回采面全周期火災綜合監測技術研究與應用

葛俊嶺 朱現峰 徐 振

（1.濟寧礦業集團有限公司霄云煤礦；2.濟寧礦業集團有限公司金橋煤礦；3.濟寧市能源局）

煤炭自燃是煤礦的主要災害之一。據統計［1-3］，我國目前有56%的在投產煤礦具有煤炭自燃危險性；煤自燃是礦井火災發生的主要誘因，因煤自燃引起的礦井火災占比達85%～90%，對于內因火災來說，采空區煤自燃導致的火災約占60%，造成的火災事故給煤礦帶來了大量損失。霄云煤礦開采煤層為Ⅱ類自燃煤層，煤礦使用綜采工藝一次采全高，工作面之間留設有4～6 m的煤柱。因地質條件的變化，回采率較低，浮煤多，極易產生自燃。同時，隨著礦井服務年限的縮短，沿空掘進巷道、回收煤柱工作面增加，采空區面積不斷擴大，自燃危險性極高。井下環境復雜，僅僅依賴單一的監測裝置不足以全面及時地進行監控和預測，綜合性礦井火災監測技術的研究與應用愈發重要［4-5］。因此，針對霄云煤礦所存在的上述問題，對回采工作面全周期火災綜合監測技術進行了研究，并在礦區1310工作面進行了實際應用，以期更好地對煤自燃進行監測和控制，保障煤礦的安全生產。

1 不同礦井火災監測技術對比研究

煤自燃監測是礦井火災防治的關鍵，礦井火災監測技術能夠實現煤自燃的監測預測，及時探測火災危險的發生，主要包括人工檢測、便攜氣體檢測儀、光纖測溫、色譜束管監測系統、井下微色譜、紅外光譜束管監測、激光束管等火災監測技術，其優缺點對比如表1所示。

其中，人工檢測相比于其他檢測技術，具有投入設備少、取樣靈活的特點，能夠使用氣相色譜儀［6］、便攜氣體檢測儀等設備對特定地點進行監測，但其工作量大，實用性較低，往往不作為首選的監測方法。微色譜技術［7］是目前較為先進的定點監測技術，其具有監測時間短、傳輸距離遠、精確度高、微型化等特點，應用較為廣泛。光纖測溫［8-9］是一種直接有效的區域火災監測技術，其具有覆蓋范圍廣、抗電磁干擾強、靈敏度高、耐腐蝕的特點，但同時容易損壞，鋪設成本較高。束管監測［10-11］作為一種常用的區域火災監測技術，使用色譜儀、紅外光譜儀、激光檢測器等對監測指標進行分析，具有精準、全面、范圍廣等優點，但井下分布的束管具有難以維護的缺點。根據上述對比可知，單一的火災監測技術具有一定的缺點和局限性，因此，針對煤礦的實際情況采用綜合性的火災監測技術十分有必要。

2 全周期火災綜合監測技術

全周期火災綜合監測技術主要包括開切眼、掘進期間、回采期間、撤架期間的火災監測，主要由束管監測技術、光纖測溫技術、安全監測技術以及人工檢測技術組成，根據監測地點的位置特點、自燃危險性以及監測技術的適用特點，對煤礦的不同位置、不同時期選用合適的火災監測技術，從而達到煤礦全周期的火災安全監測。

2.1 開切眼火災監測

開切眼的火災監測主要集中于支架后部、回風隅角等位置，在該位置布置測點，鋪設束管并預埋保護鋼管，定期監測煤自燃指標氣體與溫度的情況，并于每天取氣樣送至地面進行氣體分析，如遇氣體濃度或監測點溫度異常，則加強監測頻率并采取一定的預防措施。

2.2 掘進期間火災監測

掘進期間的火災監測主要針對3類自燃區域，如表2所示。

對掘進期間進行區域火災監測，定期采用紅外測溫儀對巷道冒頂區域、與舊巷相連的區域及其他巷道煤體破碎區域進行掃描，測定煤體表面溫度，一旦發現異常，立即采取措施進行處理，同時對該處每班至少進行2次測定煤體溫度。

