采空区防火关键参数实时在线监测与应用技术研究

杨全

淮北矿业集团朱仙庄煤矿  安徽宿州  234111

摘要：煤矿采用均压技术防灭火时，普遍采用的是专人定期观测与分析防火墙内外空气压差等的状况，记录在防火记录簿内。这种人工观测方式存在人力成本高、检测精度低、数据主观性强、时效性差、不便于及时进行均压调节等问题。采空区关键参数在线监测与均压防火自动控制技术，大大减轻了采空区长期存在的漏风问题，减小了采空区的氧气量，确保采空区安全。

关键词：采空区 关键参数 在线监测  应用技术 研究

引言

采空区自然发火是煤矿火灾的主要类型之一。近年来，随着矿井开采强度加大，采空区范围不断扩大，特别是综采放顶煤采煤的推广应用后，采空区留有大量浮煤，采空区煤自燃火灾尤为严重，特别是采空区遗煤高温点位置的隐蔽与不易确定性，易导致发现与采取措施的滞后，造成人力、物力的浪费，给矿井安全生产带来隐患。因此，煤自燃火灾已成为制约矿井安全生产与发展的主要因素之一。

目前煤矿采用均压技术防灭火时，普遍采用的是专人定期观测与分析防火墙内外空气压差等的状况，记录在防火记录簿内。这种人工观测方式存在人力成本高、检测精度低、数据主观性强、时效性差、不便于及时进行均压调节等问题，亟需进行技术升级予以解决。

矿井部分采空区封闭后，因生产布置原因，进回风巷无法布置在同一大气压力侧，导致密闭两侧压差大，漏风严重，对矿井防火即为不利，是安全生产的一大隐患。因此，降低采空区的漏风压差，减少漏风，进行矿井防火在线监测与自动控制技术研究有非常重大的必要性，从而会提高矿井防治煤层自然发火的整体水平，杜绝煤层自然发火事故发生，保证矿井安全生产。

1 在线监测装置及控制技术研究

主要研究分为防火气室施工工艺技术、气体自动采样装置研制、微差压检测技术与控制装备研究、防火关键参数监测数据安全监控系统融合。

1.1  在封闭采空区防爆墙外2m处，施工一道厚度0. 8m的瓦石墙，称为正压防火墙，两堵墙形成微正压防火气室。在采空区及防火气室留有压力检测管，防火气室留有注氮管路。在施工0.8m瓦石墙时，墙间预留200mm-300mm注浆空间并在墙体顶部贴顶预留三路注浆6分管路墙体施工、喷浆结束后对预留注浆管路带压注浆，墙体施工结束后在封闭墙墙前3m、5m、8m处各施工三排注浆锚杆并以巷道中围岩为基础通过注浆锚杆向围岩的裂隙进行注浆，从而起到对围岩的加固、密闭作用，使围岩具有一定的稳定性、支撑性和密闭性，增强巷道围岩的受压强度，保障封闭巷道的密闭质量。防火气室示意图如下。

防火气室示意图

微差压检测与均压控制装置设计有多根气管与调压气室、气动开关阀门连接，从而实现采空区与气室、气室与巷道差压的检测，以及气室注氮控制，实现均压减小采空区防爆墙内外压差，实现防火的目的。具体如下图所示。

微差压检测与均压控制装备示意图

1.2 气体自动采样装置研制拟采用真空泵本安电源供电技术、抽采回路滤尘、滤水结构设计技术开发气体自动采样装置，实现采空区气体取样。

气体自动采样装置

1.3 微差压检测技术与控制装备研究

拟采用基于MEMS硅芯片的高精度微差压检测技术扩大量程范围，提高检测分辨率；采用电磁阀气动控制技术实现调压气室均压控制，减小采空区防火墙内外空气压差。

微差压检测原理图

微差压检测与均压控制装置与采空区、调压防火气室、启动开关等气管连接关系如下图所示。

微差压检测与均压控制装置与气管连接关系图

微差压检测与均压控制装置具备微差压、差压两个模拟量检测功能和一个开关量控制功能，占用一路分站本安电源单独供电，通过RS485总线与分站进行数据交互，微差压、差压、开关状态三个数值均上传至地面KJ90X安全监控系统中心站软件平台。装置在软件平台设置为033A10、033A11、 033A12 三个测点信息，如下图所示。

