第45届等级奖论文---晓南煤矿“110工法”工作面自然发火的预测预报
铁煤集团矿井通风技能大师工作室 李威 张居仁
摘 要：为了利用现有的安全装备监测煤炭自然发火火情,晓南煤矿利用煤矿安全监控系统和火情监测系统及其设备对易发生自然发火区域进行检测，通过对“110工法”工作面采空区自然发火温度与有害气体浓度检测实践探索，取得了以现有的技术装备为基础，从实际出发，合理拓展煤矿安全监控系统及火情监测系统的用途，充分发挥火情监测系统及矿井安全监控系统的内在潜力和效用，为煤矿安全生产保驾护航开创了一新途径。
关键词： 110工法 自然发火 安全监控系统 火情监测系统
1．引言
“110工法”是一种具有广泛应用前景的煤炭开采技术，其三个数分别代表 “1个工作面、1条巷道、0个煤柱”。它通过运用切顶卸压成巷技术，保留开采中的工作面顺槽，作为下一个毗邻工作面的一条回采巷道使用。一方面使综采工作面掘进成本大幅降低，另一方面无煤柱开采使资源回收率大大提高。
晓南煤矿于2019年12在N1-1502工作面正式实施应用“110工法”，首先快速掘进出一条1100m长的留巷辅助巷道，保证施工所需设备、材料、人员、系统及时到位，成功完成切顶预裂试验，为及时调整回采速度和留巷进度创造了有利条件。到目前为止，已完成沿空留巷近1000m。
晓南煤矿通过在N1-1502 “110工法实施发现，此工法的弊端在于支护及自燃发火的防治工作存在着很大的难度，为了防止自燃事故发生，保证矿井安全生产，必须对N1-1502 “110工法”刨煤工作面煤炭自然发火发展状况进行预测预报。
2. 工作面情况、现有基础及解决思路
2.1 N1-1502“110工法”工作面情况
晓南矿N1-1502煤层属于容易自燃煤层，煤炭的自然发火期短（1～3个月），煤的自燃倾向性等级为Ⅰ类。采用“110工法”即切顶卸压沿空自动成巷无煤柱开采新技术，采用刨煤机落煤，工作面采高1～1.3m，由于采高较小，顶板不能充分垮落，采空区漏风较大，使采空区的剩煤不断氧化且产生的热量不易散发，在工作面的安装及生产的后期存在着较严重的自然发火隐患。
2.2矿井现有监测监控设备基础
晓南矿现有KJ2000X煤矿安全监控系统和KJ428-Z火情监测系统。
KJ2000X煤矿安全监控及综合信息管理系统，该系统主要由地面中心站、井下分站、光电信号交换机及各类传感器等组成。为了利用现有的安全装备监测煤炭自然发火火情,晓南煤矿在井下自然发火（自燃）危险部位安装了一氧化碳等传感器，实时连续监测一氧化碳浓度，经井下分站将监测数据传输到中心站。各种监测数据经井下分站和中心站处理，按要求发出声光报警和断电控制信号。
KJ428-Z 矿用本安型激光火情监测系统，该系统是矿用本安型激光火情监测主机是KJ428 矿用分布式激光火情监测系统的关键组成部分，采用可调谐激光二极管吸收光谱（TDLAS）技术实现气体浓度检测，可同时完成CH4、CO、C2H2、O2 和CO2 等气体浓度的检测和分析。
2.3解决思路
利用矿井现有安全监控系统和火情监控系统，对N1-1502 “110工法”工作面煤炭自然发火状况进行预测预报。首先确定反映煤炭自燃状况的标志气体和报警值，然后布设设备设施进行连续监测。
3. 煤炭自然标志气体、报警值确定
3.1煤炭自然时气体产物分析
煤自燃气体产物包括两部分，一部分叫煤自燃氧化气体，是煤自身氧化产生的气体产物，其成份主要有CO2、CO， CH4、C2H2、C2H4、C2H6、C3H6等。另一部分叫煤自燃吸附气体，是成煤过程中吸附在煤孔隙内的气体，由于温度升高从煤体中而解吸出来。一般情况下，CH4和CO2是煤自燃吸附气体主要成份，余下的C2H6、C3H8等是存量很少的ppm 级的烷烃气体组份，这些烷烃气体组份依据其碳原子数的序列性随着煤温度的升高而逐一解吸出来。
煤的自然发火经历缓慢氧化发展、加速氧化和激烈氧化三个不同的发展阶段，不同的气体产物与浓度和自燃温度范围对应着煤上述三个氧化阶段，一氧化碳、二氧化碳、烷烃、烯烃等这些气体产物常用于预测预报煤炭自然发火情况。
3.2标志气体确定
晓南矿15#层煤煤样试验结果分析如下：
3.2.1标志气体CO产生规律
CO随煤样升温变化关系见图1，随煤样温升高CO的生成量基本呈指数变化趋势；其中，在煤样温为40℃时CO开始出现，表明煤已开始氧化，初始浓度为0.31ppm，低温氧化阶段CO的生成量在较小；在煤样温达到170℃之后其CO生成量会迅速增加，说明170℃时煤开始进入深度氧化状态；不同于CO，CO2在氧化开始即释放出较高的浓度，温度为30℃时，CO2的浓度为436.34ppm，由于煤体对CO2的吸附作用，因此释放出的CO2一部分是由煤与氧反应得到的，另外一部分气体由煤体脱附产生的。所以，氧化初始阶段产生的CO2含量并不能反映煤氧化升温的剧烈程度。
图1 - CO随煤样升温变化关系
3.2.2 标志气体C2H4 产生规律
