采空区自燃“三带”自动化分析技术

赵彤宇，杨胜强，陈登照，刘 杰

（1.中国矿业大学 安全工程学院，江苏 徐州 221116；2.光力科技股份有限公司，河南 郑州 450001）

采空区自然发火约占煤矿自然发火总数的60%，是自然发火防治的重点[1-3]。采空区空间根据自然发火情况一般可划分为“三带”，即“散热带”、“氧化带”和“窒息带”，“散热带”和“窒息带”一般不会发生自然发火，“氧化带”顶板垮落逐渐压实，风阻增大，遗煤氧化产生的热量不断积聚，并可能发生煤炭自燃，是自然发火监测的重点[4-5]。在火灾监测预警工作中，将有限的测点布置在“氧化带”及附近区域，将显著提高火灾监测预警的准确性，因此采空区自燃“三带”测点的准确布置及自动化分析对于矿井防灭火工作至关重要。

目前矿井采空区自燃“三带”测定一般采用人工部署测点，人工统计氧气浓度、温度等参数的方法[6-7]，自动化程度低，成本高，在煤矿现场多采用测定个别工作面采空区自燃“三带”以指导全矿井防灭火工作的方式。但由于矿井的工作面各不相同，用个别工作面采空区自燃“三带”的测定结果指导全矿井往往效果不佳，开发实现基于物联网技术的自燃“三带”自动化动态分析技术具有特别重要的意义。

1 分布式激光火情监测系统

寸草塔二矿基于国家矿井安全生产监管物联网应用示范工程建设了一套基于物联网和激光检测技术的KJ428 矿用分布式激光火情监测系统[8]，自燃“三带”动态分析技术基于KJ428 火情监测系统和自燃“三带”分析算法实现。KJ428 矿用分布式激光火情监测系统由地面监控服务器系统、传输网络系统和井下火灾参数监测系统3 个部分组成。

1）地面监控服务器系统。主要包括服务器、网络交换机等硬件设备和系统软件、应用软件组成，地面监控服务器系统用于采集、存储、分析、展示监测数据并对井下设备进行控制[9]，依托束管堵塞分析技术和多参数交叉分析技术，系统目前已实现束管堵塞智能分析和火情预测预报[10-11]。

2）传输网络系统。主要包括若干台以太网环网交换机，当井下存在多个监测点，把各个监测点接入以太网环网交换机，通过光纤网络构成井下以太网环网系统，传输网络系统用于将井下火灾参数监测系统的监测数据传输至地面监控服务器系统。

3）井下火灾参数监测系统。主要包括激光气体监测主机、温度主机、抽气泵、测温光纤和束管。激光气体监测主机通过抽气泵和束管将上隅角、采空区等地点的火灾指标气体抽取至自身检测模块，在检测模块采用激光气体检测技术对一氧化碳、氧气、甲烷、乙炔、乙烯和二氧化碳共计6 种气体浓度进行监测。温度主机主要包括测温模块和电源模块，测温模块和部署于采空区等区域的分布式测温光纤共同完成温度监测，电源模块同时为温度主机和气体监测主机供电。

与将抽气装置和检测装置部署在煤矿地面的传统束管相比，分布式监测系统将抽气和检测装置部署在测点附近，缩短了束管管路的长度，降低了束管堵塞、漏气的概率；同时自动化激光监测替代了人工色谱仪监测，提高了火情监测的实时性。甲烷测量范围 0～100%，其中测量范围为 0～1.00%时，误差为±6%，测量范围为1.00～100%时，误差为测量上限的±10%；一氧化碳测量范围为（0～20 000）×10-6,其中测量范围为（0～100）×10-6时，误差为±4×10-6（绝对误差），测量范围为（100～1 000）×10-6时，误差为真值的±5%，测量范围为（1 000～20 000）×10-6时，误差为真值的±10%；二氧化碳测量范围为0～20%，其中测量范围为0～0.5%时，误差为真值的±10%，测量范围为0.5%～20%时,误差为真值的5%；氧气测量范围 0～25.0%，误差为±3%F.S；乙炔测量范围（0～500）×10-6，其中测量范围为（0.5～20）×10-6时，误差为±0.5%F.S，测量范围为（100～500）×10-6时，误差为±1.5%F.S；乙烯测量范围（0～500）×10-6,误差±2%F.S；温度测量范围：为-40.0～120.0 ℃，误差为±1 ℃。