微差压检测与、均压控制装置软件平台显示

1.4 防火关键参数监测数据安全监控系统融合将采空区关键气体甲烷、氧气、一氧化碳气体成分浓度参数及气体自动采样装置开停状态一站式靠近采空区就近获取，融入安全监控系统全面融合监测。

地面中心站监控显示界面

2  微差压监测与均压自动控制设备应用情况

微差压监测与均压自动控制设备安装于11830采空区防爆墙外，未启动均压自动控制前的采空区防爆墙内外压力变化如下图。

均压前采空区防爆墙内外压力差变化曲线

由上图可知采空区压力时刻在变化，变化周期约为16~24 小时。采空区压力一天内最大变化约为380 ~ 520Pa;采空区压力约在下午16时达到最大，在中午12点差压在平均值左右，上午8时达到最小。采用均压控制技术后，采空区微差压变化曲线如下图所示。

均压后采空区防爆墙内外压力差变化曲线

由上图可知采用防火均压控制之后，采空区防爆墙内外压力一天内最大变化约为88Pa，压力变化减小50%以上，有效的减小了采空区漏风情况，同时在调压气室注入氮气，隔绝了采空区与巷道间氧气的交换，起到了防止采空区自然发火的效果。

由上图可见，采空区压差经自动调控后，有效降低了采空区长期存在的漏风问题，减小了采空区的氧气量，采空区内氧气浓度控制在0.5%以下，有效降低了采空区自然发火隐患。

由上图可见，采空区压差经自动调控后，减少了采空区漏风，采空区内甲烷浓度控制在60%左右，有效的降低了采空区的降低了采空区自然发火隐患。

3 结论 

4.1 采用气体自动采样装置实现采空区甲烷、氧气、一氧化碳气体成分浓度参数的一站式靠近采空区就近获取，气体浓度融入安全监控系统全面监测，同时气体自动采样装置采用真空泵本安电路设计及脉宽控制技术，实现装置真空泵长寿命工作和待测气体稳定输出。从而真正实现采空区自燃隐患风险实时监控、超限报警信息主动推送、运行记录信息自主便捷查询，全面提升煤矿采空区监测监控能力和设备智能化信息化水平。

4.2 用基于MEMS硅压阻应变芯片的微差压检测技术开发均压监测控制设备，通过微差压元件驱动及信号处理技术、温度补偿算法两大核心技术，实现对采空区封闭墙外调压气室与采空区间微小压力差的准确测量，采用均压控制技术通过控制电磁阀实现均压气管回路的动态控制，维持调压气室微正压均压状态，预防采空区自然发火。

4.3矿井防火在线监测与自动控制技术项目是根据煤矿建设智能化和消除安全生产薄弱环节的实际需求展开的研究，实现了采空区内甲烷、氧气、一氧化碳气体成分浓度参数站式取样分析、就地显示、融入安全监控系统实时通讯上传，通过地面监控中心软件平台即可实时查看采空区内一氧化碳、氧气、甲烷气体的实时浓度信息，为科学防火决策提供了数据依据。有助于指导矿井精准防火措施的实施:同时采用均压防火技术，大大减轻了采空区长期存在的漏风问题，减小了采空区的氧气量。此项目为国内首创，填补矿井采空区就近防火监测与主动均压控制的空白，具有行业引领作用，产业化需求明显，成果转化程度高、易于推广。

通过矿井防火在线监测与自动控制技术研究，可实现自动控制采空区均压的目的，大幅减少人工干预程度，节省人力成本，大大提高采空区防火控制智能化水平。防火关键参数实现了与煤矿安全监控系统的数据整合，提高采空区防火监测与自动预防控制能力，该项目的研发对煤矿信息化发展，提高煤矿采空区安全管理水平具有重要意义。

参考文献：

[1]李军，孙世岭，龚仲强， 一种微差压原位式取样激光甲烷在线分析系统.分析仪器，2016.05.001
[2]李军，张书林，龚仲强，孙世岭基于复合传感信号的采空区火灾监测系统设计. 煤矿机械，2015.02.011

[3]常磊，田申，蔡康伟，城市地下密闭空间可燃气体泄漏监测系统.煤气与热力，2020.（02）：29-31