CN107120141A - 基于井下微色谱及光纤测温的煤矿自燃火灾监测方法及装置 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种基于井下微色谱及光纤测温的煤矿自燃火灾监测方法，其特征是，在采空区附近安装井下微色谱系统及其采样束管、光纤感温系统及其感温光纤，结合微色谱系统及光纤感温系统采集到的数据，上传至上位机得到进而判断火情点的位置。本发明有效地解决了以上传统束管色谱监测系统束管铺设距离长，难维护、易损坏导致采样气被污染的问题；并且结合光纤感温系统，利用感温光纤在采空区测温的数据进一步明确火源点的位置信息。
Description
技术领域：
本发明涉及一种基于井下微色谱及光纤测温的煤矿自燃火灾监测方法及装置，属于矿上安全设备领域。
背景技术：
我国煤矿具有百年以上的开采历史，随着矿井开采年限的增长、开采深度增加、开采范围的逐渐扩大，煤炭自燃灾害日趋严重。其中采空区是煤矿煤炭自然发火最易、最频繁的地点之一，由于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，采空区遗煤自然发火问题是长期以来一直困扰煤矿安全生产的一个非常棘手而又亟待解决的难点问题。
目前国内煤矿每年有400个左右矿井工作面采空区发生煤炭自燃。特别是综采(放)工作面采空区发生煤炭自燃，造成工作面封闭，一个综采(放)工作面的设备、材料的直接经济损失就达1亿以上。同时煤炭自燃极易引起瓦斯、煤尘爆炸，造成矿毁人亡的特别重大事故，同时造成工作面停产及煤炭资源等间接损失将更大。因此，矿井煤炭自然发火事故的预防必然成为煤矿安全研究的重点。及时准确地发出火灾早期预报，不仅可以及时采取防灭火措施，将火灾事故消除于萌芽状态，而且还可以减少防灭火造成的经济损失，防止火灾事故的发生。
目前，我国多数煤矿企业已经对煤矿自燃火灾灾害进行了以采空区自燃火灾标志气体分析为主的等监测手段，主要的应用技术是束管色谱监测系统。该系统的技术方案是使用抽气泵将井下采空区的采样气通过束管输送至地面分析中心，在分析中心使用色谱仪对采样气进行分析，通过对气体组分浓度的定性定量分析来对煤矿采空区火灾火情进行监测和预报，这对保障煤矿的安全生产起到了积极的作用。
但是，传统的束管色谱监测系统在实际使用过程中也暴露了很多的缺陷和不足。主要的缺陷有两点：(1)一般地面分析中心到井下工作面的距离会从几千米延展到上万米，漫长的距离导致束管铺设的长度非常大，而由于井下的环境非常复杂恶劣，因此数万米的束管在井下非常容易发生破损、断裂、水堵等状况。这样一方面使得束管监测系统在使用过程中分析结果的可靠性和可信度大大降低；另一方面使得井下束管部分在实际使用中维护的难度、成本大大增加。(2)由于一般使用负压泵对束管进行采样抽气，漫长的束管管路导致抽气效率非常低下，数万米的束管往往需要几个小时才能将样气抽至井上，导致分析效率十分低下。如果是在救灾抢险过程中，数小时的火情分析的延迟就会对救灾抢险造成重大的影响。(3)传统的束管色谱监测系统只是对采空区的某气体监测点的气体组分分析。根据气体组分分析结果，煤矿管理人员可以对采空区整体的自燃火灾发火趋势有个总体估计，但是无法精确确定火源点的位置。在这种情况下，需要通过其它的监测参数进行对采空区进行辅助监测。
发明内容：
本发明要提供一种可以克服上述缺陷的基于井下微色谱及光纤测温的煤矿自燃火灾监测方法及装置。
基于井下微色谱及光纤测温的煤矿自燃火灾监测方法，其特征是，在采空区附近安装井下微色谱系统及其采样束管、光纤感温系统及其感温光纤，结合微色谱系统及光纤感温系统采集到的数据，上传至上位机得到进而判断火情点的位置。
所述的微色谱系统含有两路采样管束，采样管路A沿着进风巷深入采空区；采样管路B沿着工作面，布置在综采工作面和回风巷的夹角处。
所述的光纤感温系统含有两路感温光纤，感温光纤A沿着进风巷深入采空区；感温光纤B沿着回风巷深入采空区。
所述微色谱系统采集到的气体采样数据与光纤感温系统采集到的数据进行时间补偿，时间补偿具体方法为满足如下公式：
T采样＝3.74L2+0.0005L+0.4621
其中T采样是采样时间(分钟)，L为采样束管长度(千米)；结合微色谱系统色谱分析的分析时间T分析，最后的补偿时间公式为：