在巷道下風側（回風側）布置測點，定期檢測CO、O2和CH4氣體情況，監測自燃情況。正常情況時每班進行2次氣體監測，每周對氣體進行1次色譜分析。若出現異常，立即對異常地點進行處理，同時對巷道下風側測點每班至少檢測2次，并定期取氣樣送至地面進行氣相色譜分析。

2.3 回采期間火災監測

回采期間用人工檢測、束管監測、安全監測及人工采樣分析的方法對工作面煤自燃進行定時、定點監測，以便進行分析。人工檢測采用CO便攜儀、CO檢定管、瓦檢儀、兩用儀和紅外測溫儀等儀器，對工作面支架后部、回風隅角等位置的氣體濃度、溫度等進行定時檢測。束管監測采用束管監測系統，對上隅角，風巷出口、工作面中部、下隅角等位置進行O2、N2、CO、CO2、C2H4等氣體的監測，正常情況時每班2次氣體監測；工作面異常時每班4次。安全監測采用安全監控系統，對上隅角、回風槽出口、回風側調節風門處、機巷入口處等位置，進行CO、CH4、溫度、風門開關、風壓和風速的連續監測。人工采樣分析采用氣相色譜儀監測回風隅角和回風流處的CO、CO2、O2等氣體濃度，正常情況時每天早班進行人工檢測，同時采集氣樣2個，送至地面進行色譜分析，如遇監測點異常，則每班采樣2次。

2.4 撤架期間火災監測

撤架期間主要針對采空區浮煤，采用便攜式氣體測定儀、秒表、風表、束管監測系統及鉑電阻測溫探關進行火災監測，通過預埋管路和監測裝置，對采空區進行測溫、氣樣分析等，掌握其氣體濃度、溫度等的變化趨勢，同時測定工作面風量、溫度、氣體濃度等參數。正常情況下，束管監測每天每班4次，人工檢測每班1次，每周對氣體進行1次色譜分析，如遇氣體濃度或監測點溫度異常，則加強監測頻率并采取一定的預防措施。

3 綜合監測技術在霄云煤礦1310工作面應用

霄云煤礦生產區域在-600～-800 m水平，開拓區域在-600～-1 000 m水平，煤礦井下受高溫熱害影響嚴重，1310工作面存在煤自燃風險，給生產作業帶來極大困擾，嚴重威脅井下的開采作業和人員安全，將該綜合監測技術在1310工作面進行應用，及時監測井下煤自燃狀況。

3.1 開采前防火技術措施

（1）兩順槽頂板及兩幫破碎位置及時使用LFM等材料及時進行處理。

（2）在井下采煤工作面投入使用并調整通風系統后，應在進風和排風工作區分別建造一套防火門墻，并配備相應的防火門板。防火墻設置位置巷道斷面規整、壓力穩定，防火門墻采用“內插拆口”結構；防火門墻體厚度不小于0.6 m，砂漿飾面，墻體無重縫，砂漿飽滿無漏風，墻體表面光滑，保證墻垛與大巷過道接觸緊密，無漏風；防火門墻穿墻電纜及管路全部使用穿墻套管。

（3）在工作面回采前，將惰性氣體注入管分別埋在進、回風側隅角，將監測束管分別埋在進線和回線的拐角處。

（4）在工作面回采前，應調整通風系統，使工作區的配風量與計劃相一致。

（5）在相鄰工作面的停止線、開切眼等關鍵位置安裝監測束管，并重新注入凝膠和其他滅火材料。

3.2 回采期間火災綜合監測技術的應用

3.2.1 安全監控系統應用

煤礦井下安置了1套KJ95X安全監控系統，按標準安設了甲烷、一氧化碳等氣體傳感器以及對煙霧、溫度、風流等檢測傳感器，實現對各類模擬量和開關量等參數的24 h連續在線監測。1310回采工作面傳感器設置見表3。

