第45屆等級(jí)獎(jiǎng)?wù)撐?--曉南煤礦“110工法”工作面自然發(fā)火的預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)
鐵煤集團(tuán)礦井通風(fēng)技能大師工作室 ?李威 ?張居仁??
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摘 ?要：為了利用現(xiàn)有的安全裝備監(jiān)測(cè)煤炭自然發(fā)火火情,曉南煤礦利用煤礦安全監(jiān)控系統(tǒng)和火情監(jiān)測(cè)系統(tǒng)及其設(shè)備對(duì)易發(fā)生自然發(fā)火區(qū)域進(jìn)行檢測(cè)，通過對(duì)“110工法”工作面采空區(qū)自然發(fā)火溫度與有害氣體濃度檢測(cè)實(shí)踐探索，取得了以現(xiàn)有的技術(shù)裝備為基礎(chǔ)，從實(shí)際出發(fā)，合理拓展煤礦安全監(jiān)控系統(tǒng)及火情監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的用途，充分發(fā)揮火情監(jiān)測(cè)系統(tǒng)及礦井安全監(jiān)控系統(tǒng)的內(nèi)在潛力和效用，為煤礦安全生產(chǎn)保駕護(hù)航開創(chuàng)了一新途徑。
關(guān)鍵詞：?110工法 ?自然發(fā)火 ??安全監(jiān)控系統(tǒng) ???火情監(jiān)測(cè)系統(tǒng)
1．引言
“110工法”是一種具有廣泛應(yīng)用前景的煤炭開采技術(shù)，其三個(gè)數(shù)分別代表 “1個(gè)工作面、1條巷道、0個(gè)煤柱”。它通過運(yùn)用切頂卸壓成巷技術(shù)，保留開采中的工作面順槽，作為下一個(gè)毗鄰工作面的一條回采巷道使用。一方面使綜采工作面掘進(jìn)成本大幅降低，另一方面無(wú)煤柱開采使資源回收率大大提高。
曉南煤礦于2019年12在N1-1502工作面正式實(shí)施應(yīng)用“110工法”，首先快速掘進(jìn)出一條1100m長(zhǎng)的留巷輔助巷道，保證施工所需設(shè)備、材料、人員、系統(tǒng)及時(shí)到位，成功完成切頂預(yù)裂試驗(yàn)，為及時(shí)調(diào)整回采速度和留巷進(jìn)度創(chuàng)造了有利條件。到目前為止，已完成沿空留巷近1000m。
曉南煤礦通過在N1-1502?“110工法實(shí)施發(fā)現(xiàn)，此工法的弊端在于支護(hù)及自燃發(fā)火的防治工作存在著很大的難度，為了防止自燃事故發(fā)生，保證礦井安全生產(chǎn)，必須對(duì)N1-1502?“110工法”刨煤工作面煤炭自然發(fā)火發(fā)展?fàn)顩r進(jìn)行預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)。
2. 工作面情況、現(xiàn)有基礎(chǔ)及解決思路
2.1 N1-1502“110工法”工作面情況
曉南礦N1-1502煤層屬于容易自燃煤層，煤炭的自然發(fā)火期短（1～3個(gè)月），煤的自燃傾向性等級(jí)為Ⅰ類。采用“110工法”即切頂卸壓沿空自動(dòng)成巷無(wú)煤柱開采新技術(shù)，采用刨煤機(jī)落煤，工作面采高1～1.3m，由于采高較小，頂板不能充分垮落，采空區(qū)漏風(fēng)較大，使采空區(qū)的剩煤不斷氧化且產(chǎn)生的熱量不易散發(fā)，在工作面的安裝及生產(chǎn)的后期存在著較嚴(yán)重的自然發(fā)火隱患。
2.2礦井現(xiàn)有監(jiān)測(cè)監(jiān)控設(shè)備基礎(chǔ)
曉南礦現(xiàn)有KJ2000X煤礦安全監(jiān)控系統(tǒng)和KJ428-Z火情監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。
KJ2000X煤礦安全監(jiān)控及綜合信息管理系統(tǒng)，該系統(tǒng)主要由地面中心站、井下分站、光電信號(hào)交換機(jī)及各類傳感器等組成。為了利用現(xiàn)有的安全裝備監(jiān)測(cè)煤炭自然發(fā)火火情,曉南煤礦在井下自然發(fā)火（自燃）危險(xiǎn)部位安裝了一氧化碳等傳感器，實(shí)時(shí)連續(xù)監(jiān)測(cè)一氧化碳濃度，經(jīng)井下分站將監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)傳輸?shù)街行恼?。各種監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)經(jīng)井下分站和中心站處理，按要求發(fā)出聲光報(bào)警和斷電控制信號(hào)。
KJ428-Z 礦用本安型激光火情監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，該系統(tǒng)是礦用本安型激光火情監(jiān)測(cè)主機(jī)是KJ428 礦用分布式激光火情監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的關(guān)鍵組成部分，采用可調(diào)諧激光二極管吸收光譜（TDLAS）技術(shù)實(shí)現(xiàn)氣體濃度檢測(cè)，可同時(shí)完成CH4、CO、C2H2、O2?和CO2?等氣體濃度的檢測(cè)和分析。?
