CN110927213A - 基于采空区温度和指标气体的遗煤自燃危险分级预警方法 - Google Patents
基于采空区温度和指标气体的遗煤自燃危险分级预警方法 Download PDFInfo
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Abstract
本发明提供一种基于采空区温度和指标气体的遗煤自燃危险分级预警方法，包括步骤：①筛选确定用于遗煤自燃危险分级预警的指标气体和辅助气体；②以选定的指标气体和辅助气体状态特征为依据划分预警等级；③根据煤自燃过程温度特征以采空区温度为依据划分预警等级；④将由步骤②与步骤③划分的预警等级相结合，确定最终输出的煤自燃危险预警等级；⑤对煤矿采空区的温度进行实时监测并进行预警等级划分；⑥对煤矿采空区的选定气体浓度进行实时监测并进行预警等级划分；⑦实时将步骤⑤与⑥同一时段的预警等级按照步骤④的方法，确定最终输出的煤自燃危险预警等级。本发明能够提高工作面遗煤自燃危险预警的及时性、准确性和可靠性。
Description
技术领域
本发明涉及煤矿安全领域，具体涉及一种基于采空区温度和指标气体的遗煤自燃危险分级预警方法。
背景技术
煤矿井下火灾是煤矿灾害的主要种类之一，数据统计，火灾发生起数只占煤矿事故的0.49％，但死亡数占7.32％，反映了火灾是容易发生特重大事故的一类，必须予以重视。对于有煤层自燃倾向的矿井来说，每年因采空区遗煤自燃而导致的火灾高达160次，采空区发生火灾隐患约2000次。因此防控煤矿井下火灾首在防治采空区遗煤自燃。而遗煤自燃灾害防治的关键是遗煤自燃的早期预测预报和火源位置探测。目前，国内外学者对煤炭自燃火灾早期预测预报方法进行了广泛的研究，常用的方法有指标气体分析法、温度法、示踪气体法等。
现有技术方法中，指标气体分析法是应用最为广泛的一种方法，根据煤自燃理论，煤炭自燃后必然会使周围的煤岩和空气温度升高，并热解释放出一系列气体，如一氧化碳（CO）、二氧化碳（CO2）、甲烷（CH4）、乙烷（C2H6）、乙烯（C2H4）、乙炔（C2H2）等气体，其中某些气体的出现和产率随煤温上升而发生规律性变化，这种变化便可用来识别是否有煤炭自燃发生及自燃的发展阶段，来防治煤层自燃发火灾害。由于CO气体成分贯穿了煤自燃发火的整个过程，因此认为CO是煤自燃释放的气体中最灵敏的指标气体，将CO作为指标气体分析法所用的指标气体进行分析预警。
指标气体分析发存在以下缺点：利用指标气体预警煤自燃危险等级，是确信了采空区产出气体类型和浓度代表了煤自燃的不同阶段。首先有些指标气体如CO，它未氧化时也是吸附在煤体中，也就是说煤在没发生氧化反应时也会检测到CO，这是干扰点一；其次，煤岩成分不同其产生的气体种类、气体出现温度点和气体量也会有些差异，这是干扰点二；最后，受井下收集环境的影响，气体浓度也会存在误差，这是干扰点三。由于存在以上三点干扰，使得通过指标气体分析法来预警煤自燃危险等级存在准确度不高的问题，给采空区火灾防治带来很大的困难。
现有技术方法中，温度法是根据采空区温度来判断采空区是否发生遗煤自燃的情况以及遗煤自燃发生的阶段的方法。如果能够及时准确地监测采空区的温度，利用温度法预警煤自燃危险是最好的方法，但是采空区温度的监测非常困难：一是采空区的面积较大，温度监测点只能分段或择地布置，难以对采空区每个角落都进行温度监测，如果煤自燃的地点与监测点位置过远，而温度传导相对较慢，则监测点监测的温度与发生煤自燃地点的实际温度存在巨大的误差，使得温度监测法监测煤自燃往往有严重的滞后，预警的及时性不够；二是温度监测装置主要依托掩埋在采空区测温光缆实现，一旦出现故障即不能实现监测预警，并且由于掩埋在地下使得故障难以及时发现和修复，因此温度监测法存在着预警滞后和工作可靠性不高的问题。
