某矿工作面煤层自燃预警系统设计及应用

张晓龙

(山西汾西矿业(集团)有限责任公司宜兴煤业有限责任公司)

矿井安全生产监控系统以及矿井束管监测系统大多用于监测煤炭自燃发火指标气体的浓度、产生的速率等，无法直观反应出监测区域的煤层自燃氧化程度、高温点的温度[1-4]。为有效实现煤层自燃预警，本研究对某矿工作面煤层自燃预警系统进行设计开发和应用。

1 系统功能设计

1.1 煤层自燃预警系统构成

本研究煤层自燃预警系统模块如图1所示。

1.2 软件后台部分构成

软件后台部分的核心内容是预警模型以及预报警指标。本研究利用Java语言对煤层自燃预警指标进行编辑和描述，并将其转化为计算机语言程序，系统在采集相关信息后便可利用该类程序进行数据处理和显示[5-7]。

1.3 软件界面构成

煤层自燃预警系统作为一个子系统镶嵌于矿山预警预报智能决策支持平台系统中，系统启动后显示登录界面，登录后进入主窗口，主窗口包括多个子系统，用户可点击进入煤层自燃预警系统。为了方便管理人员能够获取最主要的监控信息，软件界面主要显示温度、气体实时变化曲线、预报警信息、监测区域的自燃情况以及月度分析报告，如果需要查找历史数据，可以点击相应的区块，便可以进入到相应的下一级页面中，进而可以查询、分析相应区块的历史数据。

2 工作面预警信息采集

某矿主要采用KJ90NB矿井安全生产监控系统以及KSS-2100束管色谱监测系统。本研究煤层自燃预警系统主要是基于KSS-2100束管色谱监测系统和KJ90NB矿井安全生产监控系统进行设计开发[8-9]。

(1)煤矿安全监控系统。KJ90NB安全监控系统通过各个传感器，可以实时采集一些矿井安全生产信息，经过一系列传输，可以呈现于显示设备上，并且能够生成一些报表，涉及到203206工作面的监测数据有工作面温度、瓦斯浓度，工作面回风口风速、瓦斯浓度，以及工作面断电器是否正常工作等。

(2)束管监测系统。KSS-2100束管色谱监测系统可以由计算机对其进行控制，通过产生负压达到抽取测点气样的目的，而后通过管路运送至色谱仪中，由色谱仪进行分析检测，并将检测结果将反馈给计算机，再由计算机软件对各类检测数据进行汇总。该系统主要监测的气体为O2、N2、CO、CO2、CH4、C2H6、C2H4、C2H2，可通过C2H6、C2H4气体浓度计算出烷烯比的含量比值，即w(C2H4)/w(C2H6)。该矿20306工作面束管抽取气体样品的探头主要安装于采空区、回风侧、工作面中心位置以及工作面等。

(3)人工监测。当束管监测系统出现故障后无法实现自动监测时，或监测结果不准确时，一般采用人工监测手段。人工监测可以作为一种辅助性监测手段，当束管监测系统的监测数据出现一些不规律的数据，并且根据该类数据无法有效判断煤层自燃情况时，应采取人工采样监测手段。当人工检测数据与束管监测数据对比出现较大差异时，应检查束管管路情况，检查是否有损坏，或工作人员操作束管时的操作过程是否正确。

3 预警系统参数设置

3.1 预警值设置

本研究设计了煤层自燃预警系统预警点的预警指标，并对预警信息进行了分级，结果见表1。

表1 煤自燃预警系统预警指标信息

3.2 无效气样剔除

束管监测系统在实际运用过程中难免会有无效气样产生，为确保系统的预报结果更为准确，有必要排除该类干扰数据。本研究运用特里克特比率Tr参数去排除一些干扰数据[4]，通过将该参数植入到束管监测系统中，可以减少一些因无效气样引起的误差数据。一般说来，Tr值不大于1.6，如果Tr大于1.6，应对该数值对应的气样进行舍弃。

3.3 预警模型构建

本研究设计的煤层自燃预警系统的工作流程如图2所示。

图2 煤层自燃预警系统预警模型工作流程

4 20306工作面应用效果

(1)系统测试内容。①分析煤层自燃预警系统是否能够及时获取束管监测系统和安全监控系统的监测数据，且不会提取一些错误信息，长时间运行时系统运行是否可靠；②测试系统的分析结果是否能够及时通过界面进行显示，显示效果是否能够达到设计要求，点击相应的模块能否进入对应的下一级菜单；③测试系统分析结果是否可靠，通过现场复杂环境的测试，分析系统的测试结果是否符合工作面煤层自燃实际情况。

(2)运行测试流程。首先测试系统界面的显示情况，采空区温度曲线、预警指标气体浓度曲线以及预警报警情况是否能够正常显示，点击进入该类区块后能否显示各自的历史数据；其次测试系统能否在特定的数据库中正常获取数据，以及提取数据的间隔时间是否符合设计要求；然后分析系统监测分析结果与人工分析结果是否一致，在设定指标达到预警级别后，系统是否能够按照预先设计的预警流程进行预警；最后该系统能否正常产生分析报告，分析报告是否符合设计要求。上述功能测试完毕后，使系统长期处于运行状态，检测个模块之间的相互配合情况。

(3)测试结果。①系统预警功能，联机运行时，通过KJ90NB安全监控系统监测到20306工作面采空区回风流CO浓度为2×10-6，通过束管系统监测到的采空区回风侧CO浓度为1.97×10-6，此时判断煤体没有发出自燃氧化反应，在系统测试的时间段内，20306工作面一直处于正常生产状态，有时能够检测出少量CO，但一直未能达到预警点，因此，对于系统预报警点设置的合理性仍需进一步验证；②系统运行稳定性，系统在井下不间断运转了一段时间，期间采集了大量的煤层自燃氧化特征参数，并对其进行了分析和储存，系统各功能模块都能够正常运转，系统运行比较稳定。

5 结 语

对某矿KSS-2100束管色谱监测系统和KJ90NB矿井安全生产监控系统进行了有机集成，开发了工作面煤层自燃预警系统，实现了煤层自燃预警的关键功能，主要包括煤层自燃特征信息采集与监测、煤层自燃火灾预警、系统分析与报表等，能够实时监测煤层自燃氧化情况，系统各功能模块都能够正常运转，系统运行稳定性较好。