孫志鳳中煤華晉公司韓咀煤礦總工程師

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井下自燃束管火災(zāi)監(jiān)測設(shè)計方法

孫志鳳
中煤華晉公司韓咀煤礦總工程師

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評估值65萬

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行業(yè)曲線

industry

煤礦井下自燃是井下重大災(zāi)害，威脅礦井安全生產(chǎn)及井下作業(yè)人員的生命安全?；诂F(xiàn)代化裝備進(jìn)行煤層自燃發(fā)火預(yù)測預(yù)報系統(tǒng)，采用束管監(jiān)測技術(shù)，該技術(shù)具有測定氣體組分較多、數(shù)據(jù)存儲量大和分析較準(zhǔn)確、監(jiān)測連續(xù)性好、自動化程度高等特點。束管系統(tǒng)對井下氣體組成及各種氣體的含量變化能夠在任何時候有效的實現(xiàn)監(jiān)測，而且可以在地面監(jiān)測中心分析預(yù)測煤自燃災(zāi)害程度及發(fā)生發(fā)展過程，能夠?qū)γ旱念A(yù)測預(yù)報，實現(xiàn)智能化和自動化，而且易于操作、方法簡單易上手。

煤礦火災(zāi)是指發(fā)生在礦井井下或地面井口周圍、威脅礦井安全生產(chǎn)、發(fā)生災(zāi)害的所有不能人為控制的燃燒。由火災(zāi)發(fā)生的原因可以將煤礦火災(zāi)分為兩種，即內(nèi)因火災(zāi)和外因火災(zāi)。其中內(nèi)因火災(zāi)是煤礦火災(zāi)的主要組成，約占煤礦發(fā)生火災(zāi)總數(shù)的九成以上。煤礦火災(zāi)會導(dǎo)致大量的財產(chǎn)及煤炭資源的損失，產(chǎn)出大量高溫?zé)熈骷坝卸練怏w，其嚴(yán)重危害到了井下工作人員的人身安全，常常會導(dǎo)致瓦斯、煤塵的爆炸，其災(zāi)難性得到了更進(jìn)一步的擴(kuò)大。煤炭自然發(fā)火是煤炭的通性，然而煤的自然發(fā)火難易程度取決于煤質(zhì)及其性質(zhì)。所以我們不但要了解煤的自燃性，還要預(yù)測煤早期發(fā)生自燃火災(zāi)的可能性，這需要我們了解代表煤發(fā)生自然火災(zāi)的過程及與其有關(guān)的各項參數(shù)指標(biāo)，進(jìn)一步對煤自燃特性進(jìn)行全面的研究。

新建礦井在煤自然火災(zāi)預(yù)測預(yù)報及安全方面，存在基礎(chǔ)防治設(shè)施不完善、防治技術(shù)針對性不強等諸方面的問題，所以迫切需要建立一套相對完善的體系，用于火災(zāi)綜合技術(shù)的防治，全面提高火災(zāi)防治技術(shù)及預(yù)測預(yù)報水平。首先要研究和掌握煤自然發(fā)火的基本規(guī)律，科學(xué)地對煤的自然發(fā)火進(jìn)行預(yù)測預(yù)報，判斷煤的自然發(fā)火進(jìn)程，做到防患于未“燃”。從而能夠明確指導(dǎo)礦井防滅火工作的實施，開展各項防滅火工作。結(jié)合韓咀煤業(yè)目前礦井井下實際開采技術(shù)條件和生產(chǎn)布局，以“預(yù)防為主、防治結(jié)合”為礦井火災(zāi)防治工作的指導(dǎo)方針，實施建立適用于礦井的一整套防治井下自然發(fā)火的技術(shù)體系。束管系統(tǒng)對井下氣體組成及各種氣體的含量變化能夠在任何時候有效的實現(xiàn)監(jiān)測，而且可以在地面監(jiān)測中心分析預(yù)測煤自燃災(zāi)害程度及發(fā)生發(fā)展過程，能夠?qū)γ旱念A(yù)測預(yù)報，實現(xiàn)智能化和自動化，而且易于操作、方法簡單易上手。

圖1 礦井JSG-8束管監(jiān)測系統(tǒng)結(jié)構(gòu)原理

圖2　工作面束管監(jiān)測示意圖

井下自燃束管火災(zāi)監(jiān)測系統(tǒng)

井下、地面整體束管監(jiān)測系統(tǒng)由礦用色譜儀、束管系統(tǒng)、采集系統(tǒng)組成。束管從地面鋪設(shè)至井下工作面采空區(qū)，地面建立專用氣體分析中心，將礦用色譜儀至于其中，應(yīng)用氣泵采集井下氣體，進(jìn)行化驗。

