基於井下微色譜及光纖測溫的煤礦自燃火災監測方法及裝置與流程
2023-07-26 09:12:06
技術領域：
本發明涉及一種基於井下微色譜及光纖測溫的煤礦自燃火災監測方法及裝置，屬於礦上安全設備領域。
背景技術：
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我國煤礦具有百年以上的開採歷史，隨著礦井開採年限的增長、開採深度增加、開採範圍的逐漸擴大，煤炭自燃災害日趨嚴重。其中採空區是煤礦煤炭自然發火最易、最頻繁的地點之一，由於採空區遺煤高溫點位置的隱蔽與不易確定性，易導致發現與採取措施的滯後，造成人力、物力的浪費，給礦井安全生產帶來隱患。因此，採空區遺煤自然發火問題是長期以來一直困擾煤礦安全生產的一個非常棘手而又亟待解決的難點問題。
目前國內煤礦每年有400個左右礦井工作面採空區發生煤炭自燃。特別是綜採(放)工作面採空區發生煤炭自燃，造成工作面封閉，一個綜採(放)工作面的設備、材料的直接經濟損失就達1億以上。同時煤炭自燃極易引起瓦斯、煤塵爆炸，造成礦毀人亡的特別重大事故，同時造成工作面停產及煤炭資源等間接損失將更大。因此，礦井煤炭自然發火事故的預防必然成為煤礦安全研究的重點。及時準確地發出火災早期預報，不僅可以及時採取防滅火措施，將火災事故消除於萌芽狀態，而且還可以減少防滅火造成的經濟損失，防止火災事故的發生。
目前，我國多數煤礦企業已經對煤礦自燃火災災害進行了以採空區自燃火災標誌氣體分析為主的等監測手段，主要的應用技術是束管色譜監測系統。該系統的技術方案是使用抽氣泵將井下採空區的採樣氣通過束管輸送至地面分析中心，在分析中心使用色譜儀對採樣氣進行分析，通過對氣體組分濃度的定性定量分析來對煤礦採空區火災火情進行監測和預報，這對保障煤礦的安全生產起到了積極的作用。
但是，傳統的束管色譜監測系統在實際使用過程中也暴露了很多的缺陷和不足。主要的缺陷有兩點：(1)一般地面分析中心到井下工作面的距離會從幾千米延展到上萬米，漫長的距離導致束管鋪設的長度非常大，而由於井下的環境非常複雜惡劣，因此數萬米的束管在井下非常容易發生破損、斷裂、水堵等狀況。這樣一方面使得束管監測系統在使用過程中分析結果的可靠性和可信度大大降低；另一方面使得井下束管部分在實際使用中維護的難度、成本大大增加。(2)由於一般使用負壓泵對束管進行採樣抽氣，漫長的束管管路導致抽氣效率非常低下，數萬米的束管往往需要幾個小時才能將樣氣抽至井上，導致分析效率十分低下。如果是在救災搶險過程中，數小時的火情分析的延遲就會對救災搶險造成重大的影響。(3)傳統的束管色譜監測系統只是對採空區的某氣體監測點的氣體組分分析。根據氣體組分分析結果，煤礦管理人員可以對採空區整體的自燃火災發火趨勢有個總體估計，但是無法精確確定火源點的位置。在這種情況下，需要通過其它的監測參數進行對採空區進行輔助監測。
技術實現要素：
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本發明要提供一種可以克服上述缺陷的基於井下微色譜及光纖測溫的煤礦自燃火災監測方法及裝置。
基於井下微色譜及光纖測溫的煤礦自燃火災監測方法，其特徵是，在採空區附近安裝井下微色譜系統及其採樣束管、光纖感溫系統及其感溫光纖，結合微色譜系統及光纖感溫系統採集到的數據，上傳至上位機得到進而判斷火情點的位置。
所述的微色譜系統含有兩路採樣管束，採樣管路a沿著進風巷深入採空區；採樣管路b沿著工作面，布置在綜採工作面和迴風巷的夾角處。
所述的光纖感溫系統含有兩路感溫光纖，感溫光纖a沿著進風巷深入採空區；感溫光纖b沿著迴風巷深入採空區。
