CN113605983B - 一种煤矿采空区高温探测预警及防灭火智能协同管控系统 - Google Patents
一种煤矿采空区高温探测预警及防灭火智能协同管控系统 Download PDFInfo
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Abstract
本申请属于矿井安全技术领域，具体提供了一种煤矿采空区高温探测预警及防灭火智能协同管控系统，系统中，感温模块为多组分布式铠装测温光纤，测温光纤以固定布线方式和移动布线方式呈网格状埋设于采空区；信号解调模块接收测温光纤监测到的采空区的温度信号，基于光时域和拉曼散射对温度信号进行解调转换，基于预设的校准数据库对解调转换得到的监测温度数据进行自校准；可视化预警模块中部署有煤矿的开采时空动态模型，对采空区温度场的时空分布进行显示，并对高于预设温度阈值的校准温度数据对应的温度位置进行定位显示并报警；防灭火协同管控模块中部署有防灭火设备，防灭火设备根据可视化预警模块发出的报警信息自动启动。
Description
技术领域
本申请涉及矿井安全技术领域，特别涉及一种煤矿采空区高温探测预警及防灭火智能协同管控系统。
背景技术
煤矿井下采空区遗煤自燃是威胁矿井安全高效生产的重要灾害之一，采用煤岩氧化升温产生的标志性气体来预测预报采空区自燃发火，本身具有滞后性。煤体氧化放热的直接作用是导致温度升高，因此，用温度指标来预警火灾是可行的、合理的。
近年来，分布式光纤测温技术由于其本质安全的特性，被广泛应用各领域，但在采空区测温使用中，一般将光纤布置在采空区边界处，对采空区更大面积的内部区域的温变情况未做全面监测，所得数据不足以反映采空区内部温度变化；且利用采空区的温度数据仅用来分析当时状态下的自燃发火情况，没有结合采空区温度变化规律实现数据推演以及对灾害风险进行超前预测，也未与防控系统实现智能联动管控。
因此，需要提供一种针对上述现有技术不足的改进技术方案。
发明内容
本申请的目的在于提供一种煤矿采空区高温探测预警及防灭火智能协同管控系统，以解决或缓解上述现有技术中存在的问题。
为了实现上述目的，本申请提供如下技术方案：
本申请提供了一种煤矿采空区高温探测预警及防灭火智能协同管控系统，包括：感温模块、信号解调模块、可视化预警模块和防灭火协同管控模块；所述感温模块、所述可视化预警模块分别与所述信号解调模块通讯连接，所述防灭火协同管控模块与所述可视化化预警模型通讯连接；所述感温模块为多组分布式铠装测温光纤，多组分布式的所述测温光纤以固定布线方式和移动布线方式呈网格状埋设于所述采空区，用于对所述采空区的温度进行实时监测；所述信号解调模块接收所述测温光纤监测到的所述采空区的温度信号，并基于光时域和拉曼散射对所述温度信号进行解调转换，以及基于预设的校准数据库对解调转换得到的监测温度数据进行自校准，得到所述采空区的校准温度数据；所述可视化预警模块中部署有所述煤矿的开采时空动态模型，用于根据所述校准温度数据对所述采空区温度场的时空分布进行显示，并对高于预设温度阈值的所述校准温度数据对应的温度位置进行定位显示并报警；所述防灭火协同管控模块中部署有防灭火设备，所述防灭火设备根据所述可视化预警模块发出的报警信息自动启动，以对高于预设温度阈值的所述校准温度数据对应的温度位置进行灭火准备。
优选的，以所述固定布线方式沿倾向布设所述测温光纤在所述煤矿的采煤工作面支架后方，从所述采煤工作面一侧的顺槽向另一侧顺槽布设。
优选的，以所述移动布线方式沿走向布设的所述测温光纤，从所述煤矿的采煤工作面支架的后方向所述采空区布设；和/或，以所述移动布线方式沿走向布设的所述测温光纤，随所述煤矿的采煤工作面支架的前移，埋设于所述采空区的底板形成的缝槽。
优选的，所述测温光纤的外侧包覆有柔性保护套，所述柔性保护套能够随所述测温光纤的布设进行弯折，且所述柔性保护套的表面设有抗压金属钢丝，以对所述测温光纤进行保护。
优选的，所述柔性保护套有多段，相邻两端所述柔性保护套之间通过快接接头固定连接。
优选的，所述信号解调模块设置于所述采煤工作面一侧的顺槽中，对应的，所述测温光纤沿所述采煤工作面的巷道帮部与所述信号解调模块连接，且所述测温光纤朝向所述巷道帮部内侧位于所述巷道帮部中的其它管路下。
