CN112963205B - 一种煤矿采空区瓦斯燃烧应急处理系统及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及煤矿安全技术领域，具体是一种煤矿采空区瓦斯燃烧应急处理系统及方法。解决了煤矿采空区瓦斯燃烧事故处置过程中直接封闭事故巷道可能引起瓦斯爆炸的问题，包括回采工作面上隅角的气体监测装置I、回采工作面上部的气体监测装置II、工作面下隅角的气体监测装置III、工作面回风顺槽上的气体监测装置气体监测装置IV、气体监测装置V和气体监测装置VI、工作面运输顺槽的气体监测装置VII、采区总回风巷的气体监测装置VIII和回采工作面采空区瓦斯抽放钻孔管道的气体监测装置IX。
Description
技术领域
本发明涉及煤矿安全技术领域，具体是一种煤矿采空区瓦斯燃烧应急处理系统及方法。
背景技术
煤炭是我国的主要基础能源和重要原料，到目前，煤炭消费在一次能源消费中仍占有较大的比重。在很长一段时间内，煤炭在我国能源结构中的主体地位不会改变，因此保障矿井的安全生产对保障国家能源稳定供应具有较大的现实意义。
目前，从统计数据来看，我国煤矿瓦斯事故多发且多伴有瓦斯燃烧现象，高瓦斯煤矿工作面割煤、采空区放顶等作业中经常受到瓦斯燃烧的威胁，并且在高瓦斯矿井中还存在由于瓦斯燃烧诱发瓦斯爆炸的危险。目前针对采空区瓦斯燃烧事故处置倾向于直接密闭事故巷道的方法，但直接密闭可能引发的瓦斯爆炸事故对应急处置人员可能构成更大的威胁。因此，需要有一种应急快速的煤矿采空区瓦斯燃烧处理方法，为采空区瓦斯燃烧事故处置提供科学的指导。
发明内容
本发明为了解决煤矿采空区瓦斯燃烧事故处置过程中直接封闭事故巷道可能引起瓦斯爆炸的问题，提供一种煤矿采空区瓦斯燃烧应急处理系统及方法。
本发明采取以下技术方案：一种煤矿采空区瓦斯燃烧应急处理系统，包括回采工作面上隅角的气体监测装置I、回采工作面上部的气体监测装置II、工作面下隅角的气体监测装置III、工作面回风顺槽上的气体监测装置气体监测装置IV、气体监测装置V和气体监测装置VI、工作面运输顺槽的气体监测装置VII、采区总回风巷的气体监测装置VIII和回采工作面采空区瓦斯抽放钻孔管道的气体监测装置IX。
还包括回采工作面上隅角的温度传感器I、回采工作面下隅角的温度传感器II、回采工作面回风顺槽的温度传感器III、和采区总回风巷的温度传感器IV。
各监测装置信号输出终端设置在煤矿应急指挥中心，回采工作面安装防爆型声光报警装置；回采工作面邻近采空区的采空区密闭墙内设有平行于巷道铺设的预留管。
一种煤矿采空区瓦斯燃烧应急处理系统的使用方法，包括以下步骤。
S100～回采工作面采空区发生瓦斯燃烧时，所有的气体及温度传感器将气体及温度异常信号传输至煤矿应急指挥中心各监测装置信号输出终端，信号输出终端根据煤矿各气体允许浓度安全阈值发出超限报警，同时反馈至井下回采工作面声光报警系统，通知人员撤离至安全地点。
S200～根据时间序列分析传感器异常起始点及其变化趋势和同一时间不同位置传感器气体及温度梯度两个维度对火源点和供氧通道进行溯源确定，具体将所有的气体及温度传感器数据进行整合，横坐标为时间轴，纵坐标为气体浓度或温度值，各测点位置的气体浓度或温度为一组数据，每隔1秒钟更新一次数据（数据更新利用矿井现有监控系统和瓦斯抽采监控系统）。气体浓度或温度异常数据出现时间所在位置点为重点溯源点，气体浓度或温度变化梯度较大的位置区域起始点为重点溯源点。并在此过程连续监测各气体及温度变化曲线。
S300～对火源点供氧通道进行应急处置，采取有效的控风措施，供氧通道应急密闭，同时密切观测气体和温度监测装置信号变化。
S400～对密闭预留CO2加注口通过地面CO2加注装置进行负压加注，同时通过煤矿采空区预留瓦斯抽放钻孔、邻近采空区密闭预留管以及采空区裂隙发育带向采空区正压加注CO2。SF6气体通过各加注口按4L/min流量间隔5分钟进行顺序加注。
