分布式激光火情监测系统应用及其测点部署优化

旷永华

(贵州盘江精煤股份有限公司，贵州 六盘水 553536)

煤炭自然发火引起的火灾是煤矿安全生产的主要灾害之一，我国90%以上的煤矿火灾由煤炭自然发火引发，轻则影响采煤进度，致使工作面封闭和设备损坏报废，重则引起瓦斯爆炸，造成重大人员伤亡和财产损失[1-4]。因此，煤炭自然发火的防治及监测预报越来越受到重视。煤炭自然发火随煤氧化过程而释放出一系列的气体产物，不同的煤种不同的氧化阶段会产生不同的特征气体，如CO、O2、C2H4、C2H2等，通过监测分析特征气体可以进行火情预测预警，同时可通过监测气体成分中CH4、CO、O2的体积分数，预测被监测空间的爆炸性危险程度[5-7]。

经贵州煤田地质局实验室鉴定，月亮田矿多个煤层自燃倾向性均为Ⅱ类自燃煤层。现场观测发现该矿所有采煤工作面回采过程中采空区均存在CO，南三采区的131015采煤工作面回采过程中上隅角CO体积分数曾高达0.1%以上，煤层氧化自燃情况十分严重。因此，选择在月亮田矿部署KJ428型分布式激光火情监测系统进行火情监测和预测预警。

1 火情监测技术

目前常用的火情监测方法有气相色谱法、激光火情气体监测法、光纤测温法等[8-16]。气相色谱仪结合束管抽测被监测区域的气体成分，是比较传统的火情监测方法。而采用激光气体监测技术，实现对采空区的火情气体成分的在线监测，同时利用光纤测温技术将测温光纤敷设到采空区，实时监测沿线环境温度，是目前较为领先的火情监测技术[17-20]。两者优劣比较如表1所示。

表1 火情监测技术优劣对比

由表1可知,分布式激光火情监测系统与传统束管监测相比，克服了自动化程度低、采样滞后、监测频次低、容易漏气等问题，具有自动化程度高、实时监测、计量准确、可靠性高等优势。

2 系统总体技术框架

2.1 监测系统构成

图1 KJ428矿用分布式激光火情监测系统架构图

2.2 设备现场部署

月亮田矿11109采煤工作面沿回风巷采空区布置有一条∅300 mm的瓦斯抽采管道，每30 m布置一个抽采口，且抽采口距离上隅角小于30 m，超过30 m的抽采口予以关闭。火情取气束管布置在最新抽采口的后边2 m位置，如图2所示。

图2 束管与抽采管位置关系示意图

监测系统上位机部分布置在地面调度室，为使气体输送距离降至最短，火情气体监测主机及测温主机布置在距离被监测工作面11109最近的采煤工作面硐室。将束管从气体监测主机沿工作面回风巷一直布置到上隅角、采空区，利用束管将被测气体输送至监测主机，同时将测温光缆同程布置到采空区。

3 分布式激光火情监测系统运行效果

3.1 火情监测系统效果分析

该监测系统利用激光气体监测技术和光纤测温技术，实现了对煤矿采空区火情的特征气体在线监测，主要监测O2、CO、CO2、CH4、C2H2、C2H4气体体积分数及采空区的温度。

为了能验证监测系统运行的稳定性及测量准确性，对监测地点的气样同时进行系统在线监测和人工取样分析，两种方式监测结果对比情况如表2所示。

表2 火情监测系统监测数据与人工取样分析数据对比

由表2可知，火情监测系统监测数据、现场检测与色谱分析得到的数据基本一致，能够反映现场真实情况。

3.2 火情监测系统运行存在的问题及原因分析

3.2.1 存在的主要问题

通过对监测系统历史曲线进行分析，验证系统运行的有效性。以2018年7月4#束管测点历史监测曲线为例，监测系统束管测点历史曲线如图3所示。

图3 监测系统束管测点历史曲线

由图3可以看出：

由于缺少科学的激励考核机制，忽视人的核心利益和心理需要，严重影响员工的工作积极性，忽视人的潜能释放和长远发展［2］。在用人方面缺乏科学的绩效评价机制，提升往往取决于上司的个人好恶，使客观、公平、公正的选人原则难以体现，缺乏与绩效考核挂钩的收入分配机制。长此以往，员工工作情绪低落，满足感缺失，最终导致大量的人才流失。

1)在7月4日至13日历史曲线显示采样气体的流量为8 L/min左右，说明采样束管未堵塞，未漏气。多种气体测量值的突出变化发生在7月6日和 7月 11日。7月6日O2体积分数一直在20.80%左右，说明采集到的气体接近于新鲜空气。

2)O2体积分数从7月6日17:30的20.80%较快下降到7月11日的14.00%，在7月11日当天又急速下降到1.50%。CH4体积分数逐步上升到7月11日的9.00%之后继续波动上升，而CO体积分数则在7月6日快速上升到20×10-6，7月 11日又快速下降接近0，7月12日后与O2体积分数同步逐渐上升和波动。

7月4日至13日光纤测量的温度曲线见图4。

图4 光纤测温测点历史曲线

7月6日和7月11日O2、CO、CH4等参数出现两次阶跃性突变的情况，不符合监测值变化与进深呈近似正比关系的一般经验。

3.2.2 原因分析

对历史曲线及束管进深、抽采管路抽气口切换时间综合分析后发现，气体监测值突变发生的时间，恰为瓦斯抽采切换抽气口的时间，气体监测值突变与采空区抽采及火情监测束管在附近时的气体流场有关。抽采管路直径300 mm，抽采流量在45 m3/min；抽采口负压达到-10 kPa，在抽采口形成强大的负压区，导致回采工作面及上隅角区域的气体向抽采口流动。而束管直径仅为10 mm，抽采量在8～10 L/min，如果位于抽采口的上隅角方向，抽取的是从上隅角方向流向瓦斯抽采口的空气，此时测量的O2体积分数在20.80%左右。束管取气在抽采口的回风巷侧流场见图5。

图5 束管取气在抽采口的回风巷侧流场示意图

如果束管取样口在瓦斯抽采口的采空区方向(见图6)，则抽采管道抽取的是从采空区及工作面多个方向来的混和气体，束管抽取的样气是该混合气流。

图6 束管取气在抽采口的采空区侧32 m处的 流场示意图

随着采空区内侧瓦斯抽采口关闭，并打开上隅角侧下一个瓦斯抽采口，抽采口向外切换，束管吸气口逐步远离抽采口，速管测点深入采空区的流场示意图如图7所示。当距离抽采口超过62 m时，基本不再受抽采影响，所抽取气样与现场位置的气样相似。

图7 束管测点深入采空区的流场示意图

根据上述分析，火情监测参数的有效性受瓦斯抽采流场影响。为减少瓦斯抽采对束管取样的影响。应将束管及测温光纤布置在无抽采管道或不受抽采管道影响的位置。

4 结论

1)与气相色谱仪加束管的传统的火情监测方式相比，分布式激光火情监测系统采用激光气体自动监测技术，取代了人工取样测量，降低了人工成本，同时实现了实时在线监测，保证了火情预警的及时性。

2)分布式激光火情监测系统采用监测装置井下分布式部署，减小了束管部署长度和人工束管维护工作量，极大缩短了取气时间，提高了系统的可靠性。

3)火情监测参数的有效性受瓦斯抽采流场影响较大，为减少瓦斯抽采对束管取样的影响，应将束管及测温光纤布置在无抽采管道或不受抽采管道影响的位置。