优选的，所述校准数据库为温度补偿数据库；对应的，所述信号解调模块调用所述温度补偿数据库中的温度补偿系数，根据所述煤矿的煤质及所述采煤工作面处的开采条件，对所述监测温度数据的偏差进行自校准。
优选的，所述可视化预警模块基于预设的分级预警机制，根据所述校准温度数据与所述预设温度阈值的差值，在所述开采时空动态模型中，对高于预设温度阈值的所述校准温度数据对应的温度位置进行定位显示并分级报警。
优选的，所述开采时空动态模型根据所述采空区的赋值参数，对所述采空区自燃火灾的时空发展趋势进行推演，其中，所述赋值参数包括：所述采空区的温度数据、工作面通风量、工作面风温、采煤时的回采速度、采煤高度、遗煤厚度以及煤岩的导热系数。
优选的，所述防灭火协同管控模块还部署有自动控制器，所述自动控制器根据所述报警信息对所述防灭火设备中的灭火材料的用量和时间进行自动控制。
有益效果：
本申请实施例提供的煤矿采空区高温探测预警及防灭火智能协同管控系统，一方面，利用在采空区以固定布线方式和移动布线方式呈网格状分布的多组分布式测温光纤，对采空区的温度进行实时监测，由信号解调模块基于光时域和拉曼散射，对监测到的温度信号进行解调转换并自校准，由可视化预警模块根据校准后的校准温度数据在开采时空动态模型对采空区温度场的时空分布进行显示，并对温度数据与预设温度阈值进行比对，在高于预设温度阈值时，对校准温度数据在采空区对应的温度位置进行定位显示，并实现报警；防灭火协同管控模块提前布置在煤矿的高温易发火区域，当接收到可视化预警模块发出的报警信号后，自动启动防灭火系统，对对应的报警位置进行灭火准备。籍此，实现对采空区有针对性的大面积温度监测，并提前预测自燃发火风险，一旦出现异常温变，及时发出预警提醒，便于及时采取防控措施；有利于煤矿采空区内部温度的全面感知、精准分析、动态预测、协同控制的火灾智能化监控。
另一方面，并根据采空区的温度数据，以及通风、回采数据等，对采空区内的自燃火灾的时空发展趋势进行推演，预测采空区在未来一段时间内的温度升高或降低的趋势；籍此，实现对采空区有针对性的大面积温度监测，并提前预测自燃发火风险，一旦出现异常温变，及时发出预警提醒，便于及时采取防控措施；
同时，通过在测温光纤的外侧包覆柔性保护套，柔性保护套随测温光纤的布设进行弯折，且在柔性保护套的表面设抗压金属钢丝，对测温光纤进行保护，有效避免煤岩垮落砸坏测温光纤，保证测温光纤可以实时有效的对采空区的温度进行监测，进一步提高采空区光纤测温预警及防灭火智能联动管控系统的可靠性。
附图说明
构成本申请的一部分的说明书附图用来提供对本申请的进一步理解，本申请的示意性实施例及其说明用于解释本申请，并不构成对本申请的不当限定。其中：
图1为根据本申请的一些实施例提供的煤矿采空区高温探测预警及防灭火智能协同管控系统的布置示意图；
图2为根据本申请的一些实施例提供的煤矿采空区高温探测预警及防灭火智能协同管控系统的原理示意图；
图3为根据本申请的一些实施例提供的煤矿采空区高温探测预警及防灭火智能协同管控系统的操作示意图。
附图标记说明：
1、测温光纤，2、信号解调模块，3、共网传输模块，4、可视化预警模块，5、远程客户端，6、防灭火协同管控模块，901、切眼，902、采空区， 903、工作面支架，904、采煤工作面，905、回风侧，906、进风侧，907、顺槽。
具体实施方式
下面将参考附图并结合实施例来详细说明本申请。各个示例通过本申请的解释的方式提供而非限制本申请。实际上，本领域的技术人员将清楚，在不脱离本申请的范围或精神的情况下，可在本申请中进行修改和变型。例如，示为或描述为一个实施例的一部分的特征可用于另一个实施例，以产生又一个实施例。因此，所期望的是，本申请包含归入所附权利要求及其等同物的范围内的此类修改和变型。