2 自燃“三带”自动化分析关键技术

自燃“三带”动态分析技术主要包括束管维护技术、测点位置标记技术和“三带”可视化曲线绘制技术。束管维护技术用于指导束管现场维护，确保系统能够监测到“三带”划分需要的参数；测点位置标记技术约定系统为测点添加“位置标签”的规则；“三带”可视化曲线绘制技术用于依据“位置标签”绘制测点氧气浓度随测点与采面的相对位置变化而变化曲线。

2.1 束管维护技术

为确保在工作面推进过程中各束管监测点根据监测需要按照一定的间距合理分布在“氧化带”附近，进而对氧气浓度等参数进行充分监测，必须按照科学的方法在上隅角位置对束管通过剪断方式不断维护，维护方法包括束管维护初始阶段和束管循环维护阶段，束管维护初始阶段结束后紧接着束管循环维护阶段开始。假设:N 为束管个数；M 为要求的束管监测点之间的距离；V 为采煤工作面回采速度。

1）束管维护初始阶段。具体为：束管铺设完成且采煤工作面开始推进设定为第0 天，那么，第M/V天末剪断第1 至第N-1 根束管，在第2×（M/V）天末剪断第 1 至第 N-2 根束管，…，第 i×（M/V）天末剪断第 1 至第 N-i 根束管，…，第（N-1）×（M/V）天末剪断第 1 根束管，第（N-1）×（M/V）天至第 N×（M/V）天不剪断束管，该束管维护初始阶段结束。

可降解包装材料是指在如阳光、微生物等一定自然条件下，塑料的分子量转变为小分子或在微生物作用下完全分解的材料[11]。根据环保、来源、产量以及价格等多方面的综合考虑，以淀粉为主的动植物天然高分子包装材料成为新型环保材料的首选。玉米秸秆等木质纤维素是最丰富的可再生碳水化合物资源，利用储量丰富、价格低廉的秸秆生产淀粉进行可降解膜生产工艺的研究，既节约了能源又大幅减少了环境污染，降低了食品包装薄膜的生产成本。本试验选取玉米秸秆淀粉、聚乙烯醇、甘油为基础材料制备玉米秸秆淀粉-聚乙烯醇薄膜，并对薄膜进行测试，选出薄膜配方的最佳优化条件。

2）束管循环维护阶段。具体为：循环维护周期为（N+1）×（M/V），对于任意 1 个循环维护周期，该循环维护周期开始后的第M/V 天末剪断第N 根束管，第 2×（M/V）天末剪断第 N-1 根束管，…，第 i×（M/V）天末剪断第 N-i+1 根束管，…，第（N-1）×（M/V）天末剪断第2 根束管，第N×（M/V）天末剪断第1根束管，第 N×（M/V）天至第（N+1）×（M/V）天不剪断束管，该循环维护周期结束。

在束管维护初始阶段中，第M/V 天末剪断第1至第N-1 根束管，之后每经过M/V 天就少剪断1根，直到第（N-1）×（M/V）天末剪断第 1 根束管，这样的话，在最后1 次剪断束管时，能够保证各束管监测点之间的距离就为M。在束管循环维护阶段，对于任意1 个循环周期，每经过M/V 天末就按照相应的顺序剪断1 根束管，所以，在每一个循环周期，均能够保证所有的束管监测点的距离是确定的，并且是要求的数值M。

