采空区煤层自燃灾害物联网监测预警技术研究_牛俊国.pdf

采空区煤层自燃灾害物联网监测预警技术研究牛俊国，王同友（山东唐口煤业有限公司，山东 济宁 272055）摘要：为了解决唐口煤矿 630 综放面采空区、沿空侧、密闭区遗煤自燃火灾误报率和漏报率高的问题，本文提出了煤自燃特征信息监测预警方法，开发出了适用于综放面采空区、沿空侧、密闭区的上位机监测预警系统。以唐口煤矿 630 采空区为研究对象，应用于沿空侧、密闭区等隐蔽区域煤自燃的监测预警。建立统一的煤类自燃主要指标气体含量-燃烧温度-燃烧压差的联合在线监测评价系统，实现了国家对煤类自燃事故危险作业区域范围的联合网络化实时动态在线监测预警和风险隐患在线识别，并由此划分总结出了唐口煤矿 6304 工作面中的自燃点“三带”点，该联网监测预警系统进一步弥补完善了煤矿束管色谱检测预报系统建设的部分不足，降低了煤炭束管定检人在线检测预报的总体工作量，实现了矿井由被动治理向主动疫病防控能力的最根本机制转变，提高了煤自燃火灾监测预报的可靠性、动态性和超前性，提高了煤自燃隐患监测识别水平。关键词：采空区；煤自燃；监测预警；特征信息中图分类号：TD752.2文献标志码：A文章编号：1009-0797（2023）02-0064-06Research on Internet of things Monitoring and Early Warning technologyof coal fire disaster in GoafNIU Junguo,WANG Tongyou（Shandong Tangkou Coal Industry,Jining272055，China）Abstract:In order to solve the problem of high false alarm rate and false alarm rate of coal spontaneous combustion in goaf,goaf side andclosed area of 630 fully mechanized caving face of Tangkou Coal mine,this paper puts forward the monitoring and warning method of coalspontaneous combustion characteristic information,and develops the upper computer monitoring and warning system suitable for goaf,goafside and closed area of fully mechanized caving face.Taking 630 goaf of Tangkou Coal Mine as the research object,it is applied to themonitoring and warning of coal spontaneous combustion in hidden areas such as goaf side and closed area.Building of coal spontaneouscombustion index gases-temperature-pressure differential joint monitoring system,realize the risk of coal spontaneous combustion area ofthe network dynamic monitoring and hazard identification,and divided into tang mouth coal mine 6304 working face of spontaneouscombustion three zones,the monitoring system made up for the inadequacy of tube chromatographic detection system,reduces the workloadof tube during testing,It has realized the fundamental transformation from passive management to active prevention and control,and improvedthe reliability,dynamics and advancement of coal spontaneous combustion fire monitoring and prediction,and improved the level of coalspontaneous combustion hidden danger monitoring and identification.Key words:mined-out area；coal spontaneous combustion；monitoring and early warning；feature information0引言随着煤层埋藏深度增大、通风系统和地质条件逐渐复杂、采空区范围逐渐加大以及受各种因素的影响，易出现漏风现象引起煤炭自燃等事故1-3。而采空区浮煤自燃呈现动态变化特征，而人工监测范围大，周期长，连续性又差，再加上测点多、距离远、环境复杂，这使得对采空区的管理非常困难。现有的煤火灾震害预警监测报警系统和数据处理自动化水平并不十分高，不能有效及时检测发现煤窑自燃事故早期风险隐患4-5。因此，煤自燃特征信息的实时动态分析监测，对采空区煤自燃预控具有重要意义。然而，现有的针对性监测系统很少并且无法达到对采空区隐蔽区域煤自燃特征信息的准确采集。