礦井防火關鍵參數在線監測裝置應用實踐

文/李 志（淮北礦業集團公司）

火災是嚴重威脅煤礦安全生產的重要災害之一，極易造成群死群傷。據統計，在我國開采的煤礦中，存在自然發火危險的礦井占總礦井數的70%左右，自然發火煤層占累計可采煤層數的80%，且自然火災發生的次數占礦井火災總數的94%以上。因此，如何有效地進行火災早期預報，準確精準地識別標志性氣體，將火災事故消除于萌芽狀態是煤礦防火工作的重點和難點之一。《煤礦防滅火細則》要求，“開采容易自燃和自燃煤層的礦井，必須建立注漿系統或者注惰性氣體防火系統，并建立煤礦自然發火監測系統”。目前，絕大多數礦井都裝備使用了束管監測系統，實現對井下氣體的監測，但該檢測方式存在抽氣管路長、氣樣純度無法保證、采樣點無法準確對應等缺點，實際使用效果并不理想，且設備安裝、維護工作量較大，亟須得到改進。

一、礦井防火關鍵參數在線監測裝置組成與工作原理

為有效解決現階段自然發火預測預報中存在的問題與不足，淮北礦業集團與中煤科工集團重慶研究院合作，共同開發了礦井防火關鍵參數在線監測裝置（以下簡稱防火在線裝置）。該裝置由氣體自動采樣裝置、氧氣傳感器、一氧化碳傳感器、激光甲烷傳感器等主要設備組成。工作時利用自動采樣裝置對待測區域進行氣體采樣和濾水、濾塵處理，處理后的氣體經取樣管被各傳感器實時檢測和實時顯示，以此實現對煤礦采空區（或封閉墻）內甲烷、氧氣、一氧化碳等發火關鍵參數一站式靠近監測與獲取。上述裝置可就近接入煤礦安全監控系統，實現與監控系統的全面融合和實時監測。

二、防火在線裝置主要參數

1.氣體自動采樣裝置(CQB1 礦用本安型氣體采樣器)

（1）工作電壓：12.0～25.0 V DC；

（2）工作電流：≤250 mA；

（3）抽氣流量：1.0～1.7 L/min。

2.GYW25/50(A)礦用氧氣溫度傳感器

（1）工作電壓：9.0～25.0 V DC；

（3）量程：0～25.0%VOL；

（4）工作穩定性：不小于30 天；

（5）基本誤差：≤±3%FS。

3.GJG100J 礦用激光甲烷傳感器

（1）工作電壓：9.0～25.0 V DC；

（2）工作電流：≤200 mA；

（3）甲烷測量：0～100%CH4，0～1.00%CH4，±0.05；1.00%～100%CH4，真值±5%。

4.GTH1000 礦用一氧化碳傳感器

（1）工作電壓：9.0～25.0 V DC；

使用DPS 7.05對數據進行處理，采用鄧肯氏新復極差法進行多重比較，檢驗不同處理間數據差異的顯著性。

（2）工作電流：≤40 mA；

（3）量程：0～1 000 ppm；

（4）基本誤差：±5.0%FS。

5.ZJT200 礦用均壓防滅火調壓氣室氣動控制裝置

（1）工作電壓：12.0～25.0 V DC；

（2）工作電流：≤300 mA；

（3）微差壓：－500～500 Pa，分辨率為1 Pa；

（4）差壓：0～5 kPa，分辨率為0.1 kPa；

（5）電磁閥工作壓力：0.2～0.8 MPa。

三、防火在線裝置使用情況

淮北礦業集團朱仙莊煤礦在Ⅱ830 工作面安裝使用了一套防火在線裝置，安裝地點位于Ⅱ830 工作面風巷、距工作面50 m 左右。裝置取電及通信全部取自設置在附近的安全監控系統分站，帶載距離約800 m左右。現場敷設一根長度約60 m 的束管，束管外采用5 根10 m 的KJRB3-φ19 高壓軟管套管進行保護。

氣體采樣間隔時間設置為開5 min，停25 min，即每30 min 采樣1 次。遠程監測效果如圖1 所示。

圖1 8 月9 日—8 月10 日氣體采樣泵及O2、CO、CH4 濃度監測運行曲線

圖1 為設備連續運行2 天的監測數據，由圖1 可以看出：

（1）每次采樣時，隨著采樣裝置真空泵開始工作，測得的O2濃度逐漸下降，CO 和CH4濃度逐漸上升，至泵工作4～5 min 時，O2濃度達到最小值，CO 和CH4濃度達到最大值，此時濃度即代表采空區氣體濃度。當泵停止工作后，由于傳感器的排空端與外部相通，外面的空氣緩慢擴散至傳感器，從而O2濃度又逐漸上升，CO 和CH4濃度逐漸下降。

