我國礦井火災預警技術及裝備研究進展*

馬 斌，蔣上榮，翟小偉，3

(1．寧夏王洼煤業有限公司王洼二礦，寧夏 彭陽 756500;2．西安科技大學安全科學與工程學院，陜西西安 710054;3．陜西省煤火災害防治重點實驗室，陜西 西安 710054)

0 引言

安全是實現煤礦正常生產的重要前提和保障。而我國多數煤礦因煤層賦存條件復雜、開采條件困難等原因，導致煤礦開采生產過程中事故頻發，其中，礦井火災更是煤礦安全生產中的重大災害類型之一。我國90%以上的煤層屬自燃或易自燃煤層，煤炭自燃引起的火災占礦井火災總數的85%～90%，其中采空區自燃火災占煤礦內因火災的60%以上［1］。礦井火災按引發的不同原因分為內因火災和外因火災。內因火災具有自然發火地點隱蔽、持續時間較長、不易察覺等特點，是礦井火災防治的重點。基于這些特點，使得礦井內因火災的防治難度加大，嚴重威脅著井下工作人員的生命安全、機械設備的財產安全和煤礦開采過程中的生產安全。因此，礦井火災的預警就顯得尤其重要。

文中總結和分析了現有礦井火災預警研究基礎和技術裝備，發現了其中存在的一些不足之處，并對礦井火災預警技術及裝備的發展提出了展望。

1 礦井火災預警的研究基礎

在礦井生產過程中，煤自燃相關理論對于礦井火災的準確預警具有重要的指導意義，預警技術和裝備的研發也是建立在溫度、氣體等預測預報指標及其對應關系的基礎上。目前，相關研究主要集中在:煤自燃傾向性的鑒定、煤自然發火期的預測和礦井火災預測預報方法等幾個方面。

1．1 煤自燃傾向性

從20世紀50年代開始，我國先后經歷了克雷倫法、雙氧水法和靜態物理吸氧法測試等階段［2］。在幾代科研工作者的努力后，我國絕大多數實驗室現階段普遍采用手段先進的色譜吸氧鑒定法鑒定。該方法測試手段較為先進，但在現場實際應用過程中仍存在一些問題。該測試方法的準確性、重復性及實踐性還有待進一步提升。

1．2 煤自然發火期

煤自然發火期的預測方法主要有統計法、類比法、大中型煤自然發火實驗測試法、小試樣絕熱實驗法、建立數值模擬計算模型等方法。目前，一般采用大中型煤自然發火實驗測試法。國內在模擬煤的自然發火過程方面，最早研發裝煤量較大且測試結果較為可靠的是西安科技大學研制的煤自然發火實驗臺［3］。該方法較準確，現已被大量應用于現場煤礦煤層自然發火預測預報工作中，對現場的防滅火工作起到了很好的指導作用，但實驗周期長、用煤量多、成本高、難以進行重復性實驗。

1．3 礦井火災預測預報技術

預測技術主要有煤自燃危險區域判定法、綜合評判預測法、統計經驗法和建立礦井火災數學模型模擬計算法等［4］。因為井下實際開采條件復雜，影響因素較多，這些預測技術和手段僅表現在定性預測判斷上，很難進行定量定點的準確預測，使得預測結果并不準確，與實際有所偏差。

預報技術主要有測溫法和指標氣體分析法等。目前，測溫法是發現煤自燃、探尋高溫點和探測隱蔽火源的最直接、可靠的方法，但因為煤巖導熱性能差，關于松散煤體內部溫度的測溫技術和手段尚未成熟完善，同時要受測點的布置位置和數量的限制，仍有不足之處。指標氣體分析法現階段已相對比較完善，但是因為所檢測的指標氣體均為已經有煤自然發火跡象時的標志，故在監測的時空上有滯后性，又因標志氣體濃度較小，當檢測儀的精度不高時，使得測試結果準確性不高，系統誤報、漏報率高。