2.3解決思路
利用礦井現(xiàn)有安全監(jiān)控系統(tǒng)和火情監(jiān)控系統(tǒng)，對(duì)N1-1502?“110工法”工作面煤炭自然發(fā)火狀況進(jìn)行預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)。首先確定反映煤炭自燃狀況的標(biāo)志氣體和報(bào)警值，然后布設(shè)設(shè)備設(shè)施進(jìn)行連續(xù)監(jiān)測(cè)。
3. 煤炭自然標(biāo)志氣體、報(bào)警值確定
3.1煤炭自然時(shí)氣體產(chǎn)物分析
煤自燃?xì)怏w產(chǎn)物包括兩部分，一部分叫煤自燃氧化氣體，是煤自身氧化產(chǎn)生的氣體產(chǎn)物，其成份主要有CO2、CO， CH4、C2H2、C2H4、C2H6、C3H6等。另一部分叫煤自燃吸附氣體，是成煤過程中吸附在煤孔隙內(nèi)的氣體，由于溫度升高從煤體中而解吸出來(lái)。一般情況下，CH4和CO2是煤自燃吸附氣體主要成份，余下的C2H6、C3H8等是存量很少的ppm 級(jí)的烷烴氣體組份，這些烷烴氣體組份依據(jù)其碳原子數(shù)的序列性隨著煤溫度的升高而逐一解吸出來(lái)。
煤的自然發(fā)火經(jīng)歷緩慢氧化發(fā)展、加速氧化和激烈氧化三個(gè)不同的發(fā)展階段，不同的氣體產(chǎn)物與濃度和自燃溫度范圍對(duì)應(yīng)著煤上述三個(gè)氧化階段，一氧化碳、二氧化碳、烷烴、烯烴等這些氣體產(chǎn)物常用于預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)煤炭自然發(fā)火情況。
3.2標(biāo)志氣體確定
曉南礦15#層煤煤樣試驗(yàn)結(jié)果分析如下：
3.2.1標(biāo)志氣體CO產(chǎn)生規(guī)律?
CO隨煤樣升溫變化關(guān)系見圖1，隨煤樣溫升高CO的生成量基本呈指數(shù)變化趨勢(shì)；其中，在煤樣溫為40℃時(shí)CO開始出現(xiàn)，表明煤已開始氧化，初始濃度為0.31ppm，低溫氧化階段CO的生成量在較??；在煤樣溫達(dá)到170℃之后其CO生成量會(huì)迅速增加，說(shuō)明170℃時(shí)煤開始進(jìn)入深度氧化狀態(tài)；不同于CO，CO2在氧化開始即釋放出較高的濃度，溫度為30℃時(shí)，CO2的濃度為436.34ppm，由于煤體對(duì)CO2的吸附作用，因此釋放出的CO2一部分是由煤與氧反應(yīng)得到的，另外一部分氣體由煤體脫附產(chǎn)生的。所以，氧化初始階段產(chǎn)生的CO2含量并不能反映煤氧化升溫的劇烈程度。
圖1 - CO隨煤樣升溫變化關(guān)系
3.2.2?標(biāo)志氣體C2H4?產(chǎn)生規(guī)律
C2H4?隨煤樣升溫變化見圖2，C2H4?在110℃時(shí)開始出現(xiàn)，濃度值為0.03ppm，由于煤的吸附氣體中不存在C2H4組份，因此可認(rèn)為C2H4僅是在煤氧化升溫過程中產(chǎn)生。由圖2可以看出，C2H4的出現(xiàn)表明煤已進(jìn)入加速氧化階段，當(dāng)煤溫達(dá)到175℃左右時(shí)，其濃度隨煤溫的上升而迅速增加。
?圖2-?C2H4隨煤樣升溫變化關(guān)系
曉南礦15#煤層在回采過程中，采空區(qū)內(nèi)遺煤氧化，采空區(qū)內(nèi)均有CO產(chǎn)生，但無(wú)C2H4氣體產(chǎn)生，無(wú)其它自然發(fā)火征兆，根據(jù)曉南礦采煤工作面回采過程中的實(shí)際數(shù)據(jù)，以及化驗(yàn)室的試驗(yàn)分析，曉南礦15層煤自然發(fā)火指標(biāo)氣體確定為C2H4氣體產(chǎn)生，但CO濃度應(yīng)根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際生產(chǎn)情況確定。
3.3報(bào)警值確定
