CN105697063A - 一种基于多参数交叉分析的矿用火情预警方法及系统 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种基于多参数交叉分析的矿用火情预警方法及系统，本发明根据煤自燃发火过程的四个阶段，这四个阶段分别为缓慢氧化、快速氧化、剧烈氧化和自燃阶段，并根据不同种类煤样的低温氧化实验确定各阶段对应温度和CO浓度的阈值，然后采集煤矿火情监测区域的温度、CO浓度、C2H4浓度和C2H2浓度；将采集到的温度和CO浓度与各阶段阈值进行比较，根据比较结果以及C2H4浓度和C2H2浓度判断煤矿火情监测区域火情所处的阶段，从而实现对矿用火情各阶段的准确预警。本发明能够对煤自燃过程各阶段的火情进行准确预警，避免了在自燃发火阶段不明确的情况下贸然采取灭火措施导致气体爆炸事故的问题，对于煤炭自燃火灾的防治具有重要意义。
Description
技术领域
本发明涉及一种基于多参数交叉分析的矿用火情预警方法及系统，属于矿井火情监测技术领域。
背景技术
矿井火灾是煤矿生产中的主要灾害之一，而煤炭自然火灾是矿井火灾的主要形式，约占矿井火灾总数的90％，特别是近年来我国广泛采用综采放顶煤的开采技术，在瓦斯治理中大力推广抽放技术，在生产效率大幅度提高和瓦斯涌出量大大减少的同时，造成采空区遗留煤炭较多，漏风严重，使得自然火灾频发。今年我国国有重点煤矿每年因火灾而封闭的采煤工作面近百个，每年因封闭工作面造成的冻结煤量都在千万吨以上，封闭工作面常使上千万元的综采、综放工作面封闭在火区中，大量的煤炭因火区而冻结，合理的开拓部署和开采顺序被打破，给矿井带来了巨大的经济损失和重大事故隐患，矿井火灾已成为制约矿井安全生产与发展的主要因素之一。
煤矿现场多年的防灭火经验表明，煤炭自燃一旦形成火灾，灭火工作不仅需要投入大量的人力物力，而且灭火效果不佳，因此煤炭自燃火灾的防治工作重在预防。为了做好煤炭的预防工作，必须对煤炭自然发火进行准确的预报。煤炭自燃火灾的发生过程可分为缓慢氧化、快速氧化、激烈氧化和自燃四个不同的发展阶段，不同阶段对应着不同的气体产物种类和浓度。使用束管监测系统检测煤矿井下的气体成分，是目前煤炭自燃发火预测预报应用最广泛的方法。但是受煤矿井下涌水、粉尘的影响，束管堵塞、漏气等故障使监测系统无法有效检测采空区气体成分。
为此，又有人提出通过检测CO浓度、烟气浓度和温度来实现对煤自燃过程进行预警，例如申请号为201510319392.2的专利申请文件公开了一种原煤斗存煤自燃预警系统，该系统通过检测CO浓度、烟气浓度和温度数据来实现对煤自燃过程的预警，虽然在预警的过程中考虑到了多种参数的影响，但是该方案只能检测出煤炭是否自燃，却不能准确监测出火情发展所处的具体阶段，在自燃发火阶段不明确的情况下贸然采取灭火措施，可能导致气体爆炸事故。
发明内容
本发明的目的是提供一种基于多参数交叉分析的矿用火情预警方法及系统，以及早准确发现火情，以便采取正确的灭火措施。
本发明为解决上述技术问题提供了一种基于多参数交叉分析的矿用火情预警方法，该预警方法包括以下步骤：
1)确定煤自燃发火过程中四个阶段对应温度和CO浓度的阈值，分别为缓慢氧化阶段的温度阈值T1和CO浓度阈值C1、快速氧化阶段的温度阈值T2和CO浓度阈值C2、剧烈氧化阶段的温度阈值T3和浓度阈值C3、自燃阶段的温度阈值T4和浓度阈值C4；