所述微色譜系統採集到的氣體採樣數據與光纖感溫系統採集到的數據進行時間補償，時間補償具體方法為滿足如下公式：
t採樣＝3.74l2+0.0005l+0.4621
其中t採樣是採樣時間(分鐘)，l為採樣束管長度(千米)；結合微色譜系統色譜分析的分析時間t分析，最後的補償時間公式為：
t補償＝t採樣+t分析
所述的上位機結合光纖感溫系統的溫度數據、微色譜系統的氣體分析數據及時間補償數據對火情點進行判斷。
具體裝置包括微色譜系統和光纖感溫系統，微色譜系統的氣體採樣管路設置在採空區和工作面；光纖感溫系統的感溫光纖也設置在採空區和工作面；微色譜系統和光纖感溫系統的數據上傳至上位機。
本發明的有益效果是：
有效地解決了以上傳統束管色譜監測系統束管鋪設距離長，難維護、易損壞導致採樣氣被汙染的問題；並且結合光纖感溫系統，利用感溫光纖在採空區測溫的數據進一步明確火源點的位置信息。本發明通過創新性的提供了一種煤礦自燃火災監測的實施方案，在井下工作面布置實施兩種技術系統，解決了傳統系統存在問題，並且可以更加精確地判斷井下自燃火災的狀況和趨勢，並能確定發火點位置，對煤礦安全的管理有非常重要的意義。
附圖說明
下面結合附圖及實施方式對本發明作進一步詳細的說明：
圖1為本發明布置結構示意圖
圖中：1、大巷；2、進風巷；3、光纖感溫系統和井下微色譜；4、採樣束管a；5、感溫光纖a；6、採空區；7、採樣束管b；8、感溫光纖b；9、迴風巷；10、綜採面。
具體實施例：
如圖1所示，本發明提供的技術方案是通過在採空區附近合理的安裝井下微色譜系統及其採樣束管的分路布置，有效地縮短了鋪設束管的長度，減少了束管的維護工作；同時通過安裝光纖感溫系統，結合束管的鋪設位置來合理布置光纖位置，從而得到氣體組分分析數據及相關位置的溫度數據。因為束管色譜分析的滯後性和光纖感溫系統監測的瞬時性，在分析結果時要考慮氣體組分的分析結果與溫度檢測結果有時間差，在系統中分析要把時間因素造成的誤差排除掉，這樣才能得到同一時刻煤礦採空區火災火情的真實結果。
具體的布置實施方案如圖1所示：
由於井下微色譜和光纖測溫裝置安裝的高度靈活性，本發明提出將兩種設備安裝在工作面的移動變電站附近，監測的數據信號在此處進行分析處理然後上傳至上位機進行進一步的分析處理展示。這樣安裝實施的優點有：(1)井下微色譜系統和光纖感溫系統可以就近取電，解決了供電的問題；(2)設備可以跟隨工作面的推進而移動，最大程度的減少束管和光纖鋪設的長度，減少維護難度，提高監測準確性。
進一步的，井下微色譜的採樣束管分為兩路，採樣束管a沿著進風巷深入採空區，由於進風巷一般是進入的新鮮空氣，束管深入採空區內部可以比較準確的收集採空區內部的氣體變化情況，避免因為新鮮空氣的湧入稀釋而產生的誤判；另一路採樣束管b沿著工作面，布置在綜採工作面和迴風巷的夾角處(又稱下隅角)，因為採空區內部的氣體流動是從進風巷通過採空區進入迴風巷，在下隅角布置束管採樣點可以有效地收集採空區內的氣體，分析其內部的整體氣體變化情況。
進一步的，光纖感溫系統的感溫光纖也分為兩路布置，感溫光纖a與採樣束管a的布置線路相同，沿進風巷深入採空區內部；另一路感溫光纖b也與採樣束管b的布置線路基本相同，不同點在於感溫光纖b沿著迴風巷也深入採空區內部。這樣布置的優點在於兩路感溫光纖可以收集隨採空區深度不同的所有感溫採樣點數據，結合氣體組分分析數據，可以更加精準的判斷火情點的位置。