T补偿＝T采样+T分析
所述的上位机结合光纤感温系统的温度数据、微色谱系统的气体分析数据及时间补偿数据对火情点进行判断。
具体装置包括微色谱系统和光纤感温系统，微色谱系统的气体采样管路设置在采空区和工作面；光纤感温系统的感温光纤也设置在采空区和工作面；微色谱系统和光纤感温系统的数据上传至上位机。
本发明的有益效果是：
有效地解决了以上传统束管色谱监测系统束管铺设距离长，难维护、易损坏导致采样气被污染的问题；并且结合光纤感温系统，利用感温光纤在采空区测温的数据进一步明确火源点的位置信息。本发明通过创新性的提供了一种煤矿自燃火灾监测的实施方案，在井下工作面布置实施两种技术系统，解决了传统系统存在问题，并且可以更加精确地判断井下自燃火灾的状况和趋势，并能确定发火点位置，对煤矿安全的管理有非常重要的意义。
附图说明
下面结合附图及实施方式对本发明作进一步详细的说明：
图1为本发明布置结构示意图
图中：1、大巷；2、进风巷；3、光纤感温系统和井下微色谱；4、采样束管A；5、感温光纤A；6、采空区；7、采样束管B；8、感温光纤B；9、回风巷；10、综采面。
具体实施例：
如图1所示，本发明提供的技术方案是通过在采空区附近合理的安装井下微色谱系统及其采样束管的分路布置，有效地缩短了铺设束管的长度，减少了束管的维护工作；同时通过安装光纤感温系统，结合束管的铺设位置来合理布置光纤位置，从而得到气体组分分析数据及相关位置的温度数据。因为束管色谱分析的滞后性和光纤感温系统监测的瞬时性，在分析结果时要考虑气体组分的分析结果与温度检测结果有时间差，在系统中分析要把时间因素造成的误差排除掉，这样才能得到同一时刻煤矿采空区火灾火情的真实结果。
具体的布置实施方案如图1所示：
由于井下微色谱和光纤测温装置安装的高度灵活性，本发明提出将两种设备安装在工作面的移动变电站附近，监测的数据信号在此处进行分析处理然后上传至上位机进行进一步的分析处理展示。这样安装实施的优点有：(1)井下微色谱系统和光纤感温系统可以就近取电，解决了供电的问题；(2)设备可以跟随工作面的推进而移动，最大程度的减少束管和光纤铺设的长度，减少维护难度，提高监测准确性。
进一步的，井下微色谱的采样束管分为两路，采样束管A沿着进风巷深入采空区，由于进风巷一般是进入的新鲜空气，束管深入采空区内部可以比较准确的收集采空区内部的气体变化情况，避免因为新鲜空气的涌入稀释而产生的误判；另一路采样束管B沿着工作面，布置在综采工作面和回风巷的夹角处(又称下隅角)，因为采空区内部的气体流动是从进风巷通过采空区进入回风巷，在下隅角布置束管采样点可以有效地收集采空区内的气体，分析其内部的整体气体变化情况。
进一步的，光纤感温系统的感温光纤也分为两路布置，感温光纤A与采样束管A的布置线路相同，沿进风巷深入采空区内部；另一路感温光纤B也与采样束管B的布置线路基本相同，不同点在于感温光纤B沿着回风巷也深入采空区内部。这样布置的优点在于两路感温光纤可以收集随采空区深度不同的所有感温采样点数据，结合气体组分分析数据，可以更加精准的判断火情点的位置。
进一步的，由于光纤感温采样是瞬时的，而束管的气体采样有较大的延迟，所以要准确结合气体分析结果和温度分析结果必须进行时间补偿。为了准确的计算对于分析结果的时间补偿，我们对束管长度和其采样时间做了一个实验。实验布置了1000米长度的束管，一个负压泵在束管前端进行抽气作业，束管末端放入甲烷气体的环境中。启动负压泵之后开始计时，在出气口放置一个甲烷监测器，直到甲烷监测器检测到甲烷气体是，记录采样时间。如上分别重复测试2000、3000、4000、5000米束管长度时的采样时间，发现采样时间与束管长度满足二次函数的关系，用最小二乘法求得相关的系数，最后得到公式：
T采样＝3.74L2+0.0005L+0.4621
其中T采样是采样时间(分钟)，L为束管长度(千米)。由于色谱分析也需要一个分析时间T分析(本系统设定分析时间为5分钟)，因此最后的补偿时间公式为：
T补偿＝T采样+T分析
在实际应用中，温度的采集数据需要延后T补偿时间后与气体分析数据综合考虑。