2)采集煤矿火情监测区域的温度、CO浓度、C2H4浓度和C2H2浓度；
3)将采集到的温度和CO浓度与各阶段对应阈值进行比较，根据比较结果以及C2H4浓度和C2H2浓度判断煤矿火情监测区域火情所处的阶段并进行相应报警，实现对矿用火情具体阶段的预警。
所述步骤3)的判断过程如下：当采集到的温度超过缓慢氧化阶段的温度阈值T1而小于快速氧化阶段的温度阈值T2，或者CO浓度超过缓慢氧化阶段的CO浓度阈值C1而小于快速氧化阶段的CO浓度阈值C2且未检测出C2H4和C2H2时，判断煤矿火情处于缓慢发展阶段；当采集到的温度超过快速氧化阶段的温度阈值T2而小于剧烈氧化阶段的温度阈值T3，或者CO浓度超过快速氧化阶段的浓度阈值C2而小于剧烈氧化阶段的浓度阈值C3且未检测出C2H4和C2H2时，判断煤矿火情处于快速氧化阶段；当采集到的温度超过剧烈氧化阶段的温度阈值T3而小于自燃阶段的温度阈值T4，或者CO浓度超过剧烈氧化阶段的浓度阈值C3而小于自燃阶段的浓度阈值C4，或者检测出C2H4时，判断煤矿火情处于剧烈氧化阶段；当采集到的温度超过自燃阶段的温度阈值T4，或CO浓度超过自燃阶段的浓度阈值C4，或检测出C2H2时，判断煤矿火情处于自燃阶段。
当采集到的温度小于缓慢氧化阶段的温度阈值T1且CO浓度小于缓慢氧化阶段的CO浓度阈值C1且未检测出C2H4和C2H2时，判断煤矿火情为正常，即未发生火情。
所述当火情发展阶段的判断结果出现不同情况时，将火情发展阶段判断为较高级别。
所述煤自燃发火过程各个阶段的阈值根据不同种类煤样的低温氧化实验确定。
本发明还提供了一种基于多参数交叉分析的矿用火情预警系统，该预警系统包括阈值确定模块、采集模块和判断预警模块，
所述的阈值确定模块用于确定煤自燃发火过程中四个阶段对应温度和CO浓度的阈值，分别为缓慢氧化阶段的温度阈值T1和CO浓度阈值C1、快速氧化阶段的温度阈值T2和CO浓度阈值C2、剧烈氧化阶段的温度阈值T3和浓度阈值C3、自燃阶段的温度阈值T4和浓度阈值C4；
所述的采集模块用于采集煤矿火情监测区域的温度、CO浓度、C2H4浓度和C2H2浓度；
所述的判断预警模块用于将采集到的温度和CO浓度与各阶段阈值进行比较，根据比较结果以及C2H4浓度和C2H2浓度判断煤矿火情监测区域火情所处的阶段并进行相应报警，实现对矿用火情具体阶段的预警。
所述的判断预警模块所采取的判断策略如下：当采集到的温度超过缓慢氧化阶段的温度阈值T1而小于快速氧化阶段的温度阈值T2，或者CO浓度超过缓慢氧化阶段的CO浓度阈值C1而小于快速氧化阶段的CO浓度阈值C2且未检测出C2H4和C2H2时，判断煤矿火情处于缓慢发展阶段；当采集到的温度超过快速氧化阶段的温度阈值T2而小于剧烈氧化阶段的温度阈值T3，或者CO浓度超过快速氧化阶段的浓度阈值C2而小于剧烈氧化阶段的浓度阈值C3且未检测出C2H4和C2H2时，判断煤矿火情处于快速氧化阶段；当采集到的温度超过剧烈氧化阶段的温度阈值T3而小于自燃阶段的温度阈值T4，或者CO浓度超过剧烈氧化阶段的浓度阈值C3而小于自燃阶段的浓度阈值C4，或者检测出C2H4时，判断煤矿火情处于剧烈氧化阶段；当采集到的温度超过自燃阶段的温度阈值T4，或CO浓度超过自燃阶段的浓度阈值C4，或检测出C2H2时，判断煤矿火情处于自燃阶段。