在本申请的描述中，术语“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本申请而不是要求本申请必须以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本申请的限制。本申请中使用的术语“相连”、“连接”、“设置”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接；可以是直接相连，也可以通过中间部件间接相连；可以是有线电连接、无线电连接，也可以是无线通信信号连接，对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语的具体含义。
在本申请实施例中，工作面指与采空区相对应的采煤工作面，采煤工作面形成后，不断的向前推进割煤，在采煤工作面的后方形成采空区。
如图1-图3所示，该煤矿采空区高温探测预警及防灭火智能协同管控系统包括：感温模块、信号解调模块2、可视化预警模块4和防灭火协同管控模块6。感温模块、可视化预警模块4分别与信号解调模块2通讯连接，防灭火协同管控模块6与可视化模型通讯连接；感温模块为多组分布式铠装测温光纤1，多组分布式的测温光纤1以固定布线方式和移动布线方式呈网格状埋设于采空区902，用于对采空区902的温度进行实时监测；信号解调模块2接收测温光纤1监测到的采空区902的温度信号，并基于光时域和拉曼散射对温度信号进行解调转换，以及基于预设的校准数据库对解调转换得到的监测温度数据进行自校准，得到采空区902的校准温度数据；可视化预警模块4中部署有煤矿的开采时空动态模型，用于根据校准温度数据对采空区 902温度场的时空分布进行显示，并对高于预设温度阈值的校准温度数据对应的温度位置进行定位显示并报警；防灭火协同管控模块6中部署有防灭火设备，防灭火设备根据可视化预警模块4发出的报警信息自动启动，以对高于预设温度阈值的校准温度数据对应的温度位置进行灭火准备。
在本申请实施例中，测温光纤1的一端埋设在采空区902，对采空区902 的温度进行实时监测，另一端连接信号解调模块2；测温光纤1分别沿采空区902的倾向和走向布线，以固定布线和移动布线相结合的方式呈网格状覆盖采空区902，对采空区902进行实时温度监测，其中，沿采空区902的走向布线的测温光纤1，用于线性监测从切眼901沿采煤工作面904推进后采空区902的温度；沿采空区902的倾向布线的测温光纤1，用于线性监测采空区902的进风侧906到回风侧905的温度，籍此，实现采空区902温度的透明化。
在本申请实施例中，测温光纤1外设铠装，有效防止测温光纤1受到煤岩压砸，对测温光纤1进行有效保护。具体的，测温光纤1的外侧包覆有柔性保护套，柔性保护套能够随测温光纤1的布设进行弯折，且柔性保护套的表面设有抗压金属钢丝，以对测温光纤1进行保护。进一步的，柔性保护套有多段，相邻两端柔性保护套之间通过快接接头固定连接。
在本申请实施例中，柔性保护套套设在测温光纤1外，通过柔性保护套表面的抗压金属丝对垮落煤岩进行防护，有效避免对测温光纤1的破坏。在此，需要说明的，柔性保护套的抗压强度为(30，60)MPa，优选的，柔性保护套的抗压强度为(50，60)MPa。籍此，对煤矿井下的应力集中部位的测温光纤1也能够形成有效保护，进一步提高采空区902光纤测温预警及防灭火智能联动管控系统的稳定性、精确性。比如：钢丝(纤维)增强尼龙弹性体树脂管、钢丝增强软管等，通过在柔性保护套的表面设置测温孔，保证测温光纤1能够对采空区902的温度进行有效采集，同时，形成对测温光纤1 的有效保护，避免煤岩垮落对测温光纤1造成影响。
信号解调模块2为基于光时域和拉曼散射原理的信号解调仪，与信号解调仪感温模块通讯连接，基于光时域和拉曼散射，对温度信号进行解调转换；其中，温度信号为感温模块发送的采空区902的监测温度的光信号；可视化预警模块4与信号解调仪通讯连接，根据信号解调仪解调转换后的校准温度数据在开采时空动态模型上，对采空区902的温度场的时空分布进行实时显示；并将校准温度数据和预设温度阈值进行比对，将高于预设温度阈值的校准温度数据对应的温度位置进行定位显示并报警；防灭火协同管控模块6提前布置在煤矿的高温易发火区域，当接收到可视化预警模块4发出的报警信号后，自动启动防灭火系统，对对应的报警位置进行灭火准备。
