火災(zāi)監(jiān)控報警系統(tǒng)在煤礦中的應(yīng)用

周裕濤

摘 要：目前的礦井自燃火災(zāi)束管監(jiān)測系統(tǒng)中，存在著實(shí)時性差、自動化程度低、監(jiān)測復(fù)雜，預(yù)警能力差等問題。文章提出了已在神東煤礦試點(diǎn)應(yīng)用的火災(zāi)監(jiān)控報警系統(tǒng)。通過寸草塔二礦的應(yīng)用表明，該系統(tǒng)很好地實(shí)現(xiàn)了煤礦火災(zāi)事故的預(yù)防、遠(yuǎn)程監(jiān)控、可視化、自動化、智能化的功能。

關(guān)鍵詞：火災(zāi)束管監(jiān)測；激光火災(zāi)監(jiān)測；環(huán)網(wǎng)交換機(jī)；光纖測溫

中圖分類號：TD752 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號：2095-2945（2017）34-0154-03

引言

目前礦井火災(zāi)監(jiān)測系統(tǒng)最常用的是礦井自燃火災(zāi)束管監(jiān)測系統(tǒng)，在實(shí)際應(yīng)用中存在以下主要問題：（1）由于需要將氣樣采集至地面進(jìn)行分析，當(dāng)束管管線較長時，束管抽出阻力大，使得氣體抽出時間太長，導(dǎo)致實(shí)時性差；（2）自動化程度低，氣相色譜儀每天使用前均需標(biāo)定；（3）對技術(shù)人員素質(zhì)要求高，檢測人員的素質(zhì)高低對監(jiān)測結(jié)果影響較大；（4）火災(zāi)監(jiān)測系統(tǒng)智能關(guān)聯(lián)分析和綜合評價預(yù)警能力差。

為解決目前煤礦束管火災(zāi)監(jiān)測普遍存的實(shí)時性差、自動化程度低、對技術(shù)人員素質(zhì)要求高，且火災(zāi)監(jiān)測系統(tǒng)智能關(guān)聯(lián)分析和綜合評價預(yù)警能力差的缺點(diǎn)，以《煤礦安全規(guī)程》、《礦井防滅火規(guī)范》、AQ6201-2006、AQ1029-2007等國家相關(guān)安全標(biāo)準(zhǔn)為業(yè)務(wù)指導(dǎo)，設(shè)計可視化、自動化、智能化的煤礦火災(zāi)監(jiān)測系統(tǒng)，促進(jìn)煤礦火災(zāi)監(jiān)測系統(tǒng)的應(yīng)用和發(fā)展。

1 實(shí)施目標(biāo)

1.1 建立井下分布式激光火災(zāi)監(jiān)測系統(tǒng)

基于激光氣體檢測技術(shù)和分布式光纖溫度傳感技術(shù)集成，實(shí)現(xiàn)煤礦火災(zāi)監(jiān)測的井下現(xiàn)場多種氣體成分分析自動化、分布式取氣自動化和溫度氣體參數(shù)交叉分析預(yù)警，解決煤礦束管火災(zāi)監(jiān)測系統(tǒng)存在實(shí)時性差、自動化程度低等缺點(diǎn)。

采用波長調(diào)制吸收光譜技術(shù)和分布式光纖溫度傳感技術(shù)設(shè)計煤礦火災(zāi)檢測參數(shù)數(shù)據(jù)采集設(shè)備，實(shí)現(xiàn)對采煤工作面采空區(qū)、密閉區(qū)等重要火災(zāi)監(jiān)測場所的CH4濃度、CO濃度、C2H2濃度、CO2濃度、O2濃度和溫度等參數(shù)的監(jiān)測，為火災(zāi)監(jiān)測預(yù)警提供數(shù)據(jù)資源和判斷依據(jù)。

