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煤矿自燃火灾预测预报技术
 时间:2017-10-13   浏览:   分享

 

     煤层自燃隐患预测预报就是根据反应产物和气象特征的变化,除人工直接辨识气味、挂汗、热气和煤温等粗略预测外,常借助于专门的测定、分析仪器仪表来判定、掌握其自燃隐患程度。

     目前,随着对煤层自燃理论认识的不断加深和科技的进步,各种检测技术的得到研发、应用,监测手段不断改进和提高,监测的准确性随之增大。现用的方式除人体感官直接粗略辨识外,还有测定CO浓度、色谱分析气体组分、探测煤温和放射性元素探测分析等。鉴于上述特征,矿井防治煤层自然发火确立了“及早发现煤层自燃隐患,采取有效措施进行针对性防治”的基本方针,即“预防为主,防治结合”的原则。   

     煤层自燃的早期预报主要解决三个问题:一是自燃隐患点温度有多高;二是发展到着火温度或发火最短期需要多长时间;三是隐患点大致位置及范围。掌握了这三个问题,才能真正实现早期准确预测预报,为有效防治煤层自燃隐患提供较可靠的依据,从而牢牢把握防灭火的主动权。

  一、  CO测定技术

    目前,测定CO气体的方法有两种。一种是利用CO 检定管或便携式CO测定仪直接测定自燃煤体或其周边的CO浓度。该方法具有快速直接、使用方便等特点,是井下现场最常用的检测方法。但受仪器仪表的完好性、稳定性和操作的准确性,以及测定位置不同的影响,测定误差较大,甚至有时不能很好反映自燃隐患程度。另一种是人工间接或束管直接抽取气样后,到实验室进行化学分析或色谱测定。此种方法虽然精度较高,测定范围广,适应性强,但因操作复杂,不能直接测定,日常用的不多,仅仅在煤层自燃隐患危险性较大的地点定期使用。

优点:检测管测定  快速直接,使用方便

缺点:受仪器仪表的完好性、稳定性和操作的准确性,以及测定位置不同的影响,受人为因素多造成测定误差较大,甚至有时不能很好反应自燃隐患程度。

2、电化学便携式CO检测仪,稳定性差,使用一段时间后不稳定,测量结果偏差5%,30天左右后,测定结果甚至超过20%。

二、  煤温测定技术

    由于煤体发生自燃期间,不同阶段氧化放热的激烈程度差别较大,加之煤的导热性较差,致使相同时间内自燃隐患点及其周围煤体的温度各不相同,测定煤温技术正是基于此并结合其不同阶段的临界值,去判定煤体自燃发展程度的。常用的测定煤温技术有两种:一是预先在易发生自燃隐患的煤体中设置测温孔后,利用温度计定期直接测定煤温;二是对容易发生自燃隐患的煤体根据需要预先施打钻孔后埋设热敏电阻,利用电阻值的大小随煤温不同而存在差异的特性,间接测定煤温。热敏电阻法因能够测定煤体内部自燃隐患点及其附近的温度,受外部因素的干扰较小,不仅能较准确的判定隐患发展程度,而且可判定其周围,对安全防治煤层自燃有很好的指导作用。

1、温度计间接测定煤温技术

     优点:简单易行,操作简单。

     缺点:在抽拔读数过程中,温度计示数变化较大,测定精度较低。

     因测温孔深度有限,温度计外拔过程中受环境制约较大而使测值降低,加之煤的导热性差,布置间距要求较高。只能用于测定巷道周边2-3米范围内较浅的破碎煤体的自燃隐患。并且对测温孔的日常堵漏管理要求较严格,若管理不善,有可能促进煤层自燃隐患产生或加剧,甚至出现快速发火现象。同时对采煤工作面后部采空区遗煤自燃的预测预报,则无法在现场使用。

2、    分布式光纤测温技术

     光纤传感是近几年发展起来的一项新型传感技术, 已广泛应用于油井、电力、建筑等高危行业。同时,光纤传感器也非常适用于煤矿井下单点或多点多参数检测。

    光纤传感器最大的特点是传输速度极快,且不管是监测气体还是温度,都能直接监测到某一点的准确数据。

    光纤传感器最大的不足是成本太高。目前普遍采用将传感器探头直接安装在检测点上的方法进行气体环境监测,传感器探头的价格一般都在1-2万元,若采空区顶板垮落,传感器探头将全部被埋到地下无法回收,随着工作面的推移,需要重新再购置探头。同时,传感器探头在工作面很容易被落石等外界因素破坏,一旦破坏是无法维护的。 