2 礦井火災預警技術及裝備

2．1 基于氣體測試的礦井火災預警技術及裝備

目前，在礦井生產過程中，基于氣體測試使用較多并且預警準確率較高的礦井火災預警技術主要有煤礦安全監控系統和束管監測系統。

煤礦安全監控系統:從20世紀80年代開始，我國在部分煤礦試用了從歐美發達國家引進的煤礦安全監控系統。之后我國科研工作者采用先引進后消化吸收的方法并結合我國煤礦安全生產的實際情況，研制出了KJ系列煤礦安全監控系統，被廣泛推廣應用于煤礦井下，起到了很好的作用。近年來，很多學者在該系統基礎上采用先進的技術研發了多種新型監測監控系統，例如宗朝陽等［5］基于Zigbee技術，設計了僅通過Zigbee傳輸協議在地面上即可完成對井下帶式傳送機整個運行過程的監測顯示、控制、保護、報警和管理的煤礦井下通風機監控系統。許金［6］提出了一種將物聯網技術應用于煤礦安全監控系統體系的架構，劉東［7］基于此基本架構，構建了實際的應用模型，并結合煤礦安全生產實際情況和所應用的各類裝備設施，設計出了完整的煤礦安全物聯網網絡架構和開發出了詳細的硬件系統和軟件系統。

束管監測系統:束管監測系統現階段主要分為色譜類束管監測系統和紅外類束管監測系統兩大類。鄧軍等［8］從JSG-8型束管監測系統的基本原理入手，對氣樣傳輸分析滯后時間、測點布置方案、系統的智能化設計等關鍵技術進行了分析，為束管監測系統在現場的正確使用和準確監測提供了參考依據。蔡周全等［9］針對束管監測系統在煤礦井下防滅火工作的應用現狀，根據南梁煤礦的實際情況以及煤樣的程序升溫實驗數據開發了基于束管系統的煤自燃預警系統，為煤自燃預警提供了技術支持。

2．2 基于溫度測試的礦井火災預警技術及裝備

目前，在礦井生產過程中，基于溫度測試的預警技術及裝備主要有:激光氣體分析預警、紅外測溫預警、溫度傳感器預警等方面。

基于激光氣體分析預警:在激光氣體分析方面，魏超等［10］基于煤自燃過程各標志氣體釋放時間及濃度不同的特點以及煤礦采空區三帶呈靜態分布的理論，設計了一種以激光氣體分析為檢測手段的礦井火災預警裝備。馮波［11］針對氣相色譜法監測系統不能連續用于現場監測和在線監測裝置對溶解于油中的氣體檢測時存在交叉干擾的情況，提出了將紅外激光氣體分析法用于檢測變壓器油中溶解氣體的方法，并通過C2H2的檢測得到了驗證;馮文斌［12］以可調諧半導體激光光譜吸收檢測技術為基礎，設計研發了集高精度、寬量程、抗干擾、低誤差等優勢為一體的礦用激光光譜多參數災害氣體分析檢測裝備。

紅外測溫預警:紅外線測定法的實質是自然界的任何物體只要處于絕對零度之上，都會自行向外發射紅外線。物質溫度越高，輻射能量就越大，則紅外測溫儀或紅外熱成像儀接受輻射量或輻射溫度就越高，根據這個原理就可利用紅外監測儀器溫度的高低來確定井下巷道煤炭自燃的燃燒程度及范圍。這種方法比較簡單，可以快速地判斷出自燃程度及范圍。在測定時要求中間無遮擋物，因此主要用于浮煤堆、煤壁、煤柱等自燃隱患與自然發火火源的探測，但對于采空區發火點或離巷壁較遠的火源點的有效探測具有一定的難度。

