回采面全周期火灾综合监测技术研究与应用

2023-09-14葛俊岭朱现峰

现代矿业 2023年8期

葛俊岭朱现峰徐振

（1.济宁矿业集团有限公司霄云煤矿；2.济宁矿业集团有限公司金桥煤矿；3.济宁市能源局）

煤炭自燃是煤矿的主要灾害之一。据统计［1-3］，我国目前有56%的在投产煤矿具有煤炭自燃危险性；煤自燃是矿井火灾发生的主要诱因，因煤自燃引起的矿井火灾占比达85%～90%，对于内因火灾来说，采空区煤自燃导致的火灾约占60%，造成的火灾事故给煤矿带来了大量损失。霄云煤矿开采煤层为Ⅱ类自燃煤层，煤矿使用综采工艺一次采全高，工作面之间留设有4～6 m的煤柱。因地质条件的变化，回采率较低，浮煤多，极易产生自燃。同时，随着矿井服务年限的缩短，沿空掘进巷道、回收煤柱工作面增加，采空区面积不断扩大，自燃危险性极高。井下环境复杂，仅仅依赖单一的监测装置不足以全面及时地进行监控和预测，综合性矿井火灾监测技术的研究与应用愈发重要［4-5］。因此，针对霄云煤矿所存在的上述问题，对回采工作面全周期火灾综合监测技术进行了研究，并在矿区1310工作面进行了实际应用，以期更好地对煤自燃进行监测和控制，保障煤矿的安全生产。

1 不同矿井火灾监测技术对比研究

煤自燃监测是矿井火灾防治的关键，矿井火灾监测技术能够实现煤自燃的监测预测，及时探测火灾危险的发生，主要包括人工检测、便携气体检测仪、光纤测温、色谱束管监测系统、井下微色谱、红外光谱束管监测、激光束管等火灾监测技术，其优缺点对比如表1所示。

其中，人工检测相比于其他检测技术，具有投入设备少、取样灵活的特点，能够使用气相色谱仪［6］、便携气体检测仪等设备对特定地点进行监测，但其工作量大，实用性较低，往往不作为首选的监测方法。微色谱技术［7］是目前较为先进的定点监测技术，其具有监测时间短、传输距离远、精确度高、微型化等特点，应用较为广泛。光纤测温［8-9］是一种直接有效的区域火灾监测技术，其具有覆盖范围广、抗电磁干扰强、灵敏度高、耐腐蚀的特点，但同时容易损坏，铺设成本较高。束管监测［10-11］作为一种常用的区域火灾监测技术，使用色谱仪、红外光谱仪、激光检测器等对监测指标进行分析，具有精准、全面、范围广等优点，但井下分布的束管具有难以维护的缺点。根据上述对比可知，单一的火灾监测技术具有一定的缺点和局限性，因此，针对煤矿的实际情况采用综合性的火灾监测技术十分有必要。

2 全周期火灾综合监测技术

全周期火灾综合监测技术主要包括开切眼、掘进期间、回采期间、撤架期间的火灾监测，主要由束管监测技术、光纤测温技术、安全监测技术以及人工检测技术组成，根据监测地点的位置特点、自燃危险性以及监测技术的适用特点，对煤矿的不同位置、不同时期选用合适的火灾监测技术，从而达到煤矿全周期的火灾安全监测。

2.1 开切眼火灾监测

开切眼的火灾监测主要集中于支架后部、回风隅角等位置，在该位置布置测点，铺设束管并预埋保护钢管，定期监测煤自燃指标气体与温度的情况，并于每天取气样送至地面进行气体分析，如遇气体浓度或监测点温度异常，则加强监测频率并采取一定的预防措施。

2.2 掘进期间火灾监测

掘进期间的火灾监测主要针对3类自燃区域，如表2所示。

对掘进期间进行区域火灾监测，定期采用红外测温仪对巷道冒顶区域、与旧巷相连的区域及其他巷道煤体破碎区域进行扫描，测定煤体表面温度，一旦发现异常，立即采取措施进行处理，同时对该处每班至少进行2次测定煤体温度。

在巷道下风侧（回风侧）布置测点，定期检测CO、O2和CH4气体情况，监测自燃情况。正常情况时每班进行2次气体监测，每周对气体进行1次色谱分析。若出现异常，立即对异常地点进行处理，同时对巷道下风侧测点每班至少检测2次，并定期取气样送至地面进行气相色谱分析。

2.3 回采期间火灾监测

回采期间用人工检测、束管监测、安全监测及人工采样分析的方法对工作面煤自燃进行定时、定点监测，以便进行分析。人工检测采用CO便携仪、CO检定管、瓦检仪、两用仪和红外测温仪等仪器，对工作面支架后部、回风隅角等位置的气体浓度、温度等进行定时检测。束管监测采用束管监测系统，对上隅角，风巷出口、工作面中部、下隅角等位置进行O2、N2、CO、CO2、C2H4等气体的监测，正常情况时每班2次气体监测；工作面异常时每班4次。安全监测采用安全监控系统，对上隅角、回风槽出口、回风侧调节风门处、机巷入口处等位置，进行CO、CH4、温度、风门开关、风压和风速的连续监测。人工采样分析采用气相色谱仪监测回风隅角和回风流处的CO、CO2、O2等气体浓度，正常情况时每天早班进行人工检测，同时采集气样2个，送至地面进行色谱分析，如遇监测点异常，则每班采样2次。