S500～持续观测回采工作面各气体及温度传感器信号，动态监测 SF6气体浓度梯度确定火源点供氧通道供氧权重，及时调整 CO2加注路线及加注流量。加注开始后密切监测回采工作面气体浓度传感器信号，绘制动态曲线，SF6气体浓度以时间为横坐标，气体浓度为纵坐标，分析浓度变化，SF6气体浓度较大的时间段为火源点供氧权重较大通道，继而根据浓度梯度大小，通过加注口流量控制阀门调节各加注通道加注流量。
S600～持续观测各气体及温度监测装置信号变化，若CO、C2H2气体浓度无明显下降时，返回步骤S200，重新寻找火源点及供氧通道，动态调整应急处置措施。
S700～当回采工作面 CO 浓度出现下降，并呈现稳定的下降趋势直到稳定在0ppm ，回风顺槽、运输顺槽及各邻近巷道内气体监测装置 CO 浓度都稳定在 0ppm，回采工作面上隅角的温度传感器I监测温度稳定在 10℃～11.2℃区间，下隅角的温度传感器II监测温度稳定在 6.8℃～8℃区间，回风顺槽温度传感器III监测温度稳定在 8.7℃左右时，停止 CO2加注；
S800～停止CO2加注后，密切关注气体及温度监测装置动态变化，避免瓦斯复燃。
在进行步骤S200的同时调度应急储备液态CO2，CO2加注装置进入工作状态，并在CO2气体加注过程中混入流量为4L/min 的SF6气体。
与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
（1） 安全性
本技术方案能够通过有效的动态监测和液体CO2加注达到远程事故应急处置的目的，保障了事故现场处置人员的安全；避免采空区瓦斯燃烧事故发生时直接封闭事故巷道可能诱发的瓦斯爆炸事故。
（2） 预防性
能够在煤矿采空区瓦斯发生燃烧事故的孕育期就实现对事故的可控化处置，将事故处置的关口前移，避免了事故发展到难以控制的程度，降低了采空区瓦斯燃烧应急处置难度。
（3） 动态性
在煤矿井下出现气体成分异常时，判定为煤矿采空区异常的情况下，进行燃烧气体成分动态跟踪，根据事故发展情况选择应急控风措施。并根据SF6气体的示踪特性动态监测供氧通道供氧权重，对CO2的加注位置和加注速度动态调控。
（4）高效性
通过煤矿现有的抽放钻孔，密闭预留管等与采空区直接相通且无需新建的管路及采动裂隙，实现液态CO2的定源动态快速加注。抓住事故处置的关键时间，提高了事故处置效率。
附图说明
图 1 为气体及温度监测装置位置图I；
图 2 为气体及温度监测装置位置图II；
图 3为工作面位置平面图；
图4为工作面层位示意图；
图5为瓦斯燃烧情况下火源点供氧通道应急控风措施实施位置；
图6为液态CO 2加注管路排布示意图和液态 CO 2加注点位置及注入路径；
图7为所述采空区瓦斯燃烧应急处理技术的技术路线图；
图中1-气体监测装置I，2-气体监测装置II，3-气体监测装置III，4-气体监测装置IV，5-气体监测装置V，6-气体监测装置VI，7-气体监测装置VII，8-温度传感器I，9-角温度传感器II，10-温度传感器III，11-防爆型声光报警装置I，12-防爆型声光报警装置II，13-气体监测装置VIII，14-温度传感器IV，15-气体监测装置IX，16-2#工作面运输顺槽，17-2#采空区，18-沿空留巷填充墙，19-1#工作面回风顺槽，20-1#工作面运输顺槽，21-1#工作面开采煤层，22-运输顺槽，23-回风顺槽，24-运输顺槽，25-1#工作面瓦斯底抽巷。
具体实施方式
实施例：
煤矿在开采过程中出现 CO 气体异常涌出后，摒弃了直接封闭事故巷道的灭火方法，通过上述发明涉及的三个闭环反馈元和瓦斯燃烧应急处置方法技术路线，实现了对火源点的快速应急处置。
实施案例依托本发明的应急处理方法，涉及应急处理技术及使用方法两个部分的介绍，应急处理技术依托硬件支持和应急处理实施过程两部分，具体实践方法如案例。
（1） 硬件支持
煤矿开采层回采工作面上隅角顶部、工作面上部、回风巷、采区总回风巷及各掘进巷道安装气体浓度监测装置，并在回采工作面上隅角和下隅角、回风顺槽、掘进巷道安装温度监测装置。