溫度傳感器預警:溫度傳感器探測法是自燃高溫探測方法中應用最為廣泛的方法。①采用溫度傳感器監測井下空氣溫度變化情況;②采用溫度計、熱電阻、熱電偶和傳導式溫度傳感器等，對采空區內煤體進行接觸式溫度檢測，或通過施工測溫鉆孔，利用溫度傳感器探測鉆孔孔底和孔壁的溫度情況。無線溫度傳感器、分布式測溫光柵和分布式測溫光纖都采用接觸式溫度檢測技術，都可歸類為傳導式溫度傳感器。無線溫度傳感器可預埋在采空區內，通過定期發送無線信號傳送檢測結果到專用的信號接收裝置，實現對測點溫度的檢測。分布式測溫光柵可同時進行一定數量測點溫度的連續檢測，分布式測溫光纖可實現對埋設測溫光纖的線狀分布測點的溫度進行連續在線監測。在分布式光纖測溫方面，顏試［13］將分布式光纖測溫技術應用于煤礦火災預警的溫度監測，該裝置實現了長距離、大范圍的溫度測量。劉淵龍［14］提出分布式光纖測溫系統在煤礦的應用，有效地提高煤炭的運輸質量，能夠準確地測量出傳輸皮帶各個點的溫度，及時發現其中存在的故障并且進行報警，保證皮帶傳送機安全運行。田兵［15］采用分布式光纖測溫技術，實現了對礦井溫度場無盲區的測量;并針對主流廠家的測溫主機，設計并實現了具有統一的監控解決方案、標準的驅動接口、實時監測、預警等功能的測溫系統軟件。

3 發展趨勢分析

3．1 煤自燃基礎理論的研究

在判斷煤自然發火危險性時，目前實驗室普遍使用的色譜吸氧法測定煤自燃傾向性，測試手段較為先進，但測定結果并不準確，與實際相差較大;現有的預測煤自然發火期的方法中，大中型實驗爐模擬煤自燃實驗法測試結果較為準確，但周期長、成本高、難以進行重復實驗進行驗證;現階段用于煤自燃預報的指標氣體受風量、風壓和檢測地點等多種因素影響較大，在及時準確地反映煤層自燃危險性方面存在較大的局限性。

對于煤自燃基礎理論及預測預報方面，需進一步探索研究煤自燃的微觀機理及影響因素，同時繼續探索、優化或研發煤自燃傾向性測定方法，使得測定結果準確，對煤自燃傾向等級劃分更加細致明確;進一步探索小型實驗爐或其他方法測試煤自然發火期，使得測試結果準確，并達到周期小、成本低、可重復實驗等目的。通過對煤自燃傾向性、煤自然發火期的進一步研究，使礦井火災預測預報更為準確和及時。

3．2 對礦井火災預警技術和裝備的研究

現階段的礦井火災預警技術和裝備一般只實現了火災氣體指標的在線監測，在線分析預報的功能還不完善，只具有單指標超限報警功能，或多指標共同耦合分析時，指標權重還不夠完善，各類火災監測預報指標及系統配合度不高，信息共享差，缺少對火災信息的全面采集、處理和分析，系統誤報、漏報率較高，很難及時準確地判定發火位置。另外，基本上還沒有一套集火災監測、預警、救災預案自動生成和火災控制裝備于一體的比較完善的煤自燃監控系統，智能化煤自燃火災預警系統基本上仍處于空白。

需要進一步挖掘礦井火災預警裝置體系化、智能化的潛力，提高煤自燃預報的準確度和可靠性，進行礦井火災預警技術與裝備的系統研究，并加大在應用方面的投入力度，全面提高礦井安全生產和管理水平，改善礦井安全生產形勢。

4 結論

(1)礦井火災預警研究基礎理論和方法，主要基于氣體測試和溫度測試兩個方面，結合礦井火災預警技術和裝備對我國目前的研究現狀進行了總結，分析了現有研究中存在的局限性，并對未來的發展趨勢進行了展望。

(2)應進一步加強煤自燃基礎理論的研究，加深對煤自燃過程的認識與了解，從而優化煤自燃傾向性預測方法和煤自然發火期的精準預測，從理論上為煤自燃預測預報提供依據。

(3)進一步加強對煤自燃預警技術和裝置研究的科研力度，努力挖掘和實現礦井火災預警技術和裝置的體系化、智能化、一體化潛力，提高煤自燃預測預報的準確性和可靠度，同時實現集礦井火災預測預報、預警、應急響應、智能化滅火和救災于一體的綜合性系統，全面提高礦井安全，保障礦井的正常生產和人員安全。