陈晓坤 6 公司研发出的煤的自燃及火灾检测预警应用系统，实现了对煤及自燃和火灾过程的动态监测、识别评估与智能早期预警，但是无法对隐蔽区域进行智能监测，同时系统无法适应煤矿井下特殊环境；王宇 7 基于微软最新的 Linux 多内核操作系统技术平台和最先进的嵌入式开发的基于 Web 技术，设计开发制作生产了矿用本安型的无线远程实时监测网络基站,实现了无线内网、外网用户的双向跨网络平台远程同时访问和双向实时交换和监测网络信息，可以快速实现对采空区可燃气体浓度-烟气温度-烟气压差数据的远程动态跟踪监测，完成烟煤类自燃引发灾害后果的在线监测预警，但是该系统监测信息获取量较小；张新 8 针对煤矿采后空气区遗煤自燃，分析与监测的预警新技术，利用 LoRa 技术在2023 年第 2 期煤矿现代化第 32 卷64DOI:10.13606/ki.37-1205/td.2023.02.001煤矿采空区煤炭瓦斯自燃风险监测及预警工程中提供的具体的应用技术方案实现了煤矿采空区的信息实时感知获取与实时数据的采集，但是无法观察所采集数据的实时动态变化趋势。本文是在智能传感器、无线感知网络环境和嵌入式 Web 环境等传感技术集成的研究基础研究上，搭建起来了这样一种采暖空温区煤火灾公害自动监测的预警系统与应急管控的平台，从而实现采空区煤自燃特征信息的实时动态监测预警，为煤自然发火预控提供依据。1监测预警系统总体设计1.1监测预警系统网络的构建智能矿山监测及预警监控系统网络架构如图 1中所示，在矿山井下利用智能监测预警系统终端集成的矿用本安型多参数传感器，系统能全面的采集相应数据并监测煤自燃信息的实时动态变化。监测预警系统终端组成了无线传感网络，以煤矿的井下以太光环网系统为主辅干，多种通讯介质网络系统为骨干分支,无线传感器网络系统和现场 485 现场总线网络等为骨干末梢，形成了一体式的异构网络平台，实现井下信息与监测系统的数据实时动态交互。图 1监测预警系统网络架构图1.2煤自燃特征信息的智能采集分析监测及预警系统采集的终端硬件配置包括主处理器、以太网传输接口、RS485 以太网通讯传输接口、FPGA 主处理器、固态硬盘存储、驱动控制电路板等，主处理器直接负责监测整个监控系统设备的自动调度，FPGA 主处理器可对热红外成像等传感器对采集得到的实时图像信号实时进行加工处理，存储器模块为存储井下采集数据信息并提供存储空间，以太网数据传输接口为联接采集系统终端实现与远程监控网络通讯，使多参数传感器所采集的数据实时动态传输。1.3以太网接口与 RS485 电路设计RS485 与以太网电路如图 2 所示。图 2RS485 与以太网电路图RS485 的驱动电路由三极管 PMDT3904 及相关元器件构成，是在监测预警系统采集分析终端中用来接入总线通信协议的设备。ENC28J60 内部配置的DMA 模块还可直接实现数据的 IP 校验采集和计算，其中晶振、电容、电阻等负责将终端采集的动态数据以及预警信号实时传输到地面监控站。2工程实践应用方案设计2.1钻孔测点布置根据唐口煤矿工作面沿空侧和采空区工作面以及密闭区的施工实际作业情况，分别在 6304 皮顺密闭、6304 轨顺密闭、6305 皮顺密闭、6305 轨顺密闭、6306 皮顺密闭、6306 轨顺密闭、6307 皮顺密闭、6307 轨顺密闭出布置一个钻孔测点，对工作面进风流气体和回风流对气体流量进行全天候实时跟踪监测。监测点的布置方式如图 3 所示。图 3钻孔测点布置图2023 年第 2 期煤矿现代化第 32 卷652.2束管布置钻孔内部署 12 寸套管，套管内布置 2 根单芯束管（其中测压差的 1 根单芯束管长度 3 m 左右，测气体浓度的 1 根单芯束管长度 48 m，束管长度小于套管长度，钻孔孔口填入炮泥或快硬水泥封堵一段距离,保证套管气密性），2 根单芯束管分别连接矿用本安型多参数传感器的压差接头和气体采集接头。2.3传感器及主机布置矿用本安型多参数传感器固定于煤壁帮处，先通过 485 总线网络接入矿用本安型监测装置主机，主机再通过 630 采区环网交换机上传到地面监控中心。电源距传感器距离控制在 150 m 以内。传感器及主机（基站）布置方案如图 4 所示。3应用效果分析通过对 6304、6305、6306 和 6307 工作面各测点设置与部署，将采空区内的监测数据传输给井下矿用本安型无线监测基站,最后通过通信光纤传输至地面监测系统。3.1采空区温度数据分析以 6304 工作面为例，对各个测点监测后的温度数据进行分析，如图 5 和图 6 所示。6304 号掘进工作面全部巷道采用东西南北走向一致的长壁后退式综采放顶煤采煤法进行工作面开采，液压支架及液压自动跟抬升机用于支护巷道顶板，全部矿井用垮落法进行管理采空区。每天推采 3 个循环，每循2023 年第 2 期煤矿现代化第 32 卷图 4传感器及主机布置方案环进尺 0.865 m，平均煤厚高度 9.68 m，回采率不低于 85%。平均每月生产天数按 27.5 d，月产煤量153 956.55 t。图 51、2 号测点温度变化曲线图图 63、4 号测点温度变化曲线图图 5、图 6 分析可知，总体上，从监测全过程看出，采空区内温度变化幅度不大。推进时，进风侧 1、2 号测点温度增加较快，随后放缓，温度变化范围为6625.334.0，最高上升 8.7，最后在 28.7附近波动；回风侧 3、4 号测点的温度升高后也开始逐渐降低，温度变化范围为 26.531.2，变化量为4.7。通过结合以上的温度指标进行分析研究可知，6304 工作面采空区的内部遗失煤岩在观测期间发生的自燃或氧化燃烧程度可能较低。3.2采空区 CO 浓度数据分析采空区各个测点 CO 浓度数据见图 7 和图 8。图 71、2 号测点 CO 浓度变化曲线图图 83、4 号测点 CO 浓度变化曲线图图 7-8 通过分析可知，进风机侧 1、2 号观测点的空气 CO 浓度整体上呈降低趋势，最大值为 11310-6。随着工作面深度的继续推进，测深点埋入采空区的深度也不断增加，CO