火災(zāi)監(jiān)測參數(shù)數(shù)據(jù)采集設(shè)備主要包括礦用本安型激光火情監(jiān)測主機(jī)（以下簡稱氣體檢測主機(jī)）、礦用隔爆兼本安型光纖測溫控制柜（以下簡稱光纖測溫控制柜）和氣體采樣系統(tǒng)，其中氣體檢測主機(jī)主要完成對不同束管的氣體濃度檢測，包括CH4、CO、C2H2、CO2、O2氣體濃度，同時執(zhí)行地面監(jiān)測軟件系統(tǒng)發(fā)送的各種指令；光纖測溫控制柜主要包括電源系統(tǒng)和分布式光纖測溫系統(tǒng)，電源系統(tǒng)為井下火災(zāi)監(jiān)測參數(shù)數(shù)據(jù)采集設(shè)備提供電源，分布式光纖測溫系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)對監(jiān)測區(qū)域的溫度監(jiān)測，并為溫度提供定位距離；氣體采樣系統(tǒng)主要包括礦用分布式激光火災(zāi)監(jiān)測系統(tǒng)用礦用取樣輸氣泵站（以下簡稱輸氣泵站）和氣體取樣束管，輸氣泵站通過氣體取樣束管把監(jiān)測區(qū)域內(nèi)的氣體抽取至氣體檢測主機(jī)內(nèi)，由氣體檢測主機(jī)內(nèi)完成對氣體濃度的自動測量。

火災(zāi)監(jiān)測參數(shù)數(shù)據(jù)采集設(shè)備具有現(xiàn)場自動化、分析定制化的功能，可通過煤礦火災(zāi)監(jiān)測系統(tǒng)軟件實(shí)現(xiàn)氣體檢測主機(jī)和光纖測溫控制柜的遠(yuǎn)程或本地控制自動化，根據(jù)煤礦火災(zāi)監(jiān)測系統(tǒng)提供的經(jīng)數(shù)據(jù)訓(xùn)練產(chǎn)生的火災(zāi)模型和自動化監(jiān)測策略來完成基于火情溫度和氣體參數(shù)交叉分析的火災(zāi)監(jiān)測參數(shù)的自動化、定制化監(jiān)測與預(yù)警。

1.2 構(gòu)建智能化地面火災(zāi)監(jiān)測預(yù)警系統(tǒng)

構(gòu)建地面火災(zāi)監(jiān)測預(yù)警系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)基于井下火情氣體與溫度綜合集成分析的煤礦可視化火災(zāi)監(jiān)測、智能化中央集控、自動化采集分析、定制化模型訓(xùn)練、及時性火災(zāi)預(yù)警預(yù)報，解決煤礦束管火災(zāi)監(jiān)測系統(tǒng)業(yè)務(wù)分析能力差和缺乏火災(zāi)預(yù)警預(yù)報能力等缺點(diǎn)。

通過構(gòu)建井下火災(zāi)監(jiān)測參數(shù)數(shù)據(jù)采集裝置、數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)和地面火災(zāi)監(jiān)測系統(tǒng)，定制化控制分布式井下火災(zāi)監(jiān)測主機(jī)的取氣策略，對監(jiān)測現(xiàn)場取氣采樣分析結(jié)果進(jìn)行采集、加工和分析，建立多種氣體（CH4、CO、C2H2、CO2、O2濃度等）、溫度等參數(shù)的業(yè)務(wù)關(guān)聯(lián)邏輯，基于定制化火災(zāi)監(jiān)測分析訓(xùn)練模型進(jìn)行深度關(guān)聯(lián)分析，發(fā)現(xiàn)異常根據(jù)定制化應(yīng)對策略和中央集控模型，調(diào)整取氣采樣頻率，對井下火災(zāi)監(jiān)測參數(shù)數(shù)據(jù)采集設(shè)備進(jìn)行信息調(diào)度、可視化監(jiān)測和火災(zāi)預(yù)警預(yù)報。

通過對火災(zāi)監(jiān)測參數(shù)數(shù)據(jù)采集設(shè)備的工作模式設(shè)置，使氣體檢測主機(jī)工作于中央集中控制策略的定制化自動模式，可按照中央設(shè)定的自動化監(jiān)測策略和異常應(yīng)對策略，完成對采煤工作面采空區(qū)、密閉區(qū)等重要火災(zāi)監(jiān)測場所的火災(zāi)監(jiān)測參數(shù)采集和分析。

通過煤層煤質(zhì)特征實(shí)驗，基于火災(zāi)預(yù)警預(yù)報模型對實(shí)驗數(shù)據(jù)進(jìn)行訓(xùn)練，建立適用于目標(biāo)煤礦的火災(zāi)預(yù)警預(yù)報模型，實(shí)現(xiàn)對火災(zāi)監(jiān)測的及時準(zhǔn)確預(yù)警預(yù)報。

