采空区自燃“三带”自动化分析技术_赵彤宇.pdf

第 51 卷第 4 期 2020 年 4 月 Safety in Coal Mines Vol.51No.4 Apr. 2020 采空区自然发火约占煤矿自然发火总数的 60， 是自然发火防治的重点[1-3]。 采空区空间根据自 然发火情况一般可划分为 “三带” ， 即 “散热带” 、“氧 化带” 和 “窒息带” ，“散热带” 和 “窒息带” 一般不会 发生自然发火，“氧化带” 顶板垮落逐渐压实， 风阻 增大，遗煤氧化产生的热量不断积聚，并可能发生 煤炭自燃， 是自然发火监测的重点[4-5]。在火灾监测 预警工作中， 将有限的测点布置在 “氧化带” 及附近 区域， 将显著提高火灾监测预警的准确性， 因此采空 区自燃 “三带” 测点的准确布置及自动化分析对于矿 井防灭火工作至关重要。 目前矿井采空区自燃 “三带” 测定一般采用人工 部署测点， 人工统计氧气浓度、 温度等参数的方法[6-7]， 自动化程度低， 成本高， 在煤矿现场多采用测定个别 工作面采空区自燃 “三带” 以指导全矿井防灭火工作 的方式。但由于矿井的工作面各不相同，用个别工 作面采空区自燃 “三带” 的测定结果指导全矿井往往 效果不佳， 开发实现基于物联网技术的自燃 “三带” 自动化动态分析技术具有特别重要的意义。 基金项目 国家重点研发计划资助项目 （018YFC0807900） ； 中国矿 业大学双一流建设自主创新专项资助项目 （2018ZZCX05） 采空区自燃 “三带” 自动化分析技术 赵彤宇 1， 2， 杨胜强1， 陈登照2， 刘 杰 2 （1．中国矿业大学 安全工程学院， 江苏 徐州 221116； 2．光力科技股份有限公司， 河南 郑州 450001） 摘要 为了解决人工自燃 “三带” 测点布置的空间和时间局限性， 依托 KJ428 矿用分布式激光 火情监测系统、 束管维护技术、 测点位置标记技术和 “三带” 可视化曲线绘制技术， 实现自燃 “三 带” 的动态和自动化分析。利用 KJ428 矿用分布式激光火情监测系统， 得到 31202 采空区回风侧 各测点的温度及各种气体浓度大小， 根据其中氧气浓度大小可自动得出 31202 采空区回风侧散 热带、 氧化带和窒息带范围分别为 采面后方 0～60 m、 采面后方 60～130 m 和采面后方 130 m 至 采空区深部， 同时随着各测点监测数据的变化， 可观测采空区自燃 “三带” 范围的变化规律。 关键词 激光火情监测系统； 束管监测； 采空区； 自然发火；“三带” 自动化分析 中图分类号 TD752文献标志码 B文章编号 1003-496AX （2020） 04-0118-04 Automatic Analysis Technology of Goaf Spontaneous Combustion“Three Zones” ZHAO Tongyu1,2, YANG Shengqiang1, CHEN Dengzhao2, LIU Jie2 （1.School of Safety Engineering, China University of Mining and Technology, Xuzhou 221116, China;2.Guangli Science and Technology Corp., Zhengzhou 450001, China） Abstract To solve the space and time limitations of artificial spontaneous combustion“three belts”measuring points, the dynamic and automatic analysis of spontaneous combustion “three belts”is realized by relying on KJ428 mine distributed laser fire monitoring system, beam tube maintenance technology, measuring point location marking technology and“three belts”visual curve drawing technology. The range of non-spontaneous combustion zone, spontaneous combustion zone and suffocation zone on the return air side of the goaf in 31202 obtained by using this technology is respectively 0-60 m behind the mining face, 60-130 m behind the