3.2.2 束管監測系統應用

束管監測系統監測中心配備了氣體采樣柜、泵、用于系統每個出口的控制器、用于收集管道氣體的色譜儀和工業計算機，可以實時監測并有效控制來自礦井下的氣體，及時采集分析井下氣體信息。

系統使用泵和管束，將煤礦井下氣體從每個監測點輸送到監測室。各監測點的氣體依次經氣體監測裝置注入氣體分析儀，收集礦區和密閉區域內存在的O2、CH4、CO2、CO等氣體的濃度數據，并用計算機分析各氣體的濃度參數與趨勢。通過對氣體濃度數據進行分析，能夠計算出火災系數以驗證煤自燃發生的可能性。

束管監測點布置在1310下隅角采空區、1310皮順回風流、1310軌順上隅角采空區。將束管預埋入采空區的進、回風順槽，用來監測采空區氣體的變化情況，抽氣口套上花管以防止損壞；其中工作面停采后沿工作面停采線、回風順槽、進風順槽各敷設2路束管，一路接U型管，一路人工取樣。

系統將氣體從觀察點通過束管泵輸送到氣體分析儀，在微機控制下快速準確地進行分析。分析結果可以通過實時監測報告和每日分析報告產生，并存儲在數據庫中，以便對特定氣體進行相關分析。通過對指標性氣體濃度的趨勢分析，可以預測煤炭自燃的趨勢和高溫或燃燒點溫度發展的趨勢。

3.2.3 礦用分布式光纖溫度監測系統應用

工作面自切眼位置開始埋設光纖，安裝的保護裝置可以防止它被落下的巖石壓碎。隨著工作的進展，光纖將被埋入采礦區，測溫數據將被用于監測采礦區的氧化情況。

此次溫度傳感器選用MGTBV-2感溫光纖，測溫范圍-20～130℃，利用地面分布式光纖測溫主機收集數據并上傳至井上監控中心。

1310工作面本安型分布式測溫主機（型號：KJ1205-Z）設置在一采區東翼配電硐室內。1310進風順槽感溫光纖主管路經1308軌順聯絡巷、1310進風順槽敷設至1310進風隅角開切眼處，監測1310、1308工作面采空區內溫度變化情況。1310回風順槽感溫光纖主管路經1308軌順聯絡巷、1310皮順聯絡巷、1310回風順槽敷設至1310回風隅角開切眼處，檢測1310、1312工作面采空區內溫度變化情況。

3.3 應用效果

通過將回采面全周期火災綜合監測技術在霄云煤礦1310工作面進行應用，2021年成功預警井下煤自燃15次，并采取相應防治措施阻止煤自燃現象的發展蔓延。開采前的防滅火技術措施保障了開采的安全進行與監測系統的合理布置；安全監控系統的應用實現了工作面回采期間回風隅角、回風流等特定位置氣體、溫度、風速等參數的實時監測；束管監測系統的應用實現了工作面下隅角采空區、皮順回風流、1310軌順上隅角采空區等地點的氣體濃度數據監測，分析其濃度變化特點與趨勢；礦用分布式光纖測溫系統的應用實現了長距離、難監測的采礦區內的溫度監測。綜合火災監測技術能夠根據監測地點的位置特點、自燃危險性以及監測技術的適用特點實現火災監測，有效防止了礦井火災的發生，提高了煤礦的安全管理水平。

4 結論

（1）基于霄云煤礦的現存煤自燃問題，研究了全周期火災綜合監測技術，其集安全監控系統、束管監測系統、光纖測溫系統于一體，能夠全面地收集、處理、監控火災危險指標數據。

（2）全周期綜合監測技術在霄云煤礦1310工作面應用，2021年成功預警煤炭自燃15次，實現全面零火災事件。

（3）全周期火災綜合監測技術提高了煤礦火災監測管控水平，有效指導了霄云煤礦內因火災的監控監測和預防工作，礦井防火工作變被動為主動，保障了煤礦的安全生產。