2 建設(shè)方案

2.1 總體建設(shè)方案

根據(jù)《煤礦安全規(guī)程》、《礦井防滅火規(guī)范》等煤礦行業(yè)安全標(biāo)準(zhǔn)中的相關(guān)規(guī)定，需要在采煤工作面和采空區(qū)進(jìn)行煤礦火災(zāi)監(jiān)測，提高火災(zāi)預(yù)警能力，火災(zāi)的早期發(fā)現(xiàn)和監(jiān)測是礦井火災(zāi)防治的前提。

為避免常用的礦井自燃火災(zāi)束管監(jiān)測系統(tǒng)的缺點(diǎn)，采用礦用分布式激光火情監(jiān)測系統(tǒng)，該系統(tǒng)由布置井下的煤礦火災(zāi)監(jiān)測參數(shù)數(shù)據(jù)采集設(shè)備、數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)和地面火災(zāi)監(jiān)測系統(tǒng)組成。由于煤礦火災(zāi)監(jiān)測參數(shù)數(shù)據(jù)采集設(shè)備布置與井下，更加靠近采煤工作面和采空區(qū)，使井下束管長度大大縮短，從而使氣體采樣時間大大減小，提高了火災(zāi)監(jiān)測參數(shù)數(shù)據(jù)采集和分析的實(shí)時性。另外，由于束管長度的大大縮短，也極大地降低了束管漏氣的可能性，提高了火災(zāi)監(jiān)測參數(shù)的真實(shí)性和可靠性。

2.2 建設(shè)智能化的煤礦井下火災(zāi)參數(shù)監(jiān)測系統(tǒng)

井下火災(zāi)監(jiān)測參數(shù)數(shù)據(jù)采集設(shè)備主要包括激光火情監(jiān)測主機(jī)、光纖測溫控制柜和氣體采樣泵等組成，以相鄰的多個火災(zāi)監(jiān)測區(qū)域共同組成一個火災(zāi)監(jiān)測單元，通過在井下部署火災(zāi)監(jiān)測參數(shù)數(shù)據(jù)采集設(shè)備，實(shí)現(xiàn)煤礦火災(zāi)監(jiān)測的分布式取氣自動化、多種氣體成分分析自動化和定制化。

2.3 建立基于以太網(wǎng)的數(shù)據(jù)傳輸高速通信系統(tǒng)

數(shù)據(jù)傳輸網(wǎng)絡(luò)包括井下數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)和地面數(shù)據(jù)傳輸網(wǎng)絡(luò)，為提高傳輸速度，煤礦火災(zāi)監(jiān)測系統(tǒng)采用以太網(wǎng)光纖環(huán)網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)作為數(shù)據(jù)傳輸網(wǎng)絡(luò)。利用以太網(wǎng)光纖環(huán)網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)，實(shí)現(xiàn)基于以太網(wǎng)的火災(zāi)監(jiān)測參數(shù)與地面火災(zāi)監(jiān)測系統(tǒng)的高速通信。endprint

2.4 建立可視化、自動化和智能化的煤礦火災(zāi)監(jiān)測預(yù)警系統(tǒng)

地面火災(zāi)監(jiān)測預(yù)警系統(tǒng)主要包括地面基礎(chǔ)支撐服務(wù)器系統(tǒng)和煤礦火災(zāi)監(jiān)測軟件組成，地面火災(zāi)監(jiān)測系統(tǒng)通過數(shù)據(jù)傳輸網(wǎng)絡(luò)自動采集分析井下火災(zāi)監(jiān)測參數(shù)并根據(jù)火災(zāi)監(jiān)測模型，實(shí)現(xiàn)煤礦火災(zāi)的可視化監(jiān)測、自動化中央控制和火災(zāi)預(yù)警預(yù)報。

3 技術(shù)實(shí)施

煤礦井下需要進(jìn)行火災(zāi)監(jiān)測的區(qū)域主要有采煤工作面采空區(qū)、密閉區(qū)等場所，通過煤礦井下火災(zāi)監(jiān)測參數(shù)數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)和地面火災(zāi)監(jiān)測系統(tǒng)來實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場分布式取氣自動化、多種氣體成分分析自動化和定制化及煤礦火災(zāi)監(jiān)測的可視化監(jiān)測、自動化采集分析和定制化火災(zāi)模型訓(xùn)練，從而實(shí)現(xiàn)火災(zāi)預(yù)警預(yù)報。

3.1 系統(tǒng)設(shè)計依據(jù)