当采集到的温度小于缓慢氧化阶段的温度阈值T1且CO浓度小于缓慢氧化阶段的CO浓度阈值C1且未检测出C2H4和C2H2时，判断煤矿火情为正常，即未发生火情。
所述判断预警模块在火情发展阶段的判断结果出现不同情况时，将火情发展阶段判断为较高级别。
所述阈值确定模块中各个阶段的阈值确定是通过不同种类煤样的低温氧化实验实现的。
本发明的有益效果是:本发明根据煤自燃发火过程的四个阶段，这四个阶段分别为缓慢氧化、快速氧化、剧烈氧化和自燃阶段，并根据不同种类煤样的低温氧化实验确定各阶段对应温度和CO浓度的阈值，然后采集煤矿火情监测区域的温度、CO浓度、C2H4浓度和C2H2浓度；将采集到的温度和CO浓度与各阶段阈值进行比较，根据比较结果以及C2H4浓度和C2H2浓度判断煤矿火情监测区域火情所处的阶段，从而实现对矿用火情各阶段的准确预警。本发明能够对煤自燃过程各阶段的火情进行准确预警，避免了在自燃发火阶段不明确的情况下贸然采取灭火措施导致气体爆炸事故的问题，对于煤炭自燃火灾的防治具有重要意义。
附图说明
图1是本发明实施例中基于多参数交叉分析的矿用火情预警方法的流程图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的具体实施方式做进一步的说明。
本发明的基于多参数交叉分析的矿用火情预警方法的实施例
本发明根据煤自燃发火过程的四个阶段，这四个阶段分别为缓慢氧化、快速氧化、剧烈氧化和自燃阶段，并根据不同种类煤样的低温氧化实验确定各阶段对应温度和CO浓度的阈值，然后采集煤矿火情监测区域的温度、CO浓度、C2H4浓度和C2H2浓度；将采集到的温度和CO浓度与各阶段阈值进行比较，根据比较结果以及C2H4浓度和C2H2浓度判断煤矿火情监测区域火情所处的阶段，从而实现对矿用火情各阶段的准确预警。该方法的具体实施例流程如图1所示，具体实施步骤如下：
1.采集煤矿火情监测区域煤样确定煤的种类，本实施例所采集的煤矿火情监测区域煤样为褐煤。
2.根据采集到的煤样通过低温氧化实验确定煤自燃发火过程各阶段对应温度和CO浓度的阈值。
本实施例中的将煤自燃发火过程划分为缓慢氧化、快速氧化、剧烈氧化、自燃四个阶段，各阶段的温度阈值分别为T1、T2、T3、T4；CO浓度值分别为C1、C2、C3、C4。本实施例中通过对褐煤进行低温氧化实验所确定的各阶段的温度阈值分别为T1＝35℃、T2＝60℃、T3＝150℃、T4＝230℃；CO浓度阈值分别为C1＝2ppm、C2＝5ppm、C3＝20ppm、C4＝100ppm。
3.采集煤矿火情监测区域的温度、CO浓度、C2H4浓度和C2H2浓度。
4.将采集到的温度和CO浓度与各阶段阈值进行比较，根据比较结果以及C2H4浓度和C2H2浓度判断煤矿火情监测区域火情所处的阶段并进行相应报警，实现对矿用火情具体阶段的预警。