（2）隨著采煤工作面的不斷推進，埋入采空區的束管取樣點進深越深，O2濃度下降，與此同時CO 和CH4濃度上升，符合采空區煤自燃演變規律。

設備安裝完成后，為充分了解和掌握采空區煤自燃狀態演變規律，以及考察設備長期運行準確性和可靠性，設備共變動過三次安裝位置。安裝變動記錄見表1。

表1 設備安裝位置變更記錄

與此同時，地面也對設備每天監測數據和工作面推進進度做了詳細記錄，8 月5 日—9 月9 日采空區氣體在線監測運行曲線如圖2 所示，8 月5 日—9 月9日工作面推進距離與監測數據對應曲線如圖3 所示。8 月5 日—9 月9 日，工作面以平均1.3 m/d 速度推進，共推進了47 m，即束管取氣點從0 m 位置埋入開始至47 m 時結束。隨著工作面不斷推進，監測數據真實反映了采空區煤自燃狀態的演變過程。

圖2 8 月5 日—9 月9 日采空區氣體在線監測運行曲線

圖3 8 月5 日—9 月9 日工作面推進距離與監測數據對應曲線

11 月7 日—12 月4 日，Ⅱ830 工作面采空區為降低瓦斯濃度，上隅角增加了抽排措施，監測運行曲線如圖4 所示。

圖4 11 月7 日—12 月3 日采空區氣體在線監測運行曲線

由圖4 可以看出，抽排措施對降低采空區CH4和CO 濃度有較好效果，當上隅角抽排至12 月4 日，設備在現場已累計運行近4 個月，于當日再次下井取氣進行對比測試，如圖5 所示。

圖5 設備12 月4 日10:00～14:00 三種氣體測量值

采氣操作發生在11:09 分左右，相應傳感器測量值為一氧化碳氣體濃度為0 ppm、氧氣濃度為10.2%VOL、甲烷氣體濃度為4.12%VOL。人工取氣后將樣氣由色譜分析儀監測，分析結果顯示O2檢測差值為1.1%，CO 檢測差值為0 ppm，甲烷檢測差值為0.28%，兩者測量結果非常接近。

四、注意事項

現場使用中，為確保防火在線裝置的準確使用與有效檢測，需注意以下事項：

（1）防火在線裝置應選擇在支護良好、無淋水、便于觀測維護的地點安裝，且做到固定牢靠，距離上隅角不得大于30 m。

（2）防火在線裝置的使用周期為工作面開始回采至收作封閉結束，采樣觀測地點為回風隅角采空區，觀測參數為CH4、CO、O2。

（3）合理設置采樣周期，正常情況下采煤工作面每一輪采樣監測周期不應超過1 h，采樣時間不得低于5 min，且不得低于抽取待測地點氣樣的最短時間。

（4）所有防火觀測束管必須全部接入防火在線裝置，并采用多通與閘閥控制，實現各觀測束管之間的切換。埋入采空區及進入裝置前的束管必須進行可靠保護，杜絕漏氣；多路束管埋設均應正常與裝置密封連接，并實現自由切換，正常監測選取埋深最大的束管。束管末端分別位于采空區漏風帶、氧化帶，并對束管采取有效防護措施，嚴禁出現折曲、擠壓、漏氣等影響觀測數值的現象。

（5）出現氣體成分異常時，必須人工檢查并及時分析原因。

五、結語

自2020 年以來，淮北礦業集團各礦自燃、容易自燃煤層采煤工作面全部安裝了礦井防火關鍵參數在線監測裝置，使用周期為工作面開始回采至收作封閉結束，實現了防火標志性氣體的成分濃度參數一站式取樣分析、就地顯示、實時上傳，通過煤礦安全監控系統從地面即可實時查看井下防火關鍵地點的一氧化碳、氧氣、甲烷氣體的實時濃度信息，為科學決策提供了數據依據，從而真正實現采空區自燃隱患風險實時監控、超限報警信息主動推送、運行記錄信息自主便捷查詢，合理平衡瓦斯抽采與防火管理之間的關系，全面提升煤礦采空區監測監控能力和設備智能化信息化水平。