在本申请实施例中，测温光纤1的发出的光信号中包含对采空区902进行监测得到的光信号，通过拉曼散射就可以计算出对应的温度大小；而基于光时域，根据光信号的光速和时间就可以实现对相应温度的位置进行定位。具体的，根据测温光纤1中光信号(光波)的传输速度与时间的物理关系，可以确定温度信息点的位置；通过获取沿光纤散射回来的背向光波，分析入射光波的时间和强度，得到相应的位置和温度信息，可以获取不同的温度分布。
籍此，实现对采空区902有针对性的大面积温度监测，并提前预测自燃发火风险，一旦出现异常温变，及时发出预警提醒，便于及时采取防控措施；有利于煤矿采空区902内部温度的全面感知、精准分析、动态预测、协同控制的火灾智能化监控。
在一些可选实施例中，以固定式布线方式沿倾向布设在煤矿的工作面支架903后方，从采煤工左面一侧的顺槽907向另一侧的顺槽907布设。
在本申请实施例中，固定式布线方式沿倾向布设的测温光纤1，根据采煤工作面904的布置长度以及单根柔性保护套的长度，计算柔性保护套的使用数量以及测温光纤1的长度。在采煤工作面904一端的工作面支架903后方，将测温光纤1依次穿入柔性保护套，平直放在工作面支架903后方的底板上，且不影响工作面支架903前移，直至到达采煤工作面904的另一端，相邻两个柔性保护套之间采用快速接头进行固定连接；待工作面支架903前移形成采空区902，测温光纤1埋入采空区902；布线完毕后，该测温光纤1 的长度和绝对位置是不变的。
在本申请实施例中，沿采空区902的走向布置的测温光纤1，布设于与采空区902相对应的采煤工作面904的工作面支架903的后方，并随采煤工作面904的推进逐渐放续，埋入采空区902；且沿采空区902的走向布置的测温光纤1，从与采空区902相对应的采煤工作面904的一侧顺槽907向另一侧顺槽907布置，数量不小于3条，相邻两条之间间隔为(20，40)米。优选的，相邻两条测温光纤1之间间隔为30米，籍此，使测温光纤11呈网格状部署后，能够对采煤工作面904后70米(或100米)的高温区域的重点监测，既可以有效实现对采空区902的温度进行全面有效监测，同时，降低测温光纤1布线时的工作强度。
在一些可选实施例中，信号解调模块2设置于采煤工作面904一侧的顺槽907中，对应的，测温光纤1沿采煤工作面904的巷道帮部与信号解调模块2连接，且测温光纤1朝向巷道帮部内侧位于巷道帮部中的其它管路下
在本申请实施例中，固定式布线方式沿倾向布设的测温光纤1，待工作面支架903前移形成采空区902，测温光纤1随之埋入采空区902，用于线性监测顺槽907、顺槽907之间的采空区902的温度；测温光纤1沿巷道帮部将监测信号送至信号解调模块2，在巷道帮部用扎带或者挂钩将测温光纤1 固定在其它管路(比如，水管、压风管等钢管)下侧偏里，充分利用现有管路对其形成保护。
在本申请实施例中，沿采空区902的倾向布置的测温光纤1，沿进风侧 906至回风侧905方向布设于与采空区902相对应的采煤工作面904的工作面支架903的后方，并随采煤工作面904的推进，埋设于采空区902；且沿采空区902的倾向布置的测温光纤1，数量不小于2条，相邻两条之间间隔为(20，40)米。
在本申请实施例中，采用分布式测温光纤1对采空区902进行温度监测，利用光纤的绝缘特性，使其能够完全适应煤矿井下易燃易爆的环境；光纤既可以作为感温装置，又能对信号进行传输，具有较强的抗电磁干扰特性；测温光纤1呈网格状分布，可实现光纤沿线温度的分布式测量，监测范围广，能够对采空区902实现全范围监测；测温光纤1的测量精度高、误差小、频带宽，可是有效提高在线监测效果；测温光纤1耐腐蚀、耐高温、耐潮湿，在煤矿井下环境中相对寿命更长，能大大节省维护费用。
在一些可选实施例中，以移动布线方式沿走向布设的测温光纤1，从煤矿的工作面支架903的后方向采空区902布设；和/或，以移动布线方式沿走向布设的测温光纤1，随煤矿的工作面支架903的前移，埋设于采空区902 的底板形成的缝槽。