本实施例中各阶段火情的判断逻辑如下：当火情监测区域的温度t满足t＜35℃且一氧化碳浓度c满足c＜2ppm且未检测出C2H4和C2H2时，判断火情为正常，即未发生火情；当火情监测区域的温度t满足35℃≤t＜60℃或一氧化碳浓度c满足2ppm≤c＜5ppm且未检测出C2H4和C2H2时，判断火情发展阶段为缓慢氧化；当火情监测区域的温度t满足60℃≤t＜150℃或一氧化碳浓度c满足5ppm≤c＜20ppm且未检测出C2H4和C2H2时，判断火情发展阶段为快速氧化；当火情监测区域的温度t满足150℃≤t＜230℃或一氧化碳浓度c满足20ppm≤c＜100ppm或检测出C2H4时，判断火情发展阶段为剧烈氧化；当火情监测区域的温度t满足t＞230℃或一氧化碳浓度c满足c＞100ppm或检测出C2H2时，判断火情发展阶段为自燃。
本实施例中假设检测到的火情监测区域的温度为80℃，C2H4浓度为6ppm，根据温度判断火情发展阶段为快速氧化，根据C2H4的出现判断火情发展阶段为剧烈氧化，将火情发展阶段判断为较高级别，即剧烈氧化阶段。
本发明的基于多参数交叉分析的矿用火情预警系统的实施例
本实施例中的矿用火情预警系统包括阈值确定模块、采集模块和判断预警模块，其中阈值确定模块用于确定煤自燃发火过程中四个阶段对应温度和CO浓度的阈值，分别为缓慢氧化阶段的温度阈值T1和CO浓度阈值C1、快速氧化阶段的温度阈值T2和CO浓度阈值C2、剧烈氧化阶段的温度阈值T3和CO浓度阈值C3、自燃阶段的温度阈值T4和CO浓度阈值C4；采集模块用于采集煤矿火情监测区域的温度、CO浓度、C2H4浓度和C2H2浓度；判断预警模块用于将采集到的温度和CO浓度与各阶段阈值进行比较，根据比较结果以及C2H4浓度和C2H2浓度判断煤矿火情监测区域火情所处的阶段并进行相应报警，实现对矿用火情具体阶段的预警。各模块的具体实现手段已在方法的实施例中进行了详细说明，这里不再赘述。
Claims (10)
1.基于多参数交叉分析的矿用火情预警方法，其特征在于，该预警方法包括以下步骤：
1)确定煤自燃发火过程中四个阶段对应温度和CO浓度的阈值，分别为缓慢氧化阶段的温度阈值T1和CO浓度阈值C1、快速氧化阶段的温度阈值T2和CO浓度阈值C2、剧烈氧化阶段的温度阈值T3和浓度阈值C3、自燃阶段的温度阈值T4和浓度阈值C4；
2)采集煤矿火情监测区域的温度、CO浓度、C2H4浓度和C2H2浓度；
3)将采集到的温度和CO浓度与各阶段对应阈值进行比较，根据比较结果以及C2H4浓度和C2H2浓度判断煤矿火情监测区域火情所处的阶段并进行相应报警，实现对矿用火情具体阶段的预警。
2.根据权利要求1所述的基于多参数交叉分析的矿用火情预警方法，其特征在于，所述步骤3)的判断过程如下：当采集到的温度超过缓慢氧化阶段的温度阈值T1而小于快速氧化阶段的温度阈值T2，或者CO浓度超过缓慢氧化阶段的CO浓度阈值C1而小于快速氧化阶段的CO浓度阈值C2且未检测出C2H4和C2H2时，判断煤矿火情处于缓慢发展阶段；当采集到的温度超过快速氧化阶段的温度阈值T2而小于剧烈氧化阶段的温度阈值T3，或者CO浓度超过快速氧化阶段的浓度阈值C2而小于剧烈氧化阶段的浓度阈值C3且未检测出C2H4和C2H2时，判断煤矿火情处于快速氧化阶段；当采集到的温度超过剧烈氧化阶段的温度阈值T3而小于自燃阶段的温度阈值T4，或者CO浓度超过剧烈氧化阶段的浓度阈值C3而小于自燃阶段的浓度阈值C4，或者检测出C2H4时，判断煤矿火情处于剧烈氧化阶段；当采集到的温度超过自燃阶段的温度阈值T4，或CO浓度超过自燃阶段的浓度阈值C4，或检测出C2H2时，判断煤矿火情处于自燃阶段。