為了保證安全，采取溫度、CO 、C2H4綜合報(bào)警，安全監(jiān)控系統(tǒng)溫度40℃、CO100ppm傳感器報(bào)警，火情監(jiān)控系統(tǒng)發(fā)現(xiàn)有CO 、C2H4存在報(bào)警。
4設(shè)備設(shè)施安設(shè)
4.1安設(shè)方法
4.1.1 利用火情監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，對(duì)N1-1502 “110工法”工作面采空區(qū)進(jìn)行溫度預(yù)測(cè)、預(yù)報(bào)的安設(shè)，具體的安設(shè)方法是：預(yù)先在采空區(qū)內(nèi)沿沿空留巷采空區(qū)內(nèi)鋪設(shè)一條測(cè)溫光纜，對(duì)沿空留巷的采空區(qū)內(nèi)的溫度進(jìn)行實(shí)時(shí)檢測(cè)，測(cè)點(diǎn)可以定為1m。通過對(duì)火情監(jiān)測(cè)系統(tǒng)一年來(lái)在曉南煤礦的使用，火情監(jiān)測(cè)系統(tǒng)對(duì)煤礦早期的自然發(fā)火的預(yù)測(cè)、預(yù)報(bào)、預(yù)防起到了很好的作用。當(dāng)某個(gè)測(cè)點(diǎn)溫度達(dá)到40。C時(shí)，發(fā)出報(bào)警信號(hào)，再根據(jù)測(cè)點(diǎn)顯示的高溫位置，采取防治措施，具體安裝方法如圖3所示：
圖3 -火情監(jiān)測(cè)系統(tǒng)
4.1.2利用溫度傳感器，對(duì)沿空留巷沿途每間隔100m進(jìn)行重點(diǎn)區(qū)域進(jìn)行檢測(cè)，確保數(shù)據(jù)準(zhǔn)確及可靠。采空區(qū)檢測(cè)點(diǎn)距支護(hù)巷道表面1.5-3.0m的區(qū)間。為監(jiān)測(cè)5-7m區(qū)間采空區(qū)溫度的變化（如有需要可加長(zhǎng)檢測(cè)元件電纜的長(zhǎng)度），將GWP100(A)型溫度傳感器的檢測(cè)元件加長(zhǎng)連接線（采用4×1.5mm2礦用阻燃電纜）達(dá)10m,在使用前對(duì)傳感器檢測(cè)數(shù)據(jù)失真狀況進(jìn)行調(diào)試，對(duì)自然發(fā)火重點(diǎn)部位打孔徑為Φ15mm、深度達(dá)到采空區(qū)5-7m，埋入傳感器檢測(cè)元件，將傳感器聯(lián)入礦井安全監(jiān)控系統(tǒng)，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)煤層深部自然發(fā)火溫度的自動(dòng)、連續(xù)監(jiān)測(cè)，配合火情監(jiān)測(cè)系統(tǒng)測(cè)溫裝置，更好地實(shí)現(xiàn)預(yù)報(bào)自然發(fā)火的作用。
4.1.3根據(jù)實(shí)際情況確定溫度傳感器的安設(shè)距離，具體安裝位置見圖4所示, 方法見圖5所示：
圖4-溫度傳感器安裝位置
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圖5-溫度傳感器安裝方法
4.1.4利用火情監(jiān)測(cè)系統(tǒng)氣體分析主機(jī)對(duì)沿空留巷采空區(qū)的氣體進(jìn)行分析化驗(yàn)后將數(shù)據(jù)傳輸?shù)降孛婊鹎楸O(jiān)測(cè)系統(tǒng)中心站，并對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析處理被告超限報(bào)警。在回風(fēng)留巷打孔，將束管穿過支護(hù)，進(jìn)入采空區(qū)3到5m（如有需要可以根據(jù)實(shí)際情況加長(zhǎng)束管的伸入長(zhǎng)度），為防止束管口堵塞，管中要安設(shè)防堵塞裝置，當(dāng)CH4、CO、C2H2、O2?和CO2這幾種氣體中，CO、C2H2出現(xiàn)時(shí)，說(shuō)明采空區(qū)已有自燃發(fā)火現(xiàn)象。安裝方法見圖6所示。