发明内容
本发明的目的是：为解决现在技术中存在的问题，提供一种基于采空区温度和指标气体的遗煤自燃危险分级预警方法，提高工作面遗煤自燃危险预警的及时性、准确性和可靠性。
本发明的技术方案是：本发明的基于采空区温度和指标气体的遗煤自燃危险分级预警方法，按照以下步骤实现：
①筛选确定用于遗煤自燃危险分级预警的指标气体和辅助气体：
通过实验检测筛选确定将CO作为指标性气体，并以C2H6、C2H4、C2H2作为辅助性气体进行遗煤自燃危险分级预警；
②以选定的指标气体和辅助气体状态特征为依据，划分煤自燃危险预警等级：
将40℃下刚产生CO气体划分为4级蓝色预警；将70℃下CO气体浓度达到50~70ppm划分为3级黄色预警；将80℃下C2H6气体刚产生划分为2级橙色预警；将100℃下C2H4气体刚产生划分为2级橙色预警；将200℃下C2H2气体刚产生划分为1级红色预警；
③根据煤自燃过程温度特征，以监测的采空区温度为依据，划分煤自燃危险预警等级：
将温度大于等于30℃且小于40℃的区间划分为4级蓝色预警；将温度大于等于40℃且小于60℃的区间划分为3级黄色预警；将温度大于等于60℃且小于80℃的区间划分为2级橙色预警；将温度大于等于80℃以上区间划分为1级红色预警；
④将由步骤②依气体划分的煤自燃危险预警等级与步骤③依温度划分的煤自燃危险预警等级相结合，确定最终输出的煤自燃危险预警等级，具体方法是：
A、当依温度划分的预警级别与依气体划分的预警级别相同时，取该共同级别作为最终输出的煤自燃危险预警等级；
B、当依温度划分的预警级别与依气体划分的预警级别为3级和4级组合时，取3级预警作为最终输出的煤自燃危险预警等级；
C、当依温度划分的预警级别与依气体划分的预警级别为3级和1级组合时，取2级预警作为最终输出的煤自燃危险预警等级；
D、当依温度划分的预警级别与依气体划分的预警级别为2级和1级组合时，取1级预警作为最终输出的煤自燃危险预警等级；
E、前述A至D未列出的依温度划分的预警级别与依气体划分的预警级别之间的组合，均将依温度划分的预警级别作为最终输出的煤自燃危险预警等级；
⑤对需要监测预警的煤矿采空区的温度进行实时监测，并对监测到的温度数据依据步骤③的方法对煤自燃危险预警等级进行划分；
⑥对需要监测预警的煤矿采空区的CO、C2H6、C2H4、C2H2气体浓度进行实时监测，并对监测的气体数据依据步骤②的方法对煤自燃危险预警等级进行划分；
⑦实时将步骤⑤与⑥同一时段的煤自燃危险预警等级按照步骤④的方法，确定最终输出的煤自燃危险预警等级。
本发明具有积极的效果：本发明的基于采空区温度和指标气体的遗煤自燃危险分级预警方法，其通过对指标气体和辅助气体结合温度进行监测分析将遗煤自燃危险进行分级，同时通过对采空区温度监测分析将遗煤自燃危险进行分级，再将温度预警分级和指标气体预警分级有机相结合，得到最后的采空区遗煤自燃危险分级预警，从而有效克服了现有技术中单一采用指标气体分析法和温度法各自存在的不足，能够有效提高工作面遗煤自燃危险预警的及时性、准确性和可靠性。
具体实施方式
下面结合具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。
（实施例1）
本实施例的基于采空区温度和指标气体的遗煤自燃危险分级预警方法，采用以下步骤予以实现。
①筛选确定用于遗煤自燃危险分级预警的指标气体和辅助气体：通过实验检测筛选，确定将CO作为指标性气体，并以C2H6、C2H4、C2H2作为辅助性气体进行遗煤自燃危险分级预警。
