矿井防火关键参数在线监测装置应用实践

文/李 志（淮北矿业集团公司）

火灾是严重威胁煤矿安全生产的重要灾害之一，极易造成群死群伤。据统计，在我国开采的煤矿中，存在自然发火危险的矿井占总矿井数的70%左右，自然发火煤层占累计可采煤层数的80%，且自然火灾发生的次数占矿井火灾总数的94%以上。因此，如何有效地进行火灾早期预报，准确精准地识别标志性气体，将火灾事故消除于萌芽状态是煤矿防火工作的重点和难点之一。《煤矿防灭火细则》要求，“开采容易自燃和自燃煤层的矿井，必须建立注浆系统或者注惰性气体防火系统，并建立煤矿自然发火监测系统”。目前，绝大多数矿井都装备使用了束管监测系统，实现对井下气体的监测，但该检测方式存在抽气管路长、气样纯度无法保证、采样点无法准确对应等缺点，实际使用效果并不理想，且设备安装、维护工作量较大，亟须得到改进。

一、矿井防火关键参数在线监测装置组成与工作原理

为有效解决现阶段自然发火预测预报中存在的问题与不足，淮北矿业集团与中煤科工集团重庆研究院合作，共同开发了矿井防火关键参数在线监测装置（以下简称防火在线装置）。该装置由气体自动采样装置、氧气传感器、一氧化碳传感器、激光甲烷传感器等主要设备组成。工作时利用自动采样装置对待测区域进行气体采样和滤水、滤尘处理，处理后的气体经取样管被各传感器实时检测和实时显示，以此实现对煤矿采空区（或封闭墙）内甲烷、氧气、一氧化碳等发火关键参数一站式靠近监测与获取。上述装置可就近接入煤矿安全监控系统，实现与监控系统的全面融合和实时监测。

二、防火在线装置主要参数

1.气体自动采样装置(CQB1 矿用本安型气体采样器)

（1）工作电压：12.0～25.0 V DC；

（2）工作电流：≤250 mA；

（3）抽气流量：1.0～1.7 L/min。

2.GYW25/50(A)矿用氧气温度传感器

（1）工作电压：9.0～25.0 V DC；

（3）量程：0～25.0%VOL；

（4）工作稳定性：不小于30 天；

（5）基本误差：≤±3%FS。

3.GJG100J 矿用激光甲烷传感器

（1）工作电压：9.0～25.0 V DC；

（2）工作电流：≤200 mA；

（3）甲烷测量：0～100%CH4，0～1.00%CH4，±0.05；1.00%～100%CH4，真值±5%。

4.GTH1000 矿用一氧化碳传感器

（1）工作电压：9.0～25.0 V DC；

使用DPS 7.05对数据进行处理，采用邓肯氏新复极差法进行多重比较，检验不同处理间数据差异的显著性。

（2）工作电流：≤40 mA；

（3）量程：0～1 000 ppm；

（4）基本误差：±5.0%FS。

5.ZJT200 矿用均压防灭火调压气室气动控制装置

（1）工作电压：12.0～25.0 V DC；

（2）工作电流：≤300 mA；

（3）微差压：－500～500 Pa，分辨率为1 Pa；

（4）差压：0～5 kPa，分辨率为0.1 kPa；

（5）电磁阀工作压力：0.2～0.8 MPa。

三、防火在线装置使用情况

淮北矿业集团朱仙庄煤矿在Ⅱ830 工作面安装使用了一套防火在线装置，安装地点位于Ⅱ830 工作面风巷、距工作面50 m 左右。装置取电及通信全部取自设置在附近的安全监控系统分站，带载距离约800 m左右。现场敷设一根长度约60 m 的束管，束管外采用5 根10 m 的KJRB3-φ19 高压软管套管进行保护。

