某礦工作面煤層自燃預警系統設計及應用

張曉龍

(山西汾西礦業(集團)有限責任公司宜興煤業有限責任公司)

礦井安全生產監控系統以及礦井束管監測系統大多用于監測煤炭自燃發火指標氣體的濃度、產生的速率等，無法直觀反應出監測區域的煤層自燃氧化程度、高溫點的溫度[1-4]。為有效實現煤層自燃預警，本研究對某礦工作面煤層自燃預警系統進行設計開發和應用。

1 系統功能設計

1.1 煤層自燃預警系統構成

本研究煤層自燃預警系統模塊如圖1所示。

1.2 軟件后臺部分構成

軟件后臺部分的核心內容是預警模型以及預報警指標。本研究利用Java語言對煤層自燃預警指標進行編輯和描述，并將其轉化為計算機語言程序，系統在采集相關信息后便可利用該類程序進行數據處理和顯示[5-7]。

1.3 軟件界面構成

煤層自燃預警系統作為一個子系統鑲嵌于礦山預警預報智能決策支持平臺系統中，系統啟動后顯示登錄界面，登錄后進入主窗口，主窗口包括多個子系統，用戶可點擊進入煤層自燃預警系統。為了方便管理人員能夠獲取最主要的監控信息，軟件界面主要顯示溫度、氣體實時變化曲線、預報警信息、監測區域的自燃情況以及月度分析報告，如果需要查找歷史數據，可以點擊相應的區塊，便可以進入到相應的下一級頁面中，進而可以查詢、分析相應區塊的歷史數據。

2 工作面預警信息采集

某礦主要采用KJ90NB礦井安全生產監控系統以及KSS-2100束管色譜監測系統。本研究煤層自燃預警系統主要是基于KSS-2100束管色譜監測系統和KJ90NB礦井安全生產監控系統進行設計開發[8-9]。

(1)煤礦安全監控系統。KJ90NB安全監控系統通過各個傳感器，可以實時采集一些礦井安全生產信息，經過一系列傳輸，可以呈現于顯示設備上，并且能夠生成一些報表，涉及到203206工作面的監測數據有工作面溫度、瓦斯濃度，工作面回風口風速、瓦斯濃度，以及工作面斷電器是否正常工作等。

(2)束管監測系統。KSS-2100束管色譜監測系統可以由計算機對其進行控制，通過產生負壓達到抽取測點氣樣的目的，而后通過管路運送至色譜儀中，由色譜儀進行分析檢測，并將檢測結果將反饋給計算機，再由計算機軟件對各類檢測數據進行匯總。該系統主要監測的氣體為O2、N2、CO、CO2、CH4、C2H6、C2H4、C2H2，可通過C2H6、C2H4氣體濃度計算出烷烯比的含量比值，即w(C2H4)/w(C2H6)。該礦20306工作面束管抽取氣體樣品的探頭主要安裝于采空區、回風側、工作面中心位置以及工作面等。

(3)人工監測。當束管監測系統出現故障后無法實現自動監測時，或監測結果不準確時，一般采用人工監測手段。人工監測可以作為一種輔助性監測手段，當束管監測系統的監測數據出現一些不規律的數據，并且根據該類數據無法有效判斷煤層自燃情況時，應采取人工采樣監測手段。當人工檢測數據與束管監測數據對比出現較大差異時，應檢查束管管路情況，檢查是否有損壞，或工作人員操作束管時的操作過程是否正確。

3 預警系統參數設置

3.1 預警值設置

本研究設計了煤層自燃預警系統預警點的預警指標，并對預警信息進行了分級，結果見表1。

表1 煤自燃預警系統預警指標信息

3.2 無效氣樣剔除

束管監測系統在實際運用過程中難免會有無效氣樣產生，為確保系統的預報結果更為準確，有必要排除該類干擾數據。本研究運用特里克特比率Tr參數去排除一些干擾數據[4]，通過將該參數植入到束管監測系統中，可以減少一些因無效氣樣引起的誤差數據。一般說來，Tr值不大于1.6，如果Tr大于1.6，應對該數值對應的氣樣進行舍棄。

3.3 預警模型構建

本研究設計的煤層自燃預警系統的工作流程如圖2所示。

圖2 煤層自燃預警系統預警模型工作流程

4 20306工作面應用效果

(1)系統測試內容。①分析煤層自燃預警系統是否能夠及時獲取束管監測系統和安全監控系統的監測數據，且不會提取一些錯誤信息，長時間運行時系統運行是否可靠；②測試系統的分析結果是否能夠及時通過界面進行顯示，顯示效果是否能夠達到設計要求，點擊相應的模塊能否進入對應的下一級菜單；③測試系統分析結果是否可靠，通過現場復雜環境的測試，分析系統的測試結果是否符合工作面煤層自燃實際情況。

(2)運行測試流程。首先測試系統界面的顯示情況，采空區溫度曲線、預警指標氣體濃度曲線以及預警報警情況是否能夠正常顯示，點擊進入該類區塊后能否顯示各自的歷史數據；其次測試系統能否在特定的數據庫中正常獲取數據，以及提取數據的間隔時間是否符合設計要求；然后分析系統監測分析結果與人工分析結果是否一致，在設定指標達到預警級別后，系統是否能夠按照預先設計的預警流程進行預警；最后該系統能否正常產生分析報告，分析報告是否符合設計要求。上述功能測試完畢后，使系統長期處于運行狀態，檢測個模塊之間的相互配合情況。

(3)測試結果。①系統預警功能，聯機運行時，通過KJ90NB安全監控系統監測到20306工作面采空區回風流CO濃度為2×10-6，通過束管系統監測到的采空區回風側CO濃度為1.97×10-6，此時判斷煤體沒有發出自燃氧化反應，在系統測試的時間段內，20306工作面一直處于正常生產狀態，有時能夠檢測出少量CO，但一直未能達到預警點，因此，對于系統預報警點設置的合理性仍需進一步驗證；②系統運行穩定性，系統在井下不間斷運轉了一段時間，期間采集了大量的煤層自燃氧化特征參數，并對其進行了分析和儲存，系統各功能模塊都能夠正常運轉，系統運行比較穩定。

5 結 語

對某礦KSS-2100束管色譜監測系統和KJ90NB礦井安全生產監控系統進行了有機集成，開發了工作面煤層自燃預警系統，實現了煤層自燃預警的關鍵功能，主要包括煤層自燃特征信息采集與監測、煤層自燃火災預警、系統分析與報表等，能夠實時監測煤層自燃氧化情況，系統各功能模塊都能夠正常運轉，系統運行穩定性較好。