C2H4 随煤样升温变化见图2，C2H4 在110℃时开始出现，浓度值为0.03ppm，由于煤的吸附气体中不存在C2H4组份，因此可认为C2H4仅是在煤氧化升温过程中产生。由图2可以看出，C2H4的出现表明煤已进入加速氧化阶段，当煤温达到175℃左右时，其浓度随煤温的上升而迅速增加。
图2- C2H4随煤样升温变化关系
晓南矿15#煤层在回采过程中，采空区内遗煤氧化，采空区内均有CO产生，但无C2H4气体产生，无其它自然发火征兆，根据晓南矿采煤工作面回采过程中的实际数据，以及化验室的试验分析，晓南矿15层煤自然发火指标气体确定为C2H4气体产生，但CO浓度应根据现场实际生产情况确定。
3.3报警值确定
为了保证安全，采取温度、CO 、C2H4综合报警，安全监控系统温度40℃、CO100ppm传感器报警，火情监控系统发现有CO 、C2H4存在报警。
4设备设施安设
4.1安设方法
4.1.1 利用火情监测系统，对N1-1502 “110工法”工作面采空区进行温度预测、预报的安设，具体的安设方法是：预先在采空区内沿沿空留巷采空区内铺设一条测温光缆，对沿空留巷的采空区内的温度进行实时检测，测点可以定为1m。通过对火情监测系统一年来在晓南煤矿的使用，火情监测系统对煤矿早期的自然发火的预测、预报、预防起到了很好的作用。当某个测点温度达到40。C时，发出报警信号，再根据测点显示的高温位置，采取防治措施，具体安装方法如图3所示：
图3 -火情监测系统
4.1.2利用温度传感器，对沿空留巷沿途每间隔100m进行重点区域进行检测，确保数据准确及可靠。采空区检测点距支护巷道表面1.5-3.0m的区间。为监测5-7m区间采空区温度的变化（如有需要可加长检测元件电缆的长度），将GWP100(A)型温度传感器的检测元件加长连接线（采用4×1.5mm2矿用阻燃电缆）达10m,在使用前对传感器检测数据失真状况进行调试，对自然发火重点部位打孔径为Φ15mm、深度达到采空区5-7m，埋入传感器检测元件，将传感器联入矿井安全监控系统，从而实现对煤层深部自然发火温度的自动、连续监测，配合火情监测系统测温装置，更好地实现预报自然发火的作用。
4.1.3根据实际情况确定温度传感器的安设距离，具体安装位置见图4所示, 方法见图5所示：
图4-温度传感器安装位置
图5-温度传感器安装方法
4.1.4利用火情监测系统气体分析主机对沿空留巷采空区的气体进行分析化验后将数据传输到地面火情监测系统中心站，并对数据进行分析处理被告超限报警。在回风留巷打孔，将束管穿过支护，进入采空区3到5m（如有需要可以根据实际情况加长束管的伸入长度），为防止束管口堵塞，管中要安设防堵塞装置，当CH4、CO、C2H2、O2 和CO2这几种气体中，CO、C2H2出现时，说明采空区已有自燃发火现象。安装方法见图6所示。
图6-防堵塞装置
4.1.5因为自然发火是一个较慢长的变化，所以在沿空留巷的末端也就是N1-1502工作面运顺端头，安设一台一氧化碳传感器，来检测通过沿空留巷风流的一氧化碳浓度，以此来判断沿空留采空区是否有自然现象及采空区是否有风漏入沿空留巷，从而来分析采空区的自然发火情况，当一氧化碳含量达到100ppm时，说明自燃发火存在自燃发炎现象。一氧化碳传感器的安设数量可以根据实际情况具体安设，增加密度，CO传感器的安设位置如图7所示：
图7-CO传感器的安设
4.2.1敏感元件套管要使用钢管保护。
4.2.2必须封堵孔口，材料要求容易拆除、可塑性好、不导热。
4.2.3传感器本体与敏感元件间的连接线不要过长，满足使用即可。
4.2.4为了减少因取出孔内检测元件造成损坏，传感器标校周期可适当延长。
5.结论
5.1利用火情监测系统对来监测N1-1502沿空留巷采空区第间隔1m的温度变化，根据这个温度变化对采空区自然发火做到提前预测、预防。
5.2通过利用温度传感器敏感元件用来监测N1-1502沿空留巷采空区自然发火温度，预报发火，抓住了采空区发火的重点部位，合理拓展了温度传感器的使用方法，提高了采空区自然发火预报能力，从而确保了N1-1502 “110工法”工作面的作业安全。
5.3利用火情监测系统气体分析主机对所有采样点CH4、CO、C2H2、O2 、C2H4和CO2气体的检测与分析，以便能更早的发现自然发火，及时的进行预防及处理。
5.4利用CO传感器对风流中CO的检测，及时找到CO的来源，能更加有效的找到自然发火地点，从而达到高效安全基础。
以现有的高科技装备为基础，从实际出发，合理拓展煤矿安全监控系统及火情监测系统的用途，充分发挥火情监测系统及矿井安全监控系统的内在潜力和效用，为煤矿安全生产保驾护航，为煤矿安全生产保驾护航开创了一新途径。
作者简介 李 威（1971年），男，高级技师。2010年毕业于辽北技师学院矿井通风与安全专业，现在晓南矿保安区担任监测队队长。
张居仁（1963年），男，正高级讲师。1985年毕业于抚顺煤炭工业学校地下采煤专业，现在辽北技师学院教学工作部从事专业课教学工作。曾在《中国科技纵横》、《职业技术教育》杂志发表多篇论文。
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