气体采样间隔时间设置为开5 min，停25 min，即每30 min 采样1 次。远程监测效果如图1 所示。

图1 8 月9 日—8 月10 日气体采样泵及O2、CO、CH4 浓度监测运行曲线

图1 为设备连续运行2 天的监测数据，由图1 可以看出：

（1）每次采样时，随着采样装置真空泵开始工作，测得的O2浓度逐渐下降，CO 和CH4浓度逐渐上升，至泵工作4～5 min 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。

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，设备共变动过三次安装位置。安装变动记录见表1。

表1 设备安装位置变更记录

与此同时，地面也对设备每天监测数据和工作面推进进度做了详细记录，8 月5 日—9 月9 日采空区气体在线监测运行曲线如图2 所示，8 月5 日—9 月9日工作面推进距离与监测数据对应曲线如图3 所示。8 月5 日—9 月9 日，工作面以平均1.3 m/d 速度推进，共推进了47 m，即束管取气点从0 m 位置埋入开始至47 m 时结束。随着工作面不断推进，监测数据真实反映了采空区煤自燃状态的演变过程。

图2 8 月5 日—9 月9 日采空区气体在线监测运行曲线

图3 8 月5 日—9 月9 日工作面推进距离与监测数据对应曲线

11 月7 日—12 月4 日，Ⅱ830 工作面采空区为降低瓦斯浓度，上隅角增加了抽排措施，监测运行曲线如图4 所示。

图4 11 月7 日—12 月3 日采空区气体在线监测运行曲线

由图4 可以看出，抽排措施对降低采空区CH4和CO 浓度有较好效果，当上隅角抽排至12 月4 日，设备在现场已累计运行近4 个月，于当日再次下井取气进行对比测试，如图5 所示。

图5 设备12 月4 日10:00～14:00 三种气体测量值

采气操作发生在11:09 分左右，相应传感器测量值为一氧化碳气体浓度为0 ppm、氧气浓度为10.2%VOL、甲烷气体浓度为4.12%VOL。人工取气后将样气由色谱分析仪监测，分析结果显示O2检测差值为1.1%，CO 检测差值为0 ppm，甲烷检测差值为0.28%，两者测量结果非常接近。

四、注意事项

现场使用中，为确保防火在线装置的准确使用与有效检测，需注意以下事项：

（1）防火在线装置应选择在支护良好、无淋水、便于观测维护的地点安装，且做到固定牢靠，距离上隅角不得大于30 m。

（2）防火在线装置的使用周期为工作面开始回采至收作封闭结束，采样观测地点为回风隅角采空区，观测参数为CH4、CO、O2。

（3）合理设置采样周期，正常情况下采煤工作面每一轮采样监测周期不应超过1 h，采样时间不得低于5 min，且不得低于抽取待测地点气样的最短时间。

（4）所有防火观测束管必须全部接入防火在线装置，并采用多通与闸阀控制，实现各观测束管之间的切换。埋入采空区及进入装置前的束管必须进行可靠保护，杜绝漏气；多路束管埋设均应正常与装置密封连接，并实现自由切换，正常监测选取埋深最大的束管。束管末端分别位于采空区漏风带、氧化带，并对束管采取有效防护措施，严禁出现折曲、挤压、漏气等影响观测数值的现象。

（5）出现气体成分异常时，必须人工检查并及时分析原因。

五、结语

自2020 年以来，淮北矿业集团各矿自燃、容易自燃煤层采煤工作面全部安装了矿井防火关键参数在线监测装置，使用周期为工作面开始回采至收作封闭结束，实现了防火标志性气体的成分浓度参数一站式取样分析、就地显示、实时上传，通过煤矿安全监控系统从地面即可实时查看井下防火关键地点的一氧化碳、氧气、甲烷气体的实时浓度信息，为科学决策提供了数据依据，从而真正实现采空区自燃隐患风险实时监控、超限报警信息主动推送、运行记录信息自主便捷查询，合理平衡瓦斯抽采与防火管理之间的关系，全面提升煤矿采空区监测监控能力和设备智能化信息化水平。