2.2 测点位置标记技术

为了分析测点位置和氧气浓度等参数的关系，火情监测系统软件为测点增加“位置标签”字段，用于对测点与采面的相对位置进行标记。

各测点今日位置标签为束管昨日位置标签和采面回采速度之和；系统通过捕捉束管维护前后各种参数的变化捕捉束管维护行为，并提醒监测人员进行维护行为的确认。确认束管维护后系统自动将束管昨日位置标签置为0，支持手动修改并具有记忆功能，即手动修改某束管维护后的初始位置。

系统分别针对部署在采空区的每根束管进行测点位置标签的计算。

2.3 “三带”可视化曲线绘制

氧气浓度是目前最常用的“三带”划分指标，在一定意义上，自燃“三带”反映的是采空区测点氧气浓度随测点与采面的相对位置变化而变化的关系[12-13]。

3 自燃“三带”自动化分析技术的现场应用

寸草塔二矿31 煤为不黏煤，其挥发分高，丝炭含量高，属于Ⅱ类自燃煤层。31202 采面位于31 煤二盘区，工作面推进长度2 635.7 m，工作面宽度310 m，布置 3 条巷道，分别为 31202 运输巷、31202辅运巷、31203 辅运巷；工作面位于 22 煤22111、22113 采空区下方，采用倾向长壁后退式综合机械化放顶煤开采，存在自然发火风险，需要对“三带”进行观测以指导防灭火工作。

在31203 辅运巷侧部署3 根束管并按照束管维护技术对束管进行维护，系统利用3 根束管对各测点参数进行循环监测，采用自燃“三带”自动化分析技术，根据31202 采面回采情况、各测点实测的温度和氧气浓度大小，其中以各测点实测的氧气平均浓度大小与束管测点与工作面之间的距离的关系,自动绘制31202 采空区自燃“三带”划分图。各测点氧气浓度平均值见表1，依据测点的“位置标签”，计算多个相同“位置标签”测点的氧气浓度平均值。自动绘制的31202 采空区自燃“三带”划分图如图1。

表1 各测点氧气浓度平均值Table 1 Average oxygen concentration at measuring each point

图1 31202 采空区自燃“三带”划分Fig.1 Spontaneous combustion“three zones”partition in 31202 goaf

在系统界面“业务分析”主菜单下查询31202 工作面采空区自燃“三带”划分结果，将氧气浓度18%作为散热带和氧化带的划分标准，以氧气浓度8%作为氧化带和窒息带的划分标准，可知31202 采空区回风侧散热带范围为：采面后方0～60 m；氧化带范围为采面后方60～130 m；窒息带范围为采面后方130 m 至采空区深部。

另外，由于各测点的温度大小与气体成分大小，随着工作面推进过程中各种通风参数和工作面回采工艺参数的变化而变化，因此，根据各测点的温度大小与气体成分大小，可分析评判工作面推进过程中各种通风参数和工作面回采工艺参数变化对工作面采空区“自燃三带”的影响规律，可分析得到工作面推进过程中地质构造或机电设备故障对“自燃三带”的影响，从而及时调整工作面通风参数和回采参数，同时为采取必要的防灭火技术措施提供依据。

4 结 论

1）依据自燃“三带”自动化分析技术，可得31202 采空区回风侧“三带”的范围分别为采面后方0～60 m，60～130 m 和 130 m 至采空区深部，这与数值模拟分析技术的结果保持一致。

2）自燃“三带”动态分析技术主要包括束管维护技术、测点位置标记技术和“三带”可视化曲线绘制技术三个部分。

3）为了实现自燃“三带”动态分析，需要部署分布式火情监测系统，并对束管进行合理维护。

4）可以根据各测点的温度大小与气体成分大小，分析评判工作面推进过程中各种通风参数和工作面回采工艺参数变化对工作面采空区自燃“三带”的影响，得到工作面推进过程中地质构造或机电设备故障对自燃“三带”的影响，从而及时调整工作面通风参数和回采参数，同时为采取必要的防灭火技术措施提供依据。