     为了节约成本,科研人员还尝试将传感器探头网状布置在工作面上,该方案减少了传感器探头的布置数量,从一方面看节省了购置成本。但网状布置仍然需要将部分传感器探头布置在采空区监测点上,否则将漏掉监测点的数据,影响检测结果的准确性。

三、  红外探测技术

      红外线探测技术是研究和应用红外线辐射的一门新兴技术,在煤矿主要应用于地质构造、煤巷和煤柱自燃隐患的探测。世界上最先由我国的兖矿集团有限公司将该技术用于探测矿井煤层自燃隐患,现已在国内及澳大利亚申请了专利。目前,煤矿井下常用的是集测温与显示为一体的便携式红外测温仪。

     但该方法也存在如下缺点:

     1、所用仪器的精度、灵敏度不是很高,对井下气体环境的适应性不是很好

     2、被测媒体的表面温度和风流中的煤尘对探测准确度和稳定性影响较大,现场很难克服,测值与煤层自燃隐患世纪的适应性不是很高。

     3、受井下客观存在的地磁射线场的影响,探测精度与实际要求之间还存在一定的差距

     4、探测仪的价格偏高,装备数量较难满足矿井自燃隐患安全防治需要,尤其对经济条件相对较差的矿井而言,普及的难度较大。

四、  同位素探测技术

     随着核电子技术的发展和放射性同位素应用范围的扩展,根据放射性元素半衰期、衰变类型、强度的不同,以及介质对其吸附系数和温度之间的关系,放射性元素也可用于探测煤层自燃隐患。20世纪末,太原理工大学率先在国内展开了该技术的研究,并在枣庄矿务局的柴里矿、兖矿公司的兴隆庄矿等应用后,取得了一定效果。

    该技术的测定原理是:自然界中有些放射性同位素当从一个核素的原子核变成另一个核变的原子时,伴随着呈射线状放出的能量,可作为信息被检测而反应地球体中核素含量及其活动形式与衰变类型。放射性元素在衰变过程中,在相同的地质、地层条件下,当地下煤层发生氧化升温或自燃时,其周围及上覆岩层中天然放射性元素的析出率增大,因发生离子交换作用而使其反映到地表形成放射异常,该异常可作为反应温度的信息而被检测出来,就形成了放射性元素探测煤层自燃的原理。在实际应用中,发现了如下问题:

   1、在氡及其子体垂直向上运移过程中,受外在能量场作用强度的不同,可能产生横向位移,造成异常点整体偏移。

   2、对测出异常数据的分析,受数据处理系统精度和现场干扰因素的全面性影响,还存在一定偏差,有时会出现误报现象。

五、  束管监测技术

    背景:测定CO气体和煤温技术在预测预报煤层自燃隐患方面发挥一定作用的同时,普遍存在的问题是:

    1、是测定工作的适时性、准确性和全面性受自动化程度和监测范围的局限而客观存在一定的弊端;

    2、操作由人工直接操作,受系统误差和操作误差的影响,判定度还不十分精确,致使不能较准确地判定煤层自燃发展阶段,同时,数据保存、分析工程量较大,不利于煤层自燃规律的总结和分析;

    3、测定工作属于全开放或半开放环境检测,极易受现场各种外部因素的干扰而使测定误差较大。

     束管监测技术具有测定气体组分较多、数据存储量大和分析较准确、检测连续性好、自动化程度高等特点。 20世纪80年代初,我国研制成功并应用了束管监测煤层自然发火系统,对煤层自燃隐患预测预报的效果较好。

     1995年,在总结、分析红外束管监测系统存在问题的前提下,淄博祥龙测控技术有限公司在微机自动控制、色谱仪高精度分析、束管负压采样和分析成分较多等高新技术基础上,开发出的具有井下任意地点的O2、N2、CH4、CO、CO2、C2H4、C2H6、C2H2 等气体含量实现24h连续循环监测,准确判定和分析煤层自燃火灾的标志性气体,及时预测预报发火隐患程度的高技术专利的KSS—200型束管自动监测预报系统,不仅测定组分多,精确度高,可对煤层的自燃趋势实施跟踪监测预报,且可查找、确定自燃标志性气体。