束管監(jiān)測系統(tǒng)的工作原理，利用真空泵和多芯（單芯）束管抽取氣體，可以遠(yuǎn)距離監(jiān)測需要地點的氣樣，利用專用氣相色譜儀持續(xù)檢測分析，實時測定各測點的氣體成分及其各含量。束管監(jiān)測系統(tǒng)主要由地面氣體分析中心和井下束管取樣系統(tǒng)組成，結(jié)構(gòu)原理如圖1所示。

井下工作面開切眼形成后，將采樣器及束管鋪設(shè)至井下，采樣器用木垛保護(hù)起來，束管用2″無縫鋼管保護(hù)，沿工作面回風(fēng)巷、主回風(fēng)巷、井筒鋪設(shè)至地面氣體分析中心，連接到氣泵。氣泵與色譜儀相連接，開啟氣泵后，經(jīng)一段時間，采空區(qū)氣體輸送至色譜儀，即可以化驗氣體成分。束管詳細(xì)鋪設(shè)方法及采樣器制作，見“三帶”觀測方案部分，這里不再重述。

在井下監(jiān)測過程中，應(yīng)每回采50m，即埋入一個監(jiān)測探頭，若早期埋設(shè)的監(jiān)測探頭所處位置為“窒息帶”（名詞解釋見“三帶”觀測方案部分）時，可停止該探頭取氣與化驗分析，否則應(yīng)保持連續(xù)分析。

建立井下自然發(fā)火預(yù)測預(yù)報體系，即對井下易自然發(fā)火地點，采用人工或自動的方法定期或連續(xù)的進(jìn)行取樣，經(jīng)過氣相色譜儀器分析出氣體各項組分，總結(jié)各項組分的變化規(guī)律，結(jié)合煤自然發(fā)火預(yù)測預(yù)報技術(shù)，來判斷煤炭自燃的發(fā)展進(jìn)程，這樣可以有效地作出煤自然發(fā)火的早期預(yù)測預(yù)報。

束管鋪設(shè)方案

束管取樣頭布置

束管單管沿工作面回風(fēng)順槽和進(jìn)風(fēng)順槽頂板吊掛，共需2路束管6路，其中進(jìn)風(fēng)順槽吊掛1路2芯，用于工作面進(jìn)風(fēng)隅角“采空區(qū)三帶”檢測（埋設(shè)間距為50m），其余1路4芯在回風(fēng)順槽布置，其中：1芯設(shè)置在工作面上隅角處，1芯設(shè)置于回風(fēng)順槽與采區(qū)回風(fēng)巷巷口，2芯用于采空區(qū)三帶檢測，（埋設(shè)間距為50m），如圖2所示。

圖3 取樣頭連接示意圖

取樣頭

束管取樣頭與套管必須密封連接，防止抽取到套管內(nèi)氣體（密封段可采用聚氨酯材料密封），周圍采用大塊矸石或砌晅防護(hù)，為了避免浮煤、水、泥漿沉積發(fā)生堵管現(xiàn)象。如圖3所示。

套管

為了方便套管在井下運輸，套管采用6m長的分段，兩端帶有滑動法蘭盤，在設(shè)置取樣頭的位置采用三通進(jìn)行連接，為方便在三通位置設(shè)置取樣頭，三通末端帶有3個固定法蘭盤，三通直線段需要剖開。所有套管都采用直徑50mm的鋼管進(jìn)行加工。取樣頭的套管外面的前端口，必須封口，并在前端0.25m長范圍內(nèi)，鉆8個直徑為5mm的小孔，用來透氣。

束管采樣柜位置

為了方便采集氣樣和滿足連續(xù)監(jiān)測采空區(qū)氣樣成份，束管采樣柜設(shè)置在地面束管系統(tǒng)控制室。

氣體分析

氣相色譜分析內(nèi)容包括O2、N2、CO、CO2、CH4、C2H4、C2H6、C2H2等氣體。

采樣測試完畢后，記錄好每天工作面推進(jìn)度，工作面采取的防滅火措施。

結(jié)語

束管系統(tǒng)可以將監(jiān)測點氣體通過束管送到地面檢測中心，利用氣相色譜分析儀持續(xù)分析氣體組成分及其含量，通過各組成分含量的變化，對井下煤的自燃發(fā)火過程進(jìn)行判斷分析，可以對煤早期的自然發(fā)火進(jìn)行預(yù)測預(yù)報。該系統(tǒng)對井下氣體組成及各種氣體的含量變化能夠在任何時候有效的實現(xiàn)監(jiān)測，而且可以在地面監(jiān)測中心分析預(yù)測煤自燃災(zāi)害程度及發(fā)生發(fā)展過程，能夠?qū)γ旱念A(yù)測預(yù)報，實現(xiàn)智能化和自動化，而且易于操作、方法簡單易上手。

10.3969/j.issn.101- 8972.2016.12.025