mining face and 130 m behind the mining face to the deep part of the goaf, which is basically consistent with the artificial measurement results. Key words laser fire monitoring system; beam tube monitoring; goaf; spontaneous combustion; three zones automatic analysis DOI10.13347/ki.mkaq.2020.04.025 赵彤宇， 杨胜强， 陈登照， 等．采空区自燃 “三带” 自动化分析技术 ［J］ ．煤矿安全， 2020， 51 （4） 118-121. ZHAO Tongyu, YANG Shengqiang, CHEN Dengzhao, et al. Automatic Analysis Technology of Goaf Sponta- neous Combustion“Three Zones” ［J］ . Safety in Coal Mines, 2020, 51 （4） 118-121.移动扫码阅读 118 ChaoXing Vol．51No．4 Apr． 2020 Safety in Coal Mines 第 51 卷第 4 期 2020 年 4 月 1分布式激光火情监测系统 寸草塔二矿基于国家矿井安全生产监管物联网 应用示范工程建设了一套基于物联网和激光检测技 术的 KJ428 矿用分布式激光火情监测系统[8]， 自燃 “三带” 动态分析技术基于 KJ428 火情监测系统和自 燃 “三带” 分析算法实现。KJ428 矿用分布式激光火 情监测系统由地面监控服务器系统、传输网络系统 和井下火灾参数监测系统 3 个部分组成。 1） 地面监控服务器系统。主要包括服务器、 网络 交换机等硬件设备和系统软件、应用软件组成， 地 面监控服务器系统用于采集、 存储、 分析、 展示监测 数据并对井下设备进行控制[9]， 依托束管堵塞分析 技术和多参数交叉分析技术，系统目前已实现束管 堵塞智能分析和火情预测预报[10-11]。 2） 传输网络系统。主要包括若干台以太网环网 交换机，当井下存在多个监测点，把各个监测点接 入以太网环网交换机，通过光纤网络构成井下以太 网环网系统，传输网络系统用于将井下火灾参数监 测系统的监测数据传输至地面监控服务器系统。 3） 井下火灾参数监测系统。主要包括激光气体 监测主机、 温度主机、 抽气泵、 测温光纤和束管。激 光气体监测主机通过抽气泵和束管将上隅角、采空 区等地点的火灾指标气体抽取至自身检测模块， 在 检测模块采用激光气体检测技术对一氧化碳、 氧 气、 甲烷、 乙炔、 乙烯和二氧化碳共计 6 种气体浓度 进行监测。温度主机主要包括测温模块和电源模 块，测温模块和部署于采空区等区域的分布式测温 光纤共同完成温度监测，电源模块同时为温度主机 和气体监测主机供电。 与将抽气装置和检测装置部署在煤矿地面的传 统束管相比，分布式监测系统将抽气和检测装置部 署在测点附近，缩短了束管管路的长度，降低了束 管堵塞、漏气的概率；同时自动化激光监测替代了 人工色谱仪监测，提高了火情监测的实时性。甲烷 测量范围 0～100， 其中测量范围为 0～1．00时， 误 差为6， 测量范围为 1．00～100时， 误差为测量上 限的10； 一氧化碳测量范围为 （0～20 000 ）10-6, 其中测量范围为（0～100 ） 10-6时，误差为410-6 （绝对误差） ， 测量范围为 （100～1 000 ） 10-6时， 误差 为真值的5， 测量范围为 （1 000～20 000 ） 10-6时， 误差为真值的10；二氧化碳测量范围为 0～20， 其中测量范围为 0～0．5时， 误差为真值的10， 测 量范围为 0．5～20时,误差为真值的 5； 氧气测 量范围 0～25．0， 误差为3F．S； 乙炔测量范围 （0～ 500 ） 10-6， 其中测量范围为 （0．5～20 ） 10-6时， 误差 为0．5F．S， 测量范围为 （100～500 ）10-6时， 误差 为1．5F．S； 乙烯测量范围 （0～500 ） 10-6,误差2 F．S； 温度测量范围 为-40．0～120．0 ℃， 误差为1 ℃。 2自燃 “三带” 自动化分析关键技术 自燃 “三带” 动态分析技术主要包括束管维护技 术、 测点位置标记技术和 “三带” 可视化曲线绘制技 术。束管维护技术用于指导束管现场维护，确保系 统能够监测到 “三带” 划分需要的参数； 测点位置标 记技术约定系统为测点添加“位置标签”的规则； “三带”可视化曲线绘制技术用于依据“位置标签” 绘制测点氧气浓度随测点与采面的相对位置变化而 变化曲线。 2．