在本申请实施例中，移动布线方式沿走向布设的测温光纤1，从工作面支架903后方向采空区902布设。在布线过程中，根据信号解调模块2的位置以及采空区902长度确定所需的测温光纤1长度，并预留一定的富余长度，防止出现不足的情况；测温光纤1由采煤工作面904一端的工作面支架903 的顶部穿过至预定位置，在测温光纤1经过工作面支架903的顶部穿过时可以采用扎带或者挂钩进行固定，且固定位置不影响工作面支架903操作。在预定位置处的液压支架后端加装一个中空犁腿，测温光纤1一端接入中空犁腿，当工作面支架903前移时，中空犁腿随之前进，并对采空区902底板形成一个条状缝槽，测温光纤1随之埋入其中。籍此，有效避免冒落煤岩的砸压，埋入采空区902的测温光纤1用于线性监测从切眼901沿采煤工作面904 推进后形成的采空区902的温度。
在本申请实施例中，将待用的测温光纤1盘设于所在工作面支架903处，待用部分也可挂放在其它不影响采煤操作的地方，随工作面支架903前移而放线；随工作面支架903前移，预留的待用部分不断放线埋入采空区902。
在一些可选实施例中，校准数据库为温度补偿数据库；对应的，信号解调模块2调用温度补偿数据库中的温度补偿系数，根据煤矿的煤质及采煤工作面904处的开采条件，对监测温度数据的偏差进行自校准。
在本申请实施例中，埋设于采空区902的测温光纤1对采空区902的温度进行实时监测，监测温度数据与采空区902的实际温度有所偏差，不能真正反映采空区902的实际温度。通过在地面进行恒温水浴测定与实际温度测定对比拟合，分析测温光纤1在不同煤体、不同开采条件下的温度感知，与实际温度进行对比，建立不同条件下的温度偏差、温度补偿数据库，根据对应的煤质、遗煤厚度、初始煤岩温度，对井下测温光纤1的监测温度数据的偏差进行温度补偿，对监测温度数据的校准，实现测温光纤1的监测信号的精准解调。
在一些可选实施例中，可视化预警模块4基于预设的分级预警机制，根据校准温度数据与预设温度阈值的差值，在开采时空动态模型中，对高于预设温度阈值的校准温度数据对应的温度位置进行定位显示并分级报警。
在本申请实施例中，通过在可视化预警模块4中建立分级报警，根据煤矿开采时采空区902实际的自然发火状态，将报警划分为I级严重火灾报警、Ⅱ级中度火灾报警、Ⅲ级轻度火灾报警、Ⅳ级无危险，判断标准如下表1分级报警机制所示：
表1分级报警机制
在本申请实施例中，当出现前三级火灾预警时，可以将预测信息传输到报警器以及防灭火协同管控模块6中，以进行报警，并做好防灭火准备。
在本申请实施例中，预设温度阈值根据实验室低温氧化试验测定的出现自燃氧化标志性气体的对应温度确定，其中，煤体自燃氧化标志性气体指没和空气发生氧化放热作用分解出的气体，包括：CO、CO2、CH4、C2H6、C3H8、 C4H10、C2H4、C3H6、C2H2等烃类气体，生成气体的时候会产生热量，升高煤岩的温度。
在一些可选实施例中，开采时空动态模型根据采空区902的赋值参数，对采空区902自燃火灾的时空发展趋势进行推演，其中，赋值参数包括：采空区902的温度数据、工作面通风量、工作面风温、采煤时的回采速度、采煤高度、遗煤厚度以及煤岩的导热系数。
在本申请实施例中，可视化预警模块4由地面监控主机、信号报警器组成。监控主机中内置由二维工作面开采信息与智能推演程序融合而成的高精度融合模型，即煤矿的开采时空动态模型。通过煤矿的开采时空动态模型，一方面可以进行灾害风险预警，对信号解调模块2解调转换、校准后的校准温度数据和预设温度阈值进行比对，对高于预设温度阈值的校准温度数据在采空区902中对应的温度位置进行定位显示，并报警，实现采空区902的高温预警；另一方面，通过开采时空动态模型，对采空区902的温度演变趋势进行推演，根据采空区902煤岩传热特性、温度传告速度以及采空区902遗煤厚度、推进速度和通风参数等条件，推演采空区902自燃发火灾变的趋势，并对温度场的时空分布特征以云图和数据曲线的形式进行可视化显示，实现采空区902自燃发火灾变的超前预测。
在本申请实施例中，感温模块所测的温度数据由光纤本身反馈到信号解调模块2，信号解调模块2将解调转换后的数据通过共网传输模块33(比如，工业环网或传输电缆)传输至地面监控主机，在地面监控主机中，对校准温度数据进行分析，当高于预设温度阈值时，立即定位到该位置点并报警。在此，采用共网传输模块33能够使数据传输具有统一承载、共网传输的功能，可兼用于其他数据的传输，减少数据传输的线路，降低成本投入，优化线路。