本步骤中，选用上湾煤矿1-2煤层进行指标性气体筛选实验，按照《GB482-1995 煤层煤样采取方法》对上湾矿1-2煤层进行了采样，利用煤自燃综合特性测试装置对上湾煤矿开采煤层煤样进行了程序升温氧化试验。
实验前，先剥去煤样表面氧化层，然后用鄂式破碎机对其进行破碎并筛分出0.18～0.25mm（60～80目）的颗粒50g作为实验煤样。将50g粒度为60～80目的煤样置于铜质煤样罐内，然后将煤样罐置于程序控温箱内，然后连接好进气气路、出气气路和温度探头（探头置于煤样罐的几何中心），检查气路的气密性。测试时向煤样内通入50ml/min的干空气，在程序控温箱控制下对煤样进行程序升温，并设置程序控温箱的初始温度为30℃。当温度恒温运行10分钟达到初始温度稳定状态时，在程序控温箱控制下对煤样进行程序升温，当达到指定测试温度时，恒定温度5分钟后采取气样进行气体成分和浓度分析。
煤自然发火理论表明：当煤进入加速升温阶段（一般在200℃左右），煤温上升迅速，在良好的外部条件下，能很快达到燃烧阶段，此时对于早期预报已没有意义。因此，选取了温度在30～220℃进行煤层自燃标志性气体分析。
从表1可以看出：（1）煤炭低温氧化过程中释放的CO2和CH4气体有些是氧化产生的，有些是煤炭中本身就存在的，同时它们的浓度变化规律不强，因此，CO2和CH4不能作为预测预报煤炭自燃的指标气体；（2）H2并不是煤的氧化产物，而是煤化作用过程形成的，并保留在煤基质里，当煤破碎时才会释放出来，因此也不作为标志性气体；（3）C2H2在30℃-220℃没有出现，说明其出现的温度高于220℃，一旦有C2H2则表明煤已经发生剧烈的化学反应，因其特殊性可作为辅助标志性气体；（4）煤炭氧化时在较低温度（30～40℃）下即可产生CO，CO生成量和温度之间呈指数变化关系，具有一定的规律性和可测性产生量的变化，可利用CO作为指标气体；4）对于C2H6、C2H4开始出现的时的温度时80℃和100℃，迅速增长的温度是120~130℃和150~160℃，具有间隔区分性，可作为辅助标志性气体，最终选择C2H6和C2H4。
因此，1-2煤样应以CO作为指标性气体，并辅以C2H6、C2H4、C2H2来掌握煤炭自燃情况，指标气体数据表见表2。
②以选定的指标气体和辅助气体状态特征为依据，划分煤自燃危险预警等级：将40℃下刚产生CO气体划分为4级蓝色预警；将70℃下CO气体浓度达到50~70ppm划分为3级黄色预警；将80℃下C2H6气体刚产生划分为2级橙色预警；将100℃下C2H4气体刚产生划分为2级橙色预警；将200℃下C2H2气体刚产生划分为1级红色预警；依据气体状态特征进行预警等级划分及不同等级对应的应对措施如表3所示。
③根据煤自燃过程温度特征，以监测的采空区温度为依据，划分煤自燃危险预警等级：将温度大于等于30℃且小于40℃的区间划分为4级蓝色预警；将温度大于等于40℃且小于60℃的区间划分为3级黄色预警；将温度大于等于60℃且小于80℃的区间划分为2级橙色预警；将温度大于等于80℃以上区间划分为1级红色预警；依据温度区间进行预警等级划分及不同等级对应的应对措施如表4所示。
④将由步骤②依气体划分的煤自燃危险预警等级与步骤③依温度划分的煤自燃危险预警等级相结合，确定最终输出的煤自燃危险预警等级，具体方法是：
A、当依温度划分的预警级别与依气体划分的预警级别相同时，取该共同级别作为最终输出的煤自燃危险预警等级；
B、当依温度划分的预警级别与依气体划分的预警级别为3级和4级组合时，取3级预警作为最终输出的煤自燃危险预警等级；
C、当依温度划分的预警级别与依气体划分的预警级别为3级和1级组合时，取2级预警作为最终输出的煤自燃危险预警等级；
D、当依温度划分的预警级别与依气体划分的预警级别为2级和1级组合时，取1级预警作为最终输出的煤自燃危险预警等级；