3.根据权利要求2所述的基于多参数交叉分析的矿用火情预警方法，其特征在于，当采集到的温度小于缓慢氧化阶段的温度阈值T1且CO浓度小于缓慢氧化阶段的CO浓度阈值C1且未检测出C2H4和C2H2时，判断煤矿火情为正常，即未发生火情。
4.根据权利要求3所述的基于多参数交叉分析的矿用火情预警方法，其特征在于，所述当火情发展阶段的判断结果出现不同情况时，将火情发展阶段判断为较高级别。
5.根据权利要求1-4中任一项所述的基于多参数交叉分析的矿用火情预警方法，其特征在于，所述煤自燃发火过程各个阶段的阈值根据不同种类煤样的低温氧化实验确定。
6.一种基于多参数交叉分析的矿用火情预警系统，其特征在于，该预警系统包括阈值确定模块、采集模块和判断预警模块，
所述的阈值确定模块用于确定煤自燃发火过程中四个阶段对应温度和CO浓度的阈值，分别为缓慢氧化阶段的温度阈值T1和CO浓度阈值C1、快速氧化阶段的温度阈值T2和CO浓度阈值C2、剧烈氧化阶段的温度阈值T3和浓度阈值C3、自燃阶段的温度阈值T4和浓度阈值C4；
所述的采集模块用于采集煤矿火情监测区域的温度、CO浓度、C2H4浓度和C2H2浓度；
所述的判断预警模块用于将采集到的温度和CO浓度与各阶段阈值进行比较，根据比较结果以及C2H4浓度和C2H2浓度判断煤矿火情监测区域火情所处的阶段并进行相应报警，实现对矿用火情具体阶段的预警。
7.根据权利要求6所述的基于多参数交叉分析的矿用火情预警系统，其特征在于，所述的判断预警模块所采取的判断策略如下：当采集到的温度超过缓慢氧化阶段的温度阈值T1而小于快速氧化阶段的温度阈值T2，或者CO浓度超过缓慢氧化阶段的CO浓度阈值C1而小于快速氧化阶段的CO浓度阈值C2且未检测出C2H4和C2H2时，判断煤矿火情处于缓慢发展阶段；当采集到的温度超过快速氧化阶段的温度阈值T2而小于剧烈氧化阶段的温度阈值T3，或者CO浓度超过快速氧化阶段的浓度阈值C2而小于剧烈氧化阶段的浓度阈值C3且未检测出C2H4和C2H2时，判断煤矿火情处于快速氧化阶段；当采集到的温度超过剧烈氧化阶段的温度阈值T3而小于自燃阶段的温度阈值T4，或者CO浓度超过剧烈氧化阶段的浓度阈值C3而小于自燃阶段的浓度阈值C4，或者检测出C2H4时，判断煤矿火情处于剧烈氧化阶段；当采集到的温度超过自燃阶段的温度阈值T4，或CO浓度超过自燃阶段的浓度阈值C4，或检测出C2H2时，判断煤矿火情处于自燃阶段。
8.根据权利要求7所述的基于多参数交叉分析的矿用火情预警系统，其特征在于，当采集到的温度小于缓慢氧化阶段的温度阈值T1且CO浓度小于缓慢氧化阶段的CO浓度阈值C1且未检测出C2H4和C2H2时，判断煤矿火情为正常，即未发生火情。
9.根据权利要求8所述的基于多参数交叉分析的矿用火情预警系统，其特征在于，所述判断预警模块在火情发展阶段的判断结果出现不同情况时，将火情发展阶段判断为较高级别。
10.根据权利要求6-9中任一项所述的基于多参数交叉分析的矿用火情预警系统，其特征在于，所述阈值确定模块中各个阶段的阈值确定是通过不同种类煤样的低温氧化实验实现的。
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