在本申请实施例中，可视化预警模块4根据现有采空区902的温度以及工作面通风、回采等相关数据，演化采空区902未来一段时间内的温度升高或降低的趋势，提前预测自燃发火风险，一旦出现异常温变，及时发出预警提醒，有利于及时采取相关防控措施。
在本申请实施例中，可视化预警模块4在进行预警提醒时，可通过声、光、电等各种方式对用户进行提醒、预警，以便用户及时采取有效的应对措施。
在本申请实施例中，可视化预警模块4进一步配置为预设有与采空区902 的边界随采随动的三维动态仿真模型，三维动态仿真模型能够显示工作面及采空区902901的进尺、感温模块的位置以及通风参数。具体的，当工作面推进时，采面后的采空区902边界前移，在三维动态仿真模型中可显示整个工作面及采空区902901的进尺；信号解调模块2将解调后的温度数据、位置数据发送至地面主机，导入三维动态仿真模型中，使三维动态仿真模型能够实时显示采空区902中感温模块的位置，以及每一个监测点的温度等。
在本申请实施例中，赋值参数会对采空区902的氧化升温产生影响，生成多场耦合的温度场，利用三维动态仿真模型，根据赋值参数模拟出来当时的温度场，根据之前的温变和时间的关系，对温变进行趋势模拟。其中，赋值参数如表1所示。表1如下：
表1赋值参数
在本申请实施例中，首先，根据三维动态仿真模型的预设边界条件，由由达西定律和质量守恒定律来建立采空区902流场方程，由菲克定律和质量守恒定律来建立采空区902氧浓度场方程，由傅立叶定律和能量守恒定律建立采空区902温度场方程，得到采空区902自然发火多场耦合数学模型。然后，在三维动态仿真模型中，将采空区902先划分为六面体，再将每个六面体划分成6个四面体，以消除采煤工作面904附近以及进、回风处的采空区902内孔隙大、漏风风速大造成这些区域内的压力、氧浓度以及温度值的变化很大的影响；再然后，根据建立的采空区902流场方程、采空区902氧浓度场方程、采空区902温度场方程、多场耦合数学模型等对网格模型进行离散，完成每个网格的节点(网格之间的连接点)代表的温度场、氧浓度场、流程等的迭代计算，实现采空区902温变的趋势模拟。
在本申请实施例中，还可以通过通讯模块(比如：无线、有线等通讯方式)将可视化预警模块4中的温度数据、采空区902自燃发火的预警信息等发送至远程客户端5，以便远程客户端5可以随时随地查看井下采空区902 的温度变化情况，实现对采空区902自燃发火的实时在线掌控。
在一些可选实施例中，防灭火协同管控模块6还部署有自动控制器，自动控制器根据报警信息对防灭火设备中的灭火材料的用量和时间进行自动控制。
在本申请实施例中，防灭火协同管控模块6包括信号收发器、自动控制器、防灭火设备。根据温度实测数据，提前将防灭火设备(如惰性气体防控设备及管路、冷水降温设备及管路等)布置于采空区902的高温易发区域；信号收发器根据开采时空动态模型分析所得的仿真结果，当采空区902出现危险灾变信号时，自动触发防灭火设备；根据高温区域预测的范围，预计并控制防灭火材料使用量和时间，实现监测和防治的智能化协同联动，提高矿井抗灾减灾的能力。
在本申请实施例中，对防灭火材料的使用量和时间可通过采空区902自燃发火多场耦合仿真进行计算。在过采空区902自燃发火多场耦合仿真中，将煤矿的开采时空动态模型的数据输入设立的防火验证模型中，在防火验证模型中选择合适的防灭火方式，比如，注水、注氮、注二氧化碳、阻化剂等，分析不同防灭参数(如位置、使用量、时间)下的采空区902氧浓度场和温度场的变化，根据氧浓度场和温度场的变化情况，降低到设置的阈值以下，对防火效果进行评判。防火参数参照防火效果评判时防火验证模型中的模拟参数，乘以安全系数得到，在此，安全系数的取值为1.1～1.5。将确定的防火材料使用量和时间等防火参数输入信号收发器中，自动控制器将根据该参数自动启动防灭火设备，实现可控可靠的防灭措施。
比如，当采用注氮灭火时，防火参数主要包括供氮能力、氮气纯度、供氮压力、输氮管路参数(管材、直径、铺设等)。其中，制氮设备或装置的供氮能力按矿井注氮工作面防火注氮需要选取，供氮能力按公式(1)计算，公式(1)如下：