煤層具有自燃現(xiàn)象，煤炭在其生成過程中形成許多含氧游離基，在低溫下，煤從空氣重吸附的氧氣與這些游離基發(fā)生反應(yīng)，并釋放熱量。煤發(fā)生氧化反應(yīng)后，使煤層的溫度進(jìn)一步升高。煤的溫度升高后，又加速了煤的氧化反應(yīng)速度，就使煤層的溫度越來越高，當(dāng)溫度超過煤的自燃點(diǎn)時，就會自燃。

決定礦井或煤層自燃發(fā)火危險程度的因素一是煤的自燃發(fā)火傾向性，二是地質(zhì)采礦技術(shù)，煤層自燃的原因既和內(nèi)因有關(guān)，如煤的變質(zhì)程度、煤層含水量、煤層瓦斯含量等，也和外因有關(guān)，如煤層厚度，采煤方法等。

在煤礦作業(yè)過程中，將地下煤炭或煤矸石等開采完成后留下的空洞或空腔稱為采空區(qū)，采空區(qū)可能存在遺煤和漏風(fēng)影響，當(dāng)氧含量達(dá)到一定程度后，采空區(qū)內(nèi)的遺煤和浮煤就會發(fā)生氧化而積聚熱量產(chǎn)生自燃。

煤礦自燃嚴(yán)重威脅著煤礦的安全生產(chǎn)、制約著煤礦的生產(chǎn)，因此，為防止采煤工作面發(fā)生煤層自燃現(xiàn)象，需對采煤工作面（一般為采煤工作面的上隅角）布置井下火災(zāi)監(jiān)測參數(shù)數(shù)據(jù)采集設(shè)備，對火災(zāi)監(jiān)測參數(shù)進(jìn)行實(shí)時監(jiān)測，在煤層自燃的準(zhǔn)備期和自熱期對煤層自燃進(jìn)行火災(zāi)預(yù)警；而采空區(qū)煤礦自燃在煤礦自燃發(fā)生總體中占有重要的部分，我國國有重點(diǎn)煤礦中采空區(qū)煤炭自燃占自燃火災(zāi)的60%，因此加強(qiáng)對采空區(qū)自燃的火災(zāi)監(jiān)測室有效防止和控制煤礦火災(zāi)發(fā)生的重要措施。

3.2 井下火災(zāi)監(jiān)測系統(tǒng)測點(diǎn)設(shè)置

煤礦井下的采煤工作面采空區(qū)、密閉區(qū)等是煤礦火災(zāi)監(jiān)測的重點(diǎn)區(qū)域，因此煤礦井下火災(zāi)監(jiān)測系統(tǒng)的測點(diǎn)布置也圍繞采煤工作面采空區(qū)、密閉區(qū)進(jìn)行設(shè)置。

煤層在開采過程中由于煤炭與氧氣接觸后發(fā)生氧化過程而產(chǎn)生熱量積聚，當(dāng)熱量積累到一定程度后就會發(fā)生煤炭自燃等現(xiàn)象，并釋放多種氣體。為了防止煤層在開采過程中是否發(fā)生了煤炭自燃的火災(zāi)事故，需對處于開采過程中的采煤工作面進(jìn)行火災(zāi)監(jiān)測，采煤工作面的火災(zāi)監(jiān)測點(diǎn)一般都選擇采煤工作面的回風(fēng)側(cè)，同時靠近回風(fēng)巷上幫和采空區(qū)邊緣的三角地帶即上隅角，因上隅角區(qū)域通風(fēng)不好，溫度濕度較高，容易積聚采空區(qū)和采面交匯釋放的氣體；而采空區(qū)基本都是密閉空間，但由于存在漏風(fēng)、遺煤等原因，而且由于采空區(qū)監(jiān)測相對困難，因此采空區(qū)內(nèi)更容易發(fā)生煤層自燃等火災(zāi)事故，因此通過監(jiān)測采煤工作面上隅角和采空區(qū)的CH4濃度、CO濃度、C2H2濃度、O2濃度、CO2濃度和溫度等參數(shù)可實(shí)現(xiàn)對煤礦火災(zāi)的預(yù)警預(yù)警。

為了提高煤礦井下火災(zāi)監(jiān)測系統(tǒng)對火災(zāi)監(jiān)測參數(shù)的實(shí)時性、提高設(shè)備利用率，煤礦井下火災(zāi)監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計時應(yīng)注意以下事項：

