采空区火源监测监控及防治技术措施

采空区火源监测监控及防治技术措施

摘要：煤矿井下采空区自然发火及其所产生的高温和有毒有害气体是造成井下设备毁损和人员伤亡的主要原因之一，同时，因煤的自燃而引起的瓦斯、煤尘爆炸也是矿井的重大隐患，而我国煤矿多，煤层自然发火情况严重近年来，随着我国以综采放顶煤为主的高产高效工作面的大力发展，工作面的开采和通风强度增加，使采空区体积增大、浮煤增多，加大了采空区自然发火的危险程度采空区火灾往往造成昂贵的综采设备烧毁，带来巨大的经济损失。

对于采空区煤自然发火的治理，其关键问题是准确确定出采空区内火源的位置只有火源位置找准了，才能采取快速高效的治理措施目前，尚无一种经济可靠的采空区火源位置探测技术及装备，即使采空区有早期自然发火征兆，也往往因为不知道火源的准确位置而束手无策，从而导致灭火措施的成功率不高，严重影响煤矿的安全生六对采空区早期火源位置的有效探测是一项世界性技术难题，是一项改善我国煤矿安全状况的关键技术。

采空区煤炭自燃是长期危害煤矿安全生产的主要灾害之一，煤矿采空区煤炭自燃监测对于制定预防自燃措施至关重要。基于现有采空区参数采样方法存在的不足，笔者设计了一套以矿井原有基站、中心站为基础的采空区煤炭自燃无线监测系统，该系统由设在采空区的多组信号发射器和采掘工作而便携式接收器构成，通过井下监测监控网络实现对采空区参数的地而实时监测。

关键词：采空区三带划分；无线监测；无线网络；探测技术；煤炭自燃；防灭火技术

0前言

采空区是最易发生煤炭自燃的地点之一，做好采空区煤炭自燃监测对提升煤矿安全水平具有极其重要的意义。目前，我国煤矿应用的监测系统主要有束管监测系统和光纤布拉格光栅监测系统两种。束管监测系统能够测量多种指标气体浓度，但束管堵塞、积水、漏气和冬季冻结现象不可避免，影响抽气监测工作的正常进行;同时该系统需使用高精度分析仪器并布设大量束管，初期投资和使用费用都非常高，测试结果还具有延时性等缺点，技术可精确、连续测试采空区温度变化，但不足之处是该方法光纤布设复杂困难、成本高且采样数据比较单一。为了有效解决采空区参数采样方法的不足。同时对采空区三带进行划分。

1采空区三带的划分

不同的煤层其自燃性肯定也不会同，但是就算是同一种煤层，如果他们自身所处的环境不同，那么其供氧条件、蓄热条件以及散热条件就也会存在差异，最后其自燃性自然也会不同。由此可见，煤体自燃是煤体自身的氧化放热性和其供氧条件、蓄热条件等诸多因素共同作用的结果。另外，工作面的推进速度也是采空区遗煤自燃的一个重要因素。因此，在实际条件下，煤体的自燃是上述诸多因素相互作用的结果。

①煤自燃的条件

通过产生燃烧所需要的必须的条件可知，煤炭要想发生自燃必须同时具备以下条件:

(1)煤具有自燃倾向性，就是煤在常温的时候也有比较高的氧化活性。 (2)有超过一定浓度氧气的空气持续通过，维持煤的氧化过程。

(3)空气流动的速度适中，使煤体有积聚其氧化过程中产生的热量的环境。 (4)上述的三个条件在同一地点，同时具备一段时间，使煤体能够达到着火温度。 以上四个条件是煤炭自燃的必要条件，最后一个条件是充分条件。其中，第一条是最根本的，是内因，是煤的内部特性，它取决于成煤物质和成煤条件，表示煤与氧相互作用的能力，它是影响自燃倾向性和自然发火期长短的重要因素。氧是使煤自燃的重要因素。空气中氧含量低于某个值时，则具有窒息性。由于种原因，采空区内并不是每个地方都会形成自然发火的。空气流动速度的大小，是氧化热量能

否积聚的重要条件。在采空区内如果空气渗流速度较大，热量则不能积聚，不易形成煤炭自燃。如果渗流速度过低，则会供氧不足，氧化非常缓慢，也不能形成自燃煤炭自燃都是在风速比较适中的情况下发生的。时间也是形成煤炭自燃的重要条件，此条件称为煤自然发火的时空条件。时空条件可以解释为浮煤分布区、高氧浓度区、易自燃风速区等三区必须重叠足够长的时间。人们一般用自然发火期来区别煤炭自燃的难易程度或自燃倾向性程度。在自然发火严重的矿井，常常以自然发火期作为划分采区的依据。所谓最短自然发火期，是指采煤工作面开切眼形成之日至发生自然发火期之日止的日期，发火期一般以月或天为计算单位。 ②遗煤自燃的“两区”“三带”

在煤自燃条件的基础上，可以将采空区划分成采空区自燃区域和采空区不自燃区域两个区域。

采空区自燃区域为采空区内某一区域，此区域具有一定浓度的氧气，漏风强度也比较合适，蓄热条件也比较良好，并且区域内的煤炭在氧化过程中产生的热量大于其通过热交换散发的热量，则此区域内就会发生热量积聚，如果此区域有较多的具有自燃倾向的遗煤，并且以上的条件在这片区域内存在的时间大于其最短自然发火周期。剩余的其他区域则为不自燃区。