1束管维护技术 为确保在工作面推进过程中各束管监测点根据 监测需要按照一定的间距合理分布在“氧化带” 附 近， 进而对氧气浓度等参数进行充分监测， 必须按照 科学的方法在上隅角位置对束管通过剪断方式不断 维护，维护方法包括束管维护初始阶段和束管循环 维护阶段，束管维护初始阶段结束后紧接着束管循 环维护阶段开始。假设N 为束管个数； M 为要求的 束管监测点之间的距离； V 为采煤工作面回采速度。 1） 束管维护初始阶段。具体为 束管铺设完成 且采煤工作面开始推进设定为第 0 天， 那么， 第 M/V 天末剪断第 1 至第 N-1 根束管， 在第 2 （M/V） 天末 剪断第 1 至第 N-2 根束管， ， 第 i （M/V）天末剪 断第 1 至第 N-i 根束管， ， 第 （N-1） （M/V）天末 剪断第 1 根束管， 第 （N-1） （M/V） 天至第 N （M/V） 天不剪断束管， 该束管维护初始阶段结束。 2） 束管循环维护阶段。具体为 循环维护周期 为 （N1） （M/V） ， 对于任意 1 个循环维护周期， 该 循环维护周期开始后的第 M/V 天末剪断第 N 根束 管， 第 2 （M/V）天末剪断第 N-1 根束管， ， 第 i （M/V） 天末剪断第 N-i1 根束管， ， 第 （N-1） （M/ V） 天末剪断第 2 根束管， 第 N （M/V） 天末剪断第 1 根束管， 第 N （M/V） 天至第 （N1） （M/V） 天不剪断 束管， 该循环维护周期结束。 在束管维护初始阶段中，第 M/V 天末剪断第 1 至第 N-1 根束管，之后每经过 M/V 天就少剪断 1 根， 直到第 （N-1） （M/V） 天末剪断第 1 根束管， 这 样的话， 在最后 1 次剪断束管时， 能够保证各束管监 测点之间的距离就为 M。在束管循环维护阶段， 对 119 ChaoXing 第 51 卷第 4 期 2020 年 4 月 Safety in Coal Mines Vol.51No.4 Apr. 2020 于任意 1 个循环周期， 每经过 M/V 天末就按照相应 的顺序剪断 1 根束管， 所以， 在每一个循环周期， 均 能够保证所有的束管监测点的距离是确定的，并且 是要求的数值 M。 2.2测点位置标记技术 为了分析测点位置和氧气浓度等参数的关系， 火情监测系统软件为测点增加 “位置标签” 字段， 用 于对测点与采面的相对位置进行标记。 各测点今日位置标签为束管昨日位置标签和采 面回采速度之和；系统通过捕捉束管维护前后各种 参数的变化捕捉束管维护行为，并提醒监测人员进 行维护行为的确认。确认束管维护后系统自动将束 管昨日位置标签置为 0，支持手动修改并具有记忆 功能， 即手动修改某束管维护后的初始位置。 系统分别针对部署在采空区的每根束管进行测 点位置标签的计算。 2.3“三带” 可视化曲线绘制 氧气浓度是目前最常用的 “三带” 划分指标， 在一 定意义上， 自燃 “三带” 反映的是采空区测点氧气浓度 随测点与采面的相对位置变化而变化的关系[12-13]。 首先系统依据测点的 “位置标签” ， 计算多个相 同 “位置标签” 测点的氧气浓度平均值 （位置标签范 围约定为 0～200 m） ， 作为曲线绘制的数据； 然后以 氧气浓度为纵轴， 位置标签为横轴绘制曲线。 3自燃 “三带” 自动化分析技术的现场应用 寸草塔二矿 31 煤为不黏煤， 其挥发分高， 丝炭 含量高， 属于Ⅱ类自燃煤层。31202 采面位于 31 煤 二盘区，工作面推进长度 2 635.7 m，工作面宽度 310 m， 布置 3 条巷道， 分别为 31202 运输巷、 31202 辅运巷、 31203 辅运巷；工作面位于 22 煤 22111、 22113 采空区下方，采用倾向长壁后退式综合机械 化放顶煤开采， 存在自然发火风险， 需要对 “三带” 进行观测以指导防灭火工作。 在 31203 辅运巷侧部署 3 根束管并按照束管维 护技术对束管进行维护，系统利用 3 根束管对各测 点参数进行循环监测， 采用自燃 “三带” 自动化分析 技术， 根据 31202 采面回采情况、 各测点实测的温度 和氧气浓度大小，其中以各测点实测的氧气平均浓 度大小与束管测点与工作面之间的距离的关系,自 动绘制 31202 采空区自燃 “三带” 划分图。各测点氧 气浓度平均值见表 1， 依据测点的 “位置标签” ， 计算 多个相同 “位置标签” 测点的氧气浓度平均值。自动 绘制的 31202 采空区自燃 “三带” 划分图如图 1。 在系统界面 “业务分析” 主菜单下查询 31202 工 作面采空区自燃 “三带” 划分结果， 将氧气浓度 18 作为散热带和氧化带的划分标准，以氧气浓度 8 作为氧化带和窒息带的划分标准，可知 31202 采空 区回风侧散热带范围为 采面后方 0～60 m； 氧化带 范围为采面后方 60～130 m； 窒息带范围为采面后方 130 m 至采空区深部。 