2.4 撤架期间火灾监测

撤架期间主要针对采空区浮煤，采用便携式气体测定仪、秒表、风表、束管监测系统及铂电阻测温探关进行火灾监测，通过预埋管路和监测装置，对采空区进行测温、气样分析等，掌握其气体浓度、温度等的变化趋势，同时测定工作面风量、温度、气体浓度等参数。正常情况下，束管监测每天每班4次，人工检测每班1次，每周对气体进行1次色谱分析，如遇气体浓度或监测点温度异常，则加强监测频率并采取一定的预防措施。

3 综合监测技术在霄云煤矿1310工作面应用

霄云煤矿生产区域在-600～-800 m水平，开拓区域在-600～-1 000 m水平，煤矿井下受高温热害影响严重，1310工作面存在煤自燃风险，给生产作业带来极大困扰，严重威胁井下的开采作业和人员安全，将该综合监测技术在1310工作面进行应用，及时监测井下煤自燃状况。

3.1 开采前防火技术措施

（1）两顺槽顶板及两帮破碎位置及时使用LFM等材料及时进行处理。

（2）在井下采煤工作面投入使用并调整通风系统后，应在进风和排风工作区分别建造一套防火门墙，并配备相应的防火门板。防火墙设置位置巷道断面规整、压力稳定，防火门墙采用“内插拆口”结构；防火门墙体厚度不小于0.6 m，砂浆饰面，墙体无重缝，砂浆饱满无漏风，墙体表面光滑，保证墙垛与大巷过道接触紧密，无漏风；防火门墙穿墙电缆及管路全部使用穿墙套管。

（3）在工作面回采前，将惰性气体注入管分别埋在进、回风侧隅角，将监测束管分别埋在进线和回线的拐角处。

（4）在工作面回采前，应调整通风系统，使工作区的配风量与计划相一致。

（5）在相邻工作面的停止线、开切眼等关键位置安装监测束管，并重新注入凝胶和其他灭火材料。

3.2 回采期间火灾综合监测技术的应用

3.2.1 安全监控系统应用

煤矿井下安置了1套KJ95X安全监控系统，按标准安设了甲烷、一氧化碳等气体传感器以及对烟雾、温度、风流等检测传感器，实现对各类模拟量和开关量等参数的24 h连续在线监测。1310回采工作面传感器设置见表3。

3.2.2 束管监测系统应用

束管监测系统监测中心配备了气体采样柜、泵、用于系统每个出口的控制器、用于收集管道气体的色谱仪和工业计算机，可以实时监测并有效控制来自矿井下的气体，及时采集分析井下气体信息。

系统使用泵和管束，将煤矿井下气体从每个监测点输送到监测室。各监测点的气体依次经气体监测装置注入气体分析仪，收集矿区和密闭区域内存在的O2、CH4、CO2、CO等气体的浓度数据，并用计算机分析各气体的浓度参数与趋势。通过对气体浓度数据进行分析，能够计算出火灾系数以验证煤自燃发生的可能性。

束管监测点布置在1310下隅角采空区、1310皮顺回风流、1310轨顺上隅角采空区。将束管预埋入采空区的进、回风顺槽，用来监测采空区气体的变化情况，抽气口套上花管以防止损坏；其中工作面停采后沿工作面停采线、回风顺槽、进风顺槽各敷设2路束管，一路接U型管，一路人工取样。

系统将气体从观察点通过束管泵输送到气体分析仪，在微机控制下快速准确地进行分析。分析结果可以通过实时监测报告和每日分析报告产生，并存储在数据库中，以便对特定气体进行相关分析。通过对指标性气体浓度的趋势分析，可以预测煤炭自燃的趋势和高温或燃烧点温度发展的趋势。

3.2.3 矿用分布式光纤温度监测系统应用

工作面自切眼位置开始埋设光纤，安装的保护装置可以防止它被落下的岩石压碎。随着工作的进展，光纤将被埋入采矿区，测温数据将被用于监测采矿区的氧化情况。

此次温度传感器选用MGTBV-2感温光纤，测温范围-20～130℃，利用地面分布式光纤测温主机收集数据并上传至井上监控中心。

1310工作面本安型分布式测温主机（型号：KJ1205-Z）设置在一采区东翼配电硐室内。1310进风顺槽感温光纤主管路经1308轨顺联络巷、1310进风顺槽敷设至1310进风隅角开切眼处，监测1310、1308工作面采空区内温度变化情况。1310回风顺槽感温光纤主管路经1308轨顺联络巷、1310皮顺联络巷、1310回风顺槽敷设至1310回风隅角开切眼处，检测1310、1312工作面采空区内温度变化情况。

3.3 应用效果

通过将回采面全周期火灾综合监测技术在霄云煤矿1310工作面进行应用，2021年成功预警井下煤自燃15次，并采取相应防治措施阻止煤自燃现象的发展蔓延。开采前的防灭火技术措施保障了开采的安全进行与监测系统的合理布置；安全监控系统的应用实现了工作面回采期间回风隅角、回风流等特定位置气体、温度、风速等参数的实时监测；束管监测系统的应用实现了工作面下隅角采空区、皮顺回风流、1310轨顺上隅角采空区等地点的气体浓度数据监测，分析其浓度变化特点与趋势；矿用分布式光纤测温系统的应用实现了长距离、难监测的采矿区内的温度监测。综合火灾监测技术能够根据监测地点的位置特点、自燃危险性以及监测技术的适用特点实现火灾监测，有效防止了矿井火灾的发生，提高了煤矿的安全管理水平。