硬件包括回采工作面上隅角的气体监测装置I1、回采工作面上部的气体监测装置II2、工作面下隅角的气体监测装置III3、工作面回风顺槽上的气体监测装置气体监测装置IV4、气体监测装置V5和气体监测装置VI6、工作面运输顺槽的气体监测装置VII7、采区总回风巷的气体监测装置VIII13和回采工作面采空区瓦斯抽放钻孔管道的气体监测装置IX15；还包括回采工作面上隅角的温度传感器I8、回采工作面下隅角的温度传感器II9、回采工作面回风顺槽的温度传感器III10、和采区总回风巷的温度传感器IV14；各监测装置信号输出终端设置在煤矿应急指挥中心，回采工作面安装防爆型声光报警装置；回采工作面邻近采空区的采空区密闭墙内设有平行于巷道铺设的预留管。
（2） 应急处理实施过程
应急处置过程包括三个阶段：第一阶段主要进行危险区域人员撤离和火源点的寻找；第二阶段主要确定火源点及其供氧通道，在不直接密闭火区的情况下，对火源点供氧通道进行应急处置；第三阶段对火源点及其供氧通道加注CO2；第四阶段通过气体及温度监测装置信号动态变化判定加注效果，验证应急处理方法效果，实现动态定点处理。
S100～1#回采工作面采空区发生瓦斯燃烧时会向回采工作面，尤其上隅角涌出C和烯烃类气体，温度也会呈现上升的趋势。上述图1中所涉气体及温度传感器将气体及温度异常信号传输至煤矿应急指挥中心各监测装置信号输出终端，信号终端根据煤矿各气体允许浓度安全阈值发出超限报警，同时反馈至井下回采工作面声光报警系统，通知人员按照应急逃生方案迅速撤离至安全地点。
S200～人员撤离的同时，煤矿应急指挥中心立即启动紧急预案，根据时间序列分析传感器异常起始点及其变化趋势和同一时间不同位置传感器气体及温度梯度两个维度对火源点和供氧通道进行溯源确定，将图1与图所有的气体及温度传感器数据进行整合，横坐标为时间轴，纵坐标为气体浓度或温度值，各测点位置的气体浓度或温度为一组数据，每隔1秒钟更新一次数据，气体浓度或温度异常数据出现时间所在位置点为重点溯源点，气体浓度或温度变化梯度较大的位置区域起始点为重点溯源点，并在此过程连续监测各气体及温度变化曲线。同时调度应急储备液态CO2，CO2加注装置进入工作状态,并在CO2气体加注过程中混入流量为4L/min的SF6气体。在此过程连续监测各气体及温度变化曲线。
S300～火源点及供氧通道溯源完成后，对火源点供氧通道进行应急处置，采取有效的控风措施，视火源发展情况可采取供氧通道应急密闭（密闭采取木板快速密闭，不采用临时或永久构筑物进行密闭，有效缩短人员作业时间）。即对火源点供氧通道如图 5 示：包括运输顺槽22和回风顺槽23。1#回采工作面瓦斯底抽巷进行木板快速密闭，减小采空区火源点的供氧量，密闭时留有CO2加注口。同时密切观测气体和温度监测装置信号变化。
S400～对上述密闭预留CO2加注口通过地面CO2加注装置进行负压加注，同时通过1#回采工作面采空区瓦斯抽放钻孔和水管等管路向采空区正压加注CO2。（图 6所示）
S500～持续观测 1#回采工作面各气体及温度传感器信号，动态监测SF6气体浓度梯度确定火源点供氧通道供氧权重，及时调整CO2加注路线及加注流量。加注开始后密切监测回采工作面气体浓度传感器信号，绘制动态曲线，SF6气体浓度以时间为横坐标，气体浓度为纵坐标，分析浓度变化，SF6气体浓度较大的时间段为火源点供氧权重较大通道，继而根据浓度梯度大小，通过加注口流量控制阀门调节各加注通道加注流量。
S600～持续观测各气体及温度监测装置信号变化，若 CO 等指标性气体浓度无明显下降时，返回第二步，重新寻找火源点及供氧通道，动态调整应急处置措施。
S700～当回采工作面 CO 浓度出现下降，并呈现稳定的下降趋势直到稳定在0ppm ，回风顺槽、运输顺槽及各邻近巷道内气体监测装置 CO 浓度都稳定在 0ppm ,1#回采工作面上隅角温度传感器监测温度稳定在 10℃～11.2℃区间，下隅角温度传感器监测温度稳定在 6.8℃～8℃区间，回风顺槽温度传感器监测温度稳定在 8.7℃左右时，可停止CO2加注。
S800～停止CO2加注后，仍需密切关注气体及温度监测装置动态变化，避免瓦斯复燃。