（1）單元化監(jiān)測，即以不超過4個采煤工作面采空區(qū)、密閉區(qū)等監(jiān)測點(diǎn)為一個監(jiān)測單元，每個監(jiān)測單元共用一套井下火災(zāi)監(jiān)測參數(shù)數(shù)據(jù)采集設(shè)備，為每個監(jiān)測點(diǎn)分別鋪設(shè)氣體采樣束管和測溫光纖，然后由同一套火災(zāi)監(jiān)測參數(shù)數(shù)據(jù)采集設(shè)備完成參數(shù)檢測。

（2）就近原則，一是井下火災(zāi)監(jiān)測參數(shù)數(shù)據(jù)采集設(shè)備中的光纖測溫控制柜需要引入660V AC，因此為取電方面需要把井下火災(zāi)監(jiān)測參數(shù)數(shù)據(jù)采集設(shè)備部署在靠近配電硐室的位置；二是每個監(jiān)測單元所包含的4個監(jiān)測點(diǎn)應(yīng)為相鄰采煤工作面上隅角或者采空區(qū)，且相距最遠(yuǎn)的兩個監(jiān)測點(diǎn)間最大距離不超過4km。

4 實(shí)施案例

4.1 井下火災(zāi)參數(shù)監(jiān)測系統(tǒng)建設(shè)方案

本文以神東集團(tuán)寸草塔二礦礦井31102綜采工作面布置為例，對井下井下火災(zāi)參數(shù)監(jiān)測系統(tǒng)建設(shè)做簡單介紹。火災(zāi)監(jiān)測點(diǎn)布置如下：31102綜采工作面上隅角、滯后31102綜采工作面的兩個采空區(qū)。

31102綜采工作面位于31煤層，該工作面采用雙巷回風(fēng)方式，兩條回風(fēng)巷的距離約為10m，測點(diǎn)T1-2和測點(diǎn)T1-3分別為31102綜采工作面開采方向后方的兩條回風(fēng)巷封堵后形成的采空區(qū)。監(jiān)測單元1的3個測點(diǎn)中，測點(diǎn)T1-1即31102綜采工作面上隅角為移動測點(diǎn)，即測點(diǎn)位置會隨著工作面的開采進(jìn)度而移動；測點(diǎn)T1-2和測點(diǎn)T1-3為固定測點(diǎn)，當(dāng)采空區(qū)內(nèi)氧氣含量低于5%時則斷開此測點(diǎn)的監(jiān)測。圖2中的設(shè)備位置關(guān)系如下所述：

（1）井下火災(zāi)監(jiān)測參數(shù)數(shù)據(jù)采集設(shè)備位置S位于31102

綜采工作面的31102輔運(yùn)順槽處的一處配電硐室內(nèi)，此配電硐室距離31102綜采工作面上隅角距離為200m；（2）測點(diǎn)

T1-2位于31102綜采工作面上隅角后方約為150，T1-3位于T1-2后方約50m。

4.2 監(jiān)測單元數(shù)據(jù)傳輸

寸草塔二礦井下已建立完整的以太網(wǎng)光纖環(huán)網(wǎng)，可直接利用已有的以太網(wǎng)光纖網(wǎng)絡(luò)把激光火情監(jiān)測主機(jī)和光纖測溫控制柜的監(jiān)測數(shù)據(jù)上傳至地面煤礦火災(zāi)監(jiān)測系統(tǒng)。

在井下火災(zāi)監(jiān)測參數(shù)數(shù)據(jù)采集設(shè)備安裝位置處安裝一臺礦用信號轉(zhuǎn)換器，將激光火情監(jiān)測主機(jī)和光纖測溫控制柜通過雙絞線把監(jiān)測參數(shù)數(shù)據(jù)上傳至礦用信號轉(zhuǎn)換器中，通過礦用信號轉(zhuǎn)換器實(shí)現(xiàn)將RJ45信號轉(zhuǎn)換為光信號后再接入以太網(wǎng)光纖環(huán)網(wǎng)。礦用信號轉(zhuǎn)換器的電源可利用光纖測溫控制柜的預(yù)留本安電源電源輸出。

5 結(jié)束語

礦井火災(zāi)監(jiān)測報警系統(tǒng)束管火災(zāi)監(jiān)測實(shí)時性好、自動化程度高、操作簡單可靠，且火災(zāi)監(jiān)測系統(tǒng)智能關(guān)聯(lián)分析和綜合評價預(yù)警能力強(qiáng)，是今后煤礦火災(zāi)監(jiān)測系統(tǒng)的發(fā)展方向。

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