进一步的，本发明中所述的井下微色谱系统采用美国航天技术的微型色谱仪改造的核心分析单元，突破了色谱仪下井的技术屏障，采用最新最安全的井下防爆技术，结合束管取气控制模块，组成全自动智能色谱监控中心，在井下爆炸气体环境中快速完成取气、分析。利用远程通讯模块与远端的井上监控平台通讯，完成控制和监控结果数据传输。数据最后通过网络接口传输到火灾大数据监测平台和手机移动端，可以时时掌握煤矿井下工作环境，确保井下安全生产。系统主要有矿用隔爆兼本安型多组份气体分析主站、防暴开关、束管、数据传输网络、移动客户端、系统监控平台)几大部分组成。
(1)矿用隔爆兼本安型多组份气体分析主站：由采样控制模块，电磁阀及驱动电路，微型色谱仪等部分组成，封装在防爆的色谱监控分站的箱体内。是束管监控系统的核心，通过井上管理平台给色谱监测分站设置系统运行参数，在井上管理平台的远程控制指令下，将束管采样得到的井下气体，依次通过色谱仪进样分析，并将结果通过数据传输网络，返回给井上系统管理平台。
(2)束管：由粉尘过滤器、单管、分路箱(含滤水器)、束管等组成，其作用是运载井下气体。
(3)数据传输网络：束管色谱监控系统的核心数据传输网络，可以直接利用现有的工业环网，或者根据需要重新搭建新的通讯网络。主要由核心交换机、地面光纤环网交换机、井下环网交换机、防火墙等网络通信设备组成。移动客户端：支持手机平板掌上操作。
(4)井上系统管理平台：包括监控主机，打印机，UPS，监控管理软件等部分组成。
进一步的，光纤感温系统是基于光纤传感技术。光纤传感器是以光波为载体，光纤为媒质，感知和传输外界被测量信号的新型传感器。光纤不带电、体积小、质量轻、易弯曲、抗电磁干扰、抗辐射性能好，本质安全，特别适合在易燃、易爆、空间受严格限制及强电磁干扰等恶劣环境下使用。对比于传统的检测方法，光纤传感监测系统有远程传输、多参数、大容量、实时在线、抗干扰、本质安全等优点。光纤感温系统主要由两大部分构成：
(1)矿用光纤测温装置具有多通道光转换功能，插损小，易扩展；具有更高的温度精度和空间分辨率；提供各种报警指示灯，方便了解运行状态；提供网口、串口、USB等多种接口方式，可以将监测数据通过矿上已有的通讯监控网络传输到地面，从地面进行远程监控。
矿用感温光纤集信息传输和温度采集于一体，采用矿用阻燃型中心束管式钢丝铠装光缆，这种结构更柔韧、轻便，具有更好的抗砸、抗拉能力，便于施工布放；光缆外径结构简单，热渗透快，测温响应快；光纤衰减小，提高了系统的测量精度和测量范围。
上述实施案例仅是为清楚本发明所作的举例，而并非是对本发明实施方式的限定。对属于本发明的精神所引申出的显而易见的变化或变动仍处于本发明的保护范围内。
Claims (6)
1.一种基于井下微色谱及光纤测温的煤矿自燃火灾监测方法，其特征是，在采空区附近安装井下微色谱系统及其采样束管、光纤感温系统及其感温光纤，结合微色谱系统及光纤感温系统采集到的数据，上传至上位机得到进而判断火情点的位置。
2.根据权利要求1所述的基于井下微色谱及光纤测温的煤矿自燃火灾监测方法，其特征是，所述的微色谱系统含有两路采样管束，采样管路A沿着进风巷深入采空区；采样管路B沿着工作面，布置在综采工作面和回风巷的夹角处。
3.根据权利要求1所述的基于井下微色谱及光纤测温的煤矿自燃火灾监测方法，其特征是，所述的光纤感温系统含有两路感温光纤，感温光纤A沿着进风巷深入采空区；感温光纤B沿着回风巷深入采空区。
4.根据权利要求1所述的基于井下微色谱及光纤测温的煤矿自燃火灾监测方法，其特征是，所述微色谱系统采集到的气体采样数据与光纤感温系统采集到的数据进行时间补偿，时间补偿具体方法为满足如下公式：
T采样＝3.74L2+0.0005L+0.4621
其中T采样是采样时间(分钟)，L为采样束管长度(千米)；结合微色谱系统色谱分析的分析时间T分析，最后的补偿时间公式为：
T补偿＝T采样+T分析
5.根据权利要求1所述的基于井下微色谱及光纤测温的煤矿自燃火灾监测方法，其特征是，所述的上位机结合光纤感温系统的温度数据、微色谱系统的气体分析数据及时间补偿数据对火情点进行判断。
6.一种实现权1所述方法的装置，其特征是，包括微色谱系统和光纤感温系统，微色谱系统的气体采样管路设置在采空区和工作面；光纤感温系统的感温光纤也设置在采空区和工作面；微色谱系统和光纤感温系统的数据上传至上位机。
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