另外， 由于各测点的温度大小与气体成分大小， 随着工作面推进过程中各种通风参数和工作面回采 工艺参数的变化而变化， 因此， 根据各测点的温度大 小与气体成分大小，可分析评判工作面推进过程中 各种通风参数和工作面回采工艺参数变化对工作面 采空区 “自燃三带” 的影响规律， 可分析得到工作面 推进过程中地质构造或机电设备故障对 “自燃三带” 的影响， 从而及时调整工作面通风参数和回采参数， 同时为采取必要的防灭火技术措施提供依据。 4结论 1 ）依据自燃 “三带” 自动化分析技术， 可得 31202 采空区回风侧 “三带” 的范围分别为采面后方 0～60 m， 60～130 m 和 130 m 至采空区深部，这与数 值模拟分析技术的结果保持一致。 表 1各测点氧气浓度平均值 Table 1Average oxygen concentration at measuring each point 图 131202 采空区自燃 “三带” 划分 Fig.1Spontaneous combustion“three zones”partition in 31202 goaf 测点 位置/m 氧气 浓度/ 测点 位置/m 氧气 浓度/ 测点 位置/m 氧气 浓度/ 0 10 20 30 40 50 60 21.0 20.6 20.0 19.6 19.4 19.1 18.2 70 80 90 100 110 120 130 17.9 16.8 13.7 12.8 10.5 8.5 8.0 140 150 160 170 180 190 200 8.0 7.2 6.8 5.0 4.6 4.6 4.4 120 ChaoXing Vol.51No.4 Apr. 2020 Safety in Coal Mines 第 51 卷第 4 期 2020 年 4 月 2） 自燃 “三带” 动态分析技术主要包括束管维护 技术、 测点位置标记技术和 “三带” 可视化曲线绘制 技术三个部分。 3） 为了实现自燃 “三带” 动态分析， 需要部署分 布式火情监测系统， 并对束管进行合理维护。 4） 可以根据各测点的温度大小与气体成分大小， 分析评判工作面推进过程中各种通风参数和工作面 回采工艺参数变化对工作面采空区自燃“三带” 的 影响，得到工作面推进过程中地质构造或机电设备 故障对自燃 “三带” 的影响， 从而及时调整工作面通 风参数和回采参数，同时为采取必要的防灭火技术 措施提供依据。 参考文献 ［1］ 王德明．矿井火灾学 ［M］ ．徐州 中国矿业大学出版社， 2008 115－130． ［2］ 黎力， 李治刚， 奚弦， 等．采空区自然发火多场耦合数 值模拟研究 ［J］ ．中国矿业， 2017， 26 （3） 157－160． ［3］ 关万里．补连塔煤矿上覆采空区自然发火治理技术 ［J］ ．煤矿安全， 2017， 48 （S1） 32－36． ［4］ 王家学， 潘荣锟， 余明高．王台矿 2304 采面自燃 “三 带” 观测及数值模拟 ［J］ ．煤矿安全， 2010， 41 （4） 39. ［5］ 综采放顶煤工作面采空区注氮防灭火技术研究 ［D］ ． 太原 太原理工大学， 2016． ［6］ 桂小红， 蔚世鹏．综放工作面 Y 型通风方式下的采空 区自燃 “三带” 研究 ［J］ ．煤炭工程， 2019， 51 （2） 59. ［7］ 师传壮．某矿 CT101 工作面采空区自燃危险区域分析 ［J］ ．现代矿业， 2018， 34 （7） 185－187． ［8］ 谢巧军， 刘杰．分布式激光火情监控系统在寸草塔二 矿的应用 ［J］ ．陕西煤炭， 2019， 38 （3） 102－105． ［9］ 光力科技股份有限公司．提高矿井火情气体监测实时 性的控制系统和控制方法 ZL201610319780．5 ［P］ ． 2017－09－22． ［10］ 光力科技股份有限公司．一种矿用火情监测系统的束 管堵塞的诊断方法与装置 ZL201511000513．3 ［P］ ． 2018－06－05． ［11］ 光力科技股份有限公司．一种基于多参数交叉分析的 矿用火情预警方法及系统 ZL201610059386．2 ［P］ ． 2018－04－06． ［12］ 杨胜强， 张人伟， 邸志前， 等．综采面采空区自燃 “三 带” 的分布规律 ［J］ ．中国矿业大学学报， 2000 （1） 93－96． ［13］ 杨胜强， 秦毅， 孙家伟， 等．高瓦斯易自燃煤层瓦斯与 自燃复合致灾机理研究 ［J］ ．煤炭学报， 2014， 39 （6） 1094－1101． 作者简介 赵彤宇 （1967） ， 河南平顶山人， 高级工程 师， 中国矿业大学在读博士研究生， 光力科技股份有限公司 董事长，主要从事矿业安全工程技术和经营管理方面的实 践与研究。 （收稿日期 2019-07-25； 责任编辑 李力欣） 121 ChaoXing