    工作原理:该种束管监测系统的原理为:系统工作时,先采用采样抽气泵使束管内形成负压,让井下被测区域的气体进入束管后,被抽到井上的电磁阀前处于待检状态。当气相色谱仪达到稳定工作后,微机通过控制接口板输出一个开关量给驱动电路,使驱动电路的继电器吸合而接通待检测支路束管的电磁阀,其中的气体被送入色谱仪中进行分析。色谱仪的分析结果被送到微机内的数据采样接口板上,经过信号放大,模数转换后,将模拟量转变成数字量,然后由分析软件进行处理,形成谱图和分析结果,分别在屏幕和打印机上表现出来,就完成了待测支路束管气体的监测分析过程。需要多路同时监测时,由微机按照用户设定的检测顺序和监测次数自动循环进行,可实现24h连续在线检测和分析,并保留所有的分析数据,无须人工干涉。

     利用该技术除能够监控巷道风流CO变化及冒落空洞去、采空区的破碎煤体自燃隐患外,还可用于分析工作面供风量与 采空区氧化带之间的关系和判定采空区自燃隐患位置及其发展程度。并且,因束管监测系统的分析部分主要是气相色谱分析仪,所以也能对人工抽取的气样进行分析。

      红外束管分析:设备复杂,管理要求高,费用昂贵,分析精度低,传感器元件寿命短,不能跟踪检测预报。

      束管色谱分析;微机自动控制、色谱仪高精度分析、测定组分多,24小时循环检测可跟踪检测预报,且可查找、确定自然标志性气体。

六、  束管光纤检测技术

     科研人员将光纤传感技术与束管输气技术相结合, 在采空区回风巷建立监测主机,利用束管将监测点的气样输送至监测主机,监测主机内有检测各种气体组分的传感器,将对气样进行浓度分析,然后将分析数据通过光纤传输到地面安全监控系统, 从而实现对井下煤层自燃氧化情况的监测和控制。束管输气的应用,省去了大量传感器探头,大大节约了使用成本,同时,分析后的数据通过光纤传输到地面,缩短了监测时间。

     虽然该项研究在使用成本和监测时间方面都有了较大的改进,但仍存在例如井下监测主机的安全性无法保证、束管负压输气气样不纯等等问题,故该项目目前尚处于研究试验阶段,各项技术并不成熟,还未投入生产中。

七、监测技术未来的发展

      经过几十年的发展,束管监测系统已成为煤炭安全工作不可或缺的部分。尽管硬件软件不断更新换代,但束管监测系统的设计思路从未有所改变,一直是井下气体井上分析。这种思路从总体上虽能满足煤矿安全监测的需要,但仍存在一定的缺陷:

      气样需要经长距离运输才能到到井上分析室,造成检测时间过长,无法即时地监测到井下气体环境信息;同时,束管采用负压输气,漏气时外界气体会进入束管内污染气样。而且样气在输送过程中,因束管内外温差会产生水汽凝结,在低洼处便会出现水堵,致使样气无法正常输送至井上。这些缺陷都是由于当时的技术条件限制造成的,在当今科技大潮的背景下,如何利用新技术、新工艺、新设备、新材料研发出更加完善的束管监测系统,以弥补负压束管监测系统的不足,是广大科研工作者面临的一大难题。

       束管正压监测系统是利用安放在井下的正压输气泵站,将气样运输至地面进行分析。较负压输气,正压输气的速度能提高五到十倍,同时因为束管内为正压,即使漏气也不会污染气样,保证了气样的纯净度,数据更加准确可靠。束管正压还可自动除水,避免了水堵的现象。

        淄博祥龙测控技术有限公司的科研人员经过四年的尝试与创新,已于2011年成功研制出该系统,型号为KSS—200束管正压输气监测系统(专利号:ZL 2011 2 0521605.7)。该系统通过在山东能源淄矿集团亭南煤矿安装使用,效果较负压系统有明显改善,取样时间缩短了近五倍。经有关部门认证,该系统完全适用于煤矿自燃火灾的监测。

       同时,该公司科研人员还大胆尝试,不断创新,融合国外先进的技术手段,突破技术瓶颈,研制出新一代煤矿井下束管微色谱系统,真正实现“井下气体井下分析”,是束管监测系统历史性的变革。

        该系统将整套设备全部安装于井下,通过光纤传输,井上监控系统可实时进行遥控。既减少了束管的敷设数量,又提高了数据的准确性,节省了时间。可以预见,该系统将是未来煤矿自燃火灾束管监测系统更新换代的必备产品。

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