E、前述A至D未列出的依温度划分的预警级别与依气体划分的预警级别之间的组合，均将依温度划分的预警级别作为最终输出的煤自燃危险预警等级。
由步骤②依气体划分的煤自燃危险预警等级与步骤③依温度划分的煤自燃危险预警等级相结合，确定最终输出的煤自燃危险预警等级的16种组合的具体情况如表5所示。
⑤对需要监测预警的煤矿采空区的温度进行实时监测，并对监测到的温度数据依据步骤③的方法对煤自燃危险预警等级进行划分。煤矿采空区温度监测方法为成熟的现有技术，不做详述。
⑥对需要监测预警的煤矿采空区的CO、C2H6、C2H4、C2H2气体浓度进行实时监测，并对监测的气体数据依据步骤②的方法对煤自燃危险预警等级进行划分。煤矿采空区的CO、C2H6、C2H4、C2H2气体浓度进行实时监测方法为成熟的现有技术，不做详述。
⑦实时将步骤⑤与⑥同一时段的煤自燃危险预警等级按照步骤④的方法，确定最终输出的煤自燃危险预警等级。
以上实施例是对本发明的具体实施方式的说明，而非对本发明的限制，有关技术领域的技术人员在不脱离本发明的精神和范围的情况下，还可以做出各种变换和变化而得到相对应的等同的技术方案，因此所有等同的技术方案均应该归入本发明的专利保护范围。
Claims (1)
1.一种基于采空区温度和指标气体的遗煤自燃危险分级预警方法，其特征在于，包括以下步骤：
①筛选确定用于遗煤自燃危险分级预警的指标气体和辅助气体：
通过实验检测筛选确定将CO作为指标性气体，并以C2H6、C2H4、C2H2作为辅助性气体进行遗煤自燃危险分级预警；
②以选定的指标气体和辅助气体状态特征为依据，划分煤自燃危险预警等级：
将40℃下刚产生CO气体划分为4级蓝色预警；将70℃下CO气体浓度达到50~70ppm划分为3级黄色预警；将80℃下C2H6气体刚产生划分为2级橙色预警；将100℃下C2H4气体刚产生划分为2级橙色预警；将200℃下C2H2气体刚产生划分为1级红色预警；
③根据煤自燃过程温度特征，以监测的采空区温度为依据，划分煤自燃危险预警等级：
将温度大于等于30℃且小于40℃的区间划分为4级蓝色预警；将温度大于等于40℃且小于60℃的区间划分为3级黄色预警；将温度大于等于60℃且小于80℃的区间划分为2级橙色预警；将温度大于等于80℃以上区间划分为1级红色预警；
④将由步骤②依气体划分的煤自燃危险预警等级与步骤③依温度划分的煤自燃危险预警等级相结合，确定最终输出的煤自燃危险预警等级，具体方法是：
A、当依温度划分的预警级别与依气体划分的预警级别相同时，取该共同级别作为最终输出的煤自燃危险预警等级；
B、当依温度划分的预警级别与依气体划分的预警级别为3级和4级组合时，取3级预警作为最终输出的煤自燃危险预警等级；
C、当依温度划分的预警级别与依气体划分的预警级别为3级和1级组合时，取2级预警作为最终输出的煤自燃危险预警等级；
D、当依温度划分的预警级别与依气体划分的预警级别为2级和1级组合时，取1级预警作为最终输出的煤自燃危险预警等级；
E、前述A至D未列出的依温度划分的预警级别与依气体划分的预警级别之间的组合，均将依温度划分的预警级别作为最终输出的煤自燃危险预警等级；
⑤对需要监测预警的煤矿采空区的温度进行实时监测，并对监测到的温度数据依据步骤③的方法对煤自燃危险预警等级进行划分；
⑥对需要监测预警的煤矿采空区的CO、C2H6、C2H4、C2H2气体浓度进行实时监测，并对监测的气体数据依据步骤②的方法对煤自燃危险预警等级进行划分；
⑦实时将步骤⑤与⑥同一时段的煤自燃危险预警等级按照步骤④的方法，确定最终输出的煤自燃危险预警等级。
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