式中，Q0表示采空区902氧化带内漏风量，单位为：m3/min；C1表示采空区902氧化带内平均氧浓度，％；C2表示采空区902惰化防火指标，值为煤自燃临界氧浓度，％；CN表示注入氮气的氮气浓度，％；K为备用系数 (安全系数)，取值1.2～1.5。
向防火区注入氮气的纯度要视器能将采空区902的氧浓度降低到煤自燃临界氧浓度而定，在此，向火区注入氮气纯度不低于97％。地面、井下制氮设备的供氮压力，可按照公式(2)计算，其管路末端的绝对压力不低于0.2MPa。公式(2)如下：
式中，P2表示管路末端的绝对压力，单位为MPa；QMAX表示最大输氮流量，单位为m3/h；D0表示基准管径，取值为150mm；Di表示实际输氮管径，单位为：mm；Li表示相同直径管路的长度，单位为：km；λ0为基准管径的阻力损失系数，取值为0.026；λi表示实际输氮管径的阻力损失系数，对于不同的钢管直径，λi的取值如下表2所示：
表2
在本申请实施例中，从地面供氮时，当供氮压力小于1.6MPa时，输氮管路应选用无缝钢管。从井下供氮时，处应采用无缝钢管外，在满足输氮压力的情况下，可选用耐压相较软管。但进入采空区902或火区的管理必须采用无缝钢管；输氮管路的直径应满足最大输氮流量和压力的要求。
输氮管路在铺设时，应尽量减少拐弯，要求平、直、稳，接头不漏气。每节钢管的支点不少于两点，每节软管的吊挂不少于4点，不允许在管路上堆放他物，低洼处可设置放水阀；输氮管路的分叉处设置三通、截止阀及压力表；输氮管路表面进行防锈处理，表面涂黄色油漆；定期对输氮管路进行试压检漏。
在本申请实施例中，通过将测温光纤1呈网格状分布式部署于采空区902，实现对采空区902的温度全面、有效的监测，避免温度监测遗漏点，有效提高采空区902温度监测的全面性、准确性。通过在测温光纤1的外侧包覆柔性保护套，柔性保护套随测温光纤1的布设进行弯折，且在柔性保护套的表面设抗压金属钢丝，对测温光纤1进行保护，有效避免煤岩垮落砸坏测温光纤1，保证测温光纤1可以实时有效的对采空区902的温度进行监测，进一步提高采空区902光纤测温预警及防灭火智能联动管控系统的可靠性。
本申请实施例提供的煤矿采空区902光纤测温预警及防灭火智能系统管控系统，一方面，利用在采空区902以固定布线方式和移动布线方式呈网格状分布的多组分布式测温光纤1，对采空区902的温度进行实时监测，由信号解调模块2基于光时域和拉曼散射，对监测到的温度信号进行解调转换并自校准，由可视化预警模块4根据校准后的校准温度数据在开采时空动态模型对采空区902温度场的时空分布进行显示，并对温度数据与预设温度阈值进行比对，在高于预设温度阈值时，对校准温度数据在采空区902对应的温度位置进行定位显示，并实现报警；防灭火协同管控模块6提前布置在煤矿的高温易发火区域，当接收到可视化预警模块4发出的报警信号后，自动启动防灭火系统，对对应的报警位置进行灭火准备。籍此，实现对采空区902 有针对性的大面积温度监测，并提前预测自燃发火风险，一旦出现异常温变，及时发出预警提醒，便于及时采取防控措施；有利于煤矿采空区902内部温度的全面感知、精准分析、动态预测、协同控制的火灾智能化监控；另一方面，并根据采空区902的温度数据，以及通风、回采数据等，对采空区902 内的自燃火灾的时空发展趋势进行推演，预测采空区902在未来一段时间内的温度升高或降低的趋势；籍此，实现对采空区902有针对性的大面积温度监测，并提前预测自燃发火风险，一旦出现异常温变，及时发出预警提醒，便于及时采取防控措施。
以上所述仅为本申请的优选实施例，并不用于限制本申请，对于本领域的技术人员来说，本申请可以有各种更改和变化。凡在本申请的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请的保护范围之内。
Claims (7)
1.一种煤矿采空区高温探测预警及防灭火智能协同管控系统，其特征在于，包括：感温模块、信号解调模块、可视化预警模块和防灭火协同管控模块；
所述感温模块、所述可视化预警模块分别与所述信号解调模块通讯连接，所述防灭火协同管控模块与所述可视化预警模块通讯连接；