圖6-防堵塞裝置
? ? 4.1.5因?yàn)樽匀话l(fā)火是一個(gè)較慢長(zhǎng)的變化，所以在沿空留巷的末端也就是N1-1502工作面運(yùn)順端頭，安設(shè)一臺(tái)一氧化碳傳感器，來(lái)檢測(cè)通過沿空留巷風(fēng)流的一氧化碳濃度，以此來(lái)判斷沿空留采空區(qū)是否有自然現(xiàn)象及采空區(qū)是否有風(fēng)漏入沿空留巷，從而來(lái)分析采空區(qū)的自然發(fā)火情況，當(dāng)一氧化碳含量達(dá)到100ppm時(shí)，說(shuō)明自燃發(fā)火存在自燃發(fā)炎現(xiàn)象。一氧化碳傳感器的安設(shè)數(shù)量可以根據(jù)實(shí)際情況具體安設(shè)，增加密度，CO傳感器的安設(shè)位置如圖7所示：
圖7-CO傳感器的安設(shè)
4.2.1敏感元件套管要使用鋼管保護(hù)。
4.2.2必須封堵孔口，材料要求容易拆除、可塑性好、不導(dǎo)熱。
4.2.3傳感器本體與敏感元件間的連接線不要過長(zhǎng)，滿足使用即可。
4.2.4為了減少因取出孔內(nèi)檢測(cè)元件造成損壞，傳感器標(biāo)校周期可適當(dāng)延長(zhǎng)。
5.結(jié)論
5.1利用火情監(jiān)測(cè)系統(tǒng)對(duì)來(lái)監(jiān)測(cè)N1-1502沿空留巷采空區(qū)第間隔1m的溫度變化，根據(jù)這個(gè)溫度變化對(duì)采空區(qū)自然發(fā)火做到提前預(yù)測(cè)、預(yù)防。
5.2通過利用溫度傳感器敏感元件用來(lái)監(jiān)測(cè)N1-1502沿空留巷采空區(qū)自然發(fā)火溫度，預(yù)報(bào)發(fā)火，抓住了采空區(qū)發(fā)火的重點(diǎn)部位，合理拓展了溫度傳感器的使用方法，提高了采空區(qū)自然發(fā)火預(yù)報(bào)能力，從而確保了N1-1502 “110工法”工作面的作業(yè)安全。
5.3利用火情監(jiān)測(cè)系統(tǒng)氣體分析主機(jī)對(duì)所有采樣點(diǎn)CH4、CO、C2H2、O2?、C2H4和CO2氣體的檢測(cè)與分析，以便能更早的發(fā)現(xiàn)自然發(fā)火，及時(shí)的進(jìn)行預(yù)防及處理。
5.4利用CO傳感器對(duì)風(fēng)流中CO的檢測(cè)，及時(shí)找到CO的來(lái)源，能更加有效的找到自然發(fā)火地點(diǎn)，從而達(dá)到高效安全基礎(chǔ)。
以現(xiàn)有的高科技裝備為基礎(chǔ)，從實(shí)際出發(fā)，合理拓展煤礦安全監(jiān)控系統(tǒng)及火情監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的用途，充分發(fā)揮火情監(jiān)測(cè)系統(tǒng)及礦井安全監(jiān)控系統(tǒng)的內(nèi)在潛力和效用，為煤礦安全生產(chǎn)保駕護(hù)航，為煤礦安全生產(chǎn)保駕護(hù)航開創(chuàng)了一新途徑。
作者簡(jiǎn)介?李??威（1971年），男，高級(jí)技師。2010年畢業(yè)于遼北技師學(xué)院礦井通風(fēng)與安全專業(yè)，現(xiàn)在曉南礦保安區(qū)擔(dān)任監(jiān)測(cè)隊(duì)隊(duì)長(zhǎng)。
? ? ? ? ? 張居仁（1963年），男，正高級(jí)講師。1985年畢業(yè)于撫順煤炭工業(yè)學(xué)校地下采煤專業(yè)，現(xiàn)在遼北技師學(xué)院教學(xué)工作部從事專業(yè)課教學(xué)工作。曾在《中國(guó)科技縱橫》、《職業(yè)技術(shù)教育》雜志發(fā)表多篇論文。
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