根据采空区中不自燃区所处的位置和形成的原因不同，又可将不自燃区分为散热带和窒息带。如果在采空区中某区域位于紧靠工作面的采空区，或者位于漏风大的漏风源处，由于此区域空隙率大，所以其漏风强度相对较大，此区域的煤炭在氧化过程中产生的热量容易散发，煤体温度就不会变化很大，那么此区域就称为散热带。如果在采空区某区域位于采空区的深部，由于此区域空隙率小，所以其漏风强度相对较小，此区域的氧浓度较低，不能使煤体维持氧化过程，所以此区域称为窒息带。

③“三带”的划分指标

定性而言，“三带”是客观存在的，但如何去精确的划分其范围，的确是一个非常复杂的问题。国内外很多的学者和研究机构在对此做了大量的深入的研究之后提出了确定划分“三带”的指标有漏风风速砰，采空区氧浓度(C)和温升速率(K)3种: (1)根据采空区漏风风速(V)划分三带

如果不考虑其他因素，仅仅从理论上考虑，根据漏风风速来划分采空区三带范围相对较好，因为漏风风速不仅能够反映出采空区内氧浓度变化，而且还能反映出采空区内各区域遗煤氧化生热量和其散热量的平衡关系。这种方法因为漏风风速是矢量，很难进行直接测量，因此主要通过计算机模拟的方法，对不同边界条件下采空区漏风的流线和风速分布进行数值模拟，并根据模拟结果来划分采空区三带。现在国内外学者普遍认同的利用漏风风速划分采空区三带的指标为:采空区中漏风风速大于0.9m/min的区域即为散热带;采空区中漏风风速为0.02 m/min-0.9m/min的区域即为氧化升温带;采空区中漏风风速小于0.02m/min的区域即为窒息带。

(2)根据采空区内氧浓度(C)分布划分三带

利用采空区氧浓度把其划分为三带在现场实测时使用的比较多，氧气浓度划分的指标为:采空区中氧气浓度大于18%的区域为散热带;采空区中氧浓度在8%-18%的区域为氧化升温带;采空区中氧浓度小于8%的区域为窒息带。

(3)根据采空区遗煤温升速度(K)划分三带

如果采空区中某一区域内遗煤的温度每天升高10C，即K> 1 0C/d时，那么此区域就被认为是进入可能自燃带。根据采空区遗煤温升速度划分三带的指标为:

采空区中遗煤温升速度K< 1 0C /d且靠近工作面的区域为散热带;采空区中遗煤温升速度K> 1 0C /d的区域为氧化升温带;采空区中遗煤温升速度K< 1 0C /d的压实区为窒息带。

也有的学者认为完全依靠任何一种方法都具有一定的局限性，应该综合运用各项判别指标来划分采空区三带，能更加准确的对采空区自燃危险区域进行划分，更加全面的研究采空区自然发火机理。

2国内外对井下采空区防灭火的理论及实践发展

煤自燃是一个极其复杂的物理、化学作用过程，其实质是破碎煤体表面力场失去平衡，与空气中的氧发生一系列的物理吸附、化学吸附和化学反应，从而放出热量，在一定的散热环境下，当这些反应产生的热量大于散热时，煤体就会升温。若供氧充分，煤体温度升高则会加快煤体对氧的化学吸附和化学反应，同时使放出的

热量增加，而放热量增加又使煤体升温速度加快，如此反复循环，最终导致煤体自燃发火。在自燃过程中，煤与氧气相互作用并放出热量与气体，加热周围介质并向外逸出气体。煤矿自燃火源探测技术就是通过对煤层自燃过程中，煤层本身或周围介质相关物理与化学指标的异常变化量进行监测、分析和判断来实现。目前国内外煤矿自燃火区火源探测方法主要有:磁探法、电阻率法、气体测量法、同位素测氧法、无线电波法、遥感法、计算机数值模拟法、温度法、红外探测法为了解决自燃火源探测的难题，国内外科技工作者对此做过一些试验研究，其探测原理均是测煤自嫩过程中其本身或周围介质的物理性质或化学性质的改变量。目前国内外除同位素测氛法外，大部分停留在试验研究阶段，未形成实用技术，如井下探测法的测温法、无线电波法、地质雷达法、双元示踪法等:地面探测法的遥感技术、火灾气体测量法、地面物探测法等。

2.1采空区煤炭自燃无线监测系统

从系统总体方案、硬件设计及软件设计3个方面，对采空区煤炭自燃无线监测系统进行设计，解决了现阶段采空区煤炭自燃监测实施难、成本高及监测不具备实时性或采样数据单一的问题。硬件系统以MSP430单片机为核心处理器，具备多个传感器、运放电路、无线收发模块和声光报警电路等多个功能模块，根据实际需要使用功能模块完成相应的功能。软件以IAR为开发环境，完成了功能模块的单独硬件仿真调试以及传感器和便携式接收器功能的实现。

2.2抽采影响下采空区气体分布及运移规律研究

煤矿煤柱工作面采用炮采工艺，具有采空区遗留浮煤厚度大，堆积粒度多样，漏风规律复杂多变，推进速度较慢等特点，煤炭自然发火的几率，威胁着矿井的安全生产。采用常规的综合防灭火技术，虽然效果显著，但由于煤柱工作面回采条件复杂，煤柱横穿老巷较多，周边采空区复杂，常规技术针对性不强，不能完全满足回采期间多变复杂条件的需要。为此，需对煤柱工作面自然发火的特征、各种防灭火措施的具体应用条件进行研究。

通过束管对该工作面气体进行连续监测，获得了大量的数据，掌握了工作面气体的实时异常变化，实现了工作面煤炭自燃的可靠预报。判断工作面CO气体主要来

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