以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (4)
1.一种煤矿采空区瓦斯燃烧应急处理系统的使用方法，其特征在于：系统包括回采工作面上隅角的气体监测装置I（1）、回采工作面上部的气体监测装置II（2）、工作面下隅角的气体监测装置III（3）、工作面回风顺槽上的气体监测装置气体监测装置IV（4）、气体监测装置V（5）和气体监测装置VI（6）、工作面运输顺槽的气体监测装置VII（7）、采区总回风巷的气体监测装置VIII（13）和回采工作面采空区瓦斯抽放钻孔管道的气体监测装置IX（15）；
还包括回采工作面上隅角的温度传感器I（8）、回采工作面下隅角的温度传感器II（9）、回采工作面回风顺槽的温度传感器III（10）、和采区总回风巷的温度传感器IV（14）；
各监测装置信号输出终端设置在煤矿应急指挥中心，回采工作面安装防爆型声光报警装置；
回采工作面邻近采空区的采空区密闭墙内设有平行于巷道铺设的预留管；
使用方法包括以下步骤，
S100～回采工作面采空区发生瓦斯燃烧时，所有的气体及温度传感器将气体及温度异常信号传输至煤矿应急指挥中心各监测装置信号输出终端，信号输出终端根据煤矿各气体允许浓度安全阈值发出超限报警，同时反馈至井下回采工作面声光报警系统，通知人员撤离至安全地点；
S200～根据时间序列分析传感器异常起始点及其变化趋势和同一时间不同位置传感器气体及温度梯度两个维度对火源点和供氧通道进行溯源确定；
S300～对火源点供氧通道进行应急处置，采取有效的控风措施，供氧通道应急密闭，同时密切观测气体和温度监测装置信号变化；
S400～对密闭预留CO2加注口通过地面CO2加注装置进行负压加注，同时通过煤矿采空区预留瓦斯抽放钻孔、邻近采空区密闭预留管以及采空区裂隙发育带向采空区正压加注CO2；
S500～持续观测回采工作面各气体及温度传感器信号，动态监测SF6气体浓度梯度确定火源点供氧通道供氧权重，及时调整CO2加注路线及加注流量；
S600～持续观测各气体及温度监测装置信号变化，若CO、C2H2指标性气体浓度无明显下降时，返回步骤S200，重新寻找火源点及供氧通道，动态调整应急处置措施；
S700～当回采工作面CO 浓度出现下降，并呈现稳定的下降趋势直到稳定在0ppm ，回风顺槽、运输顺槽及各邻近巷道内气体监测装置CO 浓度都稳定在0ppm，回采工作面上隅角的温度传感器I（8）监测温度稳定在10℃～11.2℃区间，下隅角的温度传感器II（9）监测温度稳定在6.8℃～8℃区间，回风顺槽温度传感器III（10）监测温度稳定在8.7℃左右时，停止CO2加注；
S800～停止CO 2加注后，密切关注气体及温度监测装置动态变化，避免瓦斯复燃。
2.根据权利要求1所述的煤矿采空区瓦斯燃烧应急处理系统的使用方法，其特征在于：所述的步骤S200采取以下方法，将所有的气体及温度传感器数据进行整合，横坐标为时间轴，纵坐标为气体浓度或温度值，各测点位置的气体浓度或温度为一组数据，每隔1秒钟更新一次数据，气体浓度或温度异常数据出现时间所在位置点为重点溯源点，气体浓度或温度变化梯度较大的位置区域起始点为重点溯源点，并在此过程连续监测各气体及温度变化曲线。
3.根据权利要求2所述的煤矿采空区瓦斯燃烧应急处理系统的使用方法，其特征在于：所述步骤S500中，加注开始后密切监测回采工作面气体浓度传感器信号，绘制动态曲线，SF6气体浓度以时间为横坐标，气体浓度为纵坐标，分析浓度变化，SF6气体浓度较大的时间段为火源点供氧权重较大通道，继而根据浓度梯度大小，通过加注口流量控制阀门调节各加注通道加注流量。
4.根据权利要求3所述的煤矿采空区瓦斯燃烧应急处理系统的使用方法，其特征在于：在进行步骤S200的同时调度应急储备液态CO2，CO2加注装置进入工作状态，并在CO 2气体加注过程中混入流量为4L/min 的SF6气体。
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