進一步的，由於光纖感溫採樣是瞬時的，而束管的氣體採樣有較大的延遲，所以要準確結合氣體分析結果和溫度分析結果必須進行時間補償。為了準確的計算對於分析結果的時間補償，我們對束管長度和其採樣時間做了一個實驗。實驗布置了1000米長度的束管，一個負壓泵在束管前端進行抽氣作業，束管末端放入甲烷氣體的環境中。啟動負壓泵之後開始計時，在出氣口放置一個甲烷監測器，直到甲烷監測器檢測到甲烷氣體是，記錄採樣時間。如上分別重複測試2000、3000、4000、5000米束管長度時的採樣時間，發現採樣時間與束管長度滿足二次函數的關係，用最小二乘法求得相關的係數，最後得到公式：
t採樣＝3.74l2+0.0005l+0.4621
其中t採樣是採樣時間(分鐘)，l為束管長度(千米)。由於色譜分析也需要一個分析時間t分析(本系統設定分析時間為5分鐘)，因此最後的補償時間公式為：
t補償＝t採樣+t分析
在實際應用中，溫度的採集數據需要延後t補償時間後與氣體分析數據綜合考慮。
進一步的，本發明中所述的井下微色譜系統採用美國航天技術的微型色譜儀改造的核心分析單元，突破了色譜儀下井的技術屏障，採用最新最安全的井下防爆技術，結合束管取氣控制模塊，組成全自動智能色譜監控中心，在井下爆炸氣體環境中快速完成取氣、分析。利用遠程通訊模塊與遠端的井上監控平臺通訊，完成控制和監控結果數據傳輸。數據最後通過網絡接口傳輸到火災大數據監測平臺和手機移動端，可以時時掌握煤礦井下工作環境，確保井下安全生產。系統主要有礦用隔爆兼本安型多組份氣體分析主站、防暴開關、束管、數據傳輸網絡、移動客戶端、系統監控平臺)幾大部分組成。
(1)礦用隔爆兼本安型多組份氣體分析主站：由採樣控制模塊，電磁閥及驅動電路，微型色譜儀等部分組成，封裝在防爆的色譜監控分站的箱體內。是束管監控系統的核心，通過井上管理平臺給色譜監測分站設置系統運行參數，在井上管理平臺的遠程控制指令下，將束管採樣得到的井下氣體，依次通過色譜儀進樣分析，並將結果通過數據傳輸網絡，返回給井上系統管理平臺。
(2)束管：由粉塵過濾器、單管、分路箱(含濾水器)、束管等組成，其作用是運載井下氣體。
(3)數據傳輸網絡：束管色譜監控系統的核心數據傳輸網絡，可以直接利用現有的工業環網，或者根據需要重新搭建新的通訊網絡。主要由核心交換機、地面光纖環網交換機、井下環網交換機、防火牆等網絡通信設備組成。移動客戶端：支持手機平板掌上操作。
(4)井上系統管理平臺：包括監控主機，印表機，ups，監控管理軟體等部分組成。
進一步的，光纖感溫系統是基於光纖傳感技術。光纖傳感器是以光波為載體，光纖為媒質，感知和傳輸外界被測量信號的新型傳感器。光纖不帶電、體積小、質量輕、易彎曲、抗電磁幹擾、抗輻射性能好，本質安全，特別適合在易燃、易爆、空間受嚴格限制及強電磁幹擾等惡劣環境下使用。對比於傳統的檢測方法，光纖傳感監測系統有遠程傳輸、多參數、大容量、實時在線、抗幹擾、本質安全等優點。光纖感溫系統主要由兩大部分構成：
(1)礦用光纖測溫裝置具有多通道光轉換功能，插損小，易擴展；具有更高的溫度精度和空間解析度；提供各種報警指示燈，方便了解運行狀態；提供網口、串口、usb等多種接口方式，可以將監測數據通過礦上已有的通訊監控網絡傳輸到地面，從地面進行遠程監控。
礦用感溫光纖集信息傳輸和溫度採集於一體，採用礦用阻燃型中心束管式鋼絲鎧裝光纜，這種結構更柔韌、輕便，具有更好的抗砸、抗拉能力，便於施工布放；光纜外徑結構簡單，熱滲透快，測溫響應快；光纖衰減小，提高了系統的測量精度和測量範圍。
上述實施案例僅是為清楚本發明所作的舉例，而並非是對本發明實施方式的限定。對屬於本發明的精神所引申出的顯而易見的變化或變動仍處於本發明的保護範圍內。