月未标校状态下，测量结果与地面色谱分析仪仍十分接近，说明设备运行期间测试数据是完全准确可信的。

3.2 分布式光纤测温

测温光缆从主机位置沿机巷和风巷往工作面各布置一根，长度分别为705m和725m，两根测温光缆进入采空区后，温度均明显上升，且趋势一致。在采空区内风巷光纤测的最高温度42.6℃，机巷侧光纤测的温度34.1℃，相差8.5℃，符合采空区温度场理论推演结果。工作面回采过程中，采空区两侧布置的光纤监测温度来看，变化趋势完全一致，随着工作面推进温度变化也符合采空区理论变化趋势。因此，可以推断本项目所采取的在采空区两侧预埋感温光缆的布置工艺，是可以对采空区整体温度变化情况起到在线监测目的。

4 结论及对安全生产的指导意义

（1）实现了采空区防火关键参数的实时在线监测。首次基于安全监控系统实现了采空区防火关键参数O2、CO、CH4和温度的在线实时监测，系统架构简单、安装方便，监测准确、可靠，易于维护，为采空区防火救灾提供了基础保障。

（2）采空区火灾隐患的精确定位。分布式光纤测温，能对采空区温度连续监测，布置于采空区两帮，对横向覆盖范围不足，但结合气体监测指标，通过对各点温度变化趋势分析，可以实现对火灾隐患点的定位的。

（3）监测采空区煤自燃“三带”演变趋势，指导安全生产。通过对气体在线监测装备和分布式测温历史数据查询分析，可直观反映采空区的实时安全状况和煤自燃“三带” 演变过程，有助于指导采面开采进度和相应安全措施的准备、实施。

参考文献

[1] 郑晓军.火灾报警中的光纤分布式温度监测系统[J].电子质量，2007（04）：14-17.