所述感温模块为多组分布式铠装测温光纤，多组分布式的所述测温光纤以固定布线方式和移动布线方式呈网格状埋设于所述采空区，用于对所述采空区的温度进行实时监测；其中，所述铠装测温光纤为外侧包覆有柔性保护套的测温光纤，所述柔性保护套能够随所述测温光纤的布设进行弯折，且所述柔性保护套的表面设有抗压金属钢丝，以对所述测温光纤进行保护；所述柔性保护套的表面设有测温孔，所述柔性保护套的抗压强度的范围为(50,60)MPa；
所述信号解调模块接收所述测温光纤监测到的所述采空区的温度信号，并基于光时域和拉曼散射对所述温度信号进行解调转换，以及基于预设的校准数据库对解调转换得到的监测温度数据进行自校准，得到所述采空区的校准温度数据；其中，所述校准数据库为温度补偿数据库，通过在地面进行恒温水浴测定与采空区的实际温度测定对比拟合，建立不同条件下的温度偏差、温度补偿数据库；所述信号解调模块调用所述温度补偿数据库中的温度补偿系数，根据所述煤矿的煤质、遗煤厚度、初始煤岩温度，对所述测温光纤的监测温度数据的偏差进行温度补偿，对所述监测温度数据的偏差进行自校准；
所述可视化预警模块中部署有所述煤矿的开采时空动态模型，用于根据所述校准温度数据对所述采空区温度场的时空分布进行显示，并对高于预设温度阈值的所述校准温度数据对应的温度位置进行定位显示并报警；
所述防灭火协同管控模块中部署有防灭火设备和自动控制器，所述防灭火设备根据所述可视化预警模块发出的报警信息自动启动，以对高于预设温度阈值的所述校准温度数据对应的温度位置进行灭火准备，所述自动控制器根据所述报警信息确定所述防灭火设备的供氮能力、供氮压力；
且按照公式：
确定所述防灭火设备的供氮能力QN；
按照公式：
确定所述防灭火设备的供氮压力P1；
其中，Q0表示采空区的氧化带内漏风量，单位为m3/min；C1表示采空区的氧化带内平均氧浓度；C2表示采空区的惰化防火指标，取值为煤自燃临界氧浓度；CN表示注入氮气的氮气浓度；K的取值范围为1.2～1.5；
P2表示所述防灭火设备的输氮管路末端的绝对压力，单位为MPa，且P2不小于0.2MPa；QMAX表示所述防灭火设备的最大输氮流量，单位为m3/h；D0表示输氮管路的基准管径，取值为150mm；Di表示所述防灭火设备的实际输氮管径，单位为mm；Li表示相同直径的输氮管路的长度，单位为km；λ0为所述基准管径的阻力损失系数，取值为0.026；λi表示所述实际输氮管径的阻力损失系数。
2.根据权利要求1所述的煤矿采空区高温探测预警及防灭火智能协同管控系统，其特征在于，以所述固定布线方式沿倾向布设所述测温光纤在所述煤矿的采煤工作面支架后方，从所述采煤工作面一侧的顺槽向另一侧顺槽布设。
3.根据权利要求1所述的煤矿采空区高温探测预警及防灭火智能协同管控系统，其特征在于，以所述移动布线方式沿走向布设的所述测温光纤，从所述煤矿的采煤工作面支架的后方向所述采空区布设；
和/或，
以所述移动布线方式沿走向布设的所述测温光纤，随所述煤矿的采煤工作面支架的前移，埋设于所述采空区的底板形成的缝槽。
4.根据权利要求1所述的煤矿采空区高温探测预警及防灭火智能协同管控系统，其特征在于，所述柔性保护套有多段，相邻两端所述柔性保护套之间通过快接接头固定连接。
5.根据权利要求1所述的煤矿采空区高温探测预警及防灭火智能协同管控系统，其特征在于，所述信号解调模块设置于所述煤矿的采煤工作面一侧的顺槽中，
对应的，
所述测温光纤沿所述采煤工作面的巷道帮部与所述信号解调模块连接，且所述测温光纤朝向所述巷道帮部内侧位于所述巷道帮部中的其它管路下。
6.根据权利要求1所述的煤矿采空区高温探测预警及防灭火智能协同管控系统，其特征在于，
所述可视化预警模块基于预设的分级预警机制，根据所述校准温度数据与所述预设温度阈值的差值，在所述开采时空动态模型中，对高于预设温度阈值的所述校准温度数据对应的温度位置进行定位显示并分级报警。
7.根据权利要求1所述的煤矿采空区高温探测预警及防灭火智能协同管控系统，其特征在于，
所述开采时空动态模型根据所述采空区的赋值参数，对所述采空区自燃火灾的时空发展趋势进行推演，其中，所述赋值参数包括：所述采空区的温度数据、工作面通风量、工作面风温、采煤时的回采速度、采煤高度、遗煤厚度以及煤岩的导热系数。
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