超長煤巷監(jiān)測數(shù)據(jù)背景CO篩查及自燃預(yù)判研究

李 騰，李宗翔，王繼仁，楊富強(qiáng)，張春華，賈進(jìn)章

(1.遼寧工程技術(shù)大學(xué) a.安全科學(xué)與工程學(xué)院；b.安全科學(xué)與工程研究院,遼寧 阜新 123000；2.蘇州金像電子有限公司,江蘇 蘇州 215000；3.昊華紅慶梁煤業(yè)有限公司,內(nèi)蒙古 鄂爾多斯 014300)

CO作為煤自燃災(zāi)害氣體，最早被用于自燃早期預(yù)判，并積累了大量經(jīng)驗(yàn)[14-17]，但在井下大量使用柴油車的礦井如何排除尾氣干擾，發(fā)揮傳統(tǒng)方法作用，這里結(jié)合紅慶梁礦的工程實(shí)際，提出一種篩選出背景CO氣體體積分?jǐn)?shù)的方法，利用井下監(jiān)測系統(tǒng)連續(xù)監(jiān)測的大數(shù)據(jù)，根據(jù)其變化趨勢進(jìn)行自燃預(yù)判。

1 超長煤巷自燃預(yù)測面臨的問題及其解決對策

如圖1所示，紅慶梁煤礦超長距離雙煤巷布置，連同接替工作面掘進(jìn)準(zhǔn)備，煤巷數(shù)目多達(dá)6～8條，管理范圍很大，煤巷自燃(包括煤柱自燃)嚴(yán)重。

有多條超長煤巷的自燃隱患排查戰(zhàn)線過長，單純依靠人工巡檢，一來人手不足，二來長時(shí)間工作極容易渙散注意力，三是煤體內(nèi)自燃點(diǎn)發(fā)熱隱蔽性很強(qiáng)，容易漏掉，如圖2所示，解決對策是自燃的早期預(yù)測。

圖1 紅慶梁煤礦11301工作面回采巷道的布置(網(wǎng)格距200 m)Fig.1 The layout of the working face 11301 in Hongqingliang coal mine

圖2 煤巷自燃人工巡查與提前預(yù)判的關(guān)系 Fig.2 The relationship between artificial inspection and advance prediction of spontaneous combustion in coal roadway

首先，作為全礦井煤自然發(fā)火預(yù)警體系，通過實(shí)驗(yàn)獲得紅慶梁煤礦3-1煤的自燃產(chǎn)氣與溫度的關(guān)系，選出煤的自燃升溫標(biāo)志性氣體，詳細(xì)見表1，為預(yù)防判斷采空區(qū)遺留煤和煤巷煤炭自燃預(yù)警提供了依據(jù)。

表1 紅慶梁煤礦3-1煤標(biāo)志性氣體自燃預(yù)警指標(biāo)Table 1 Early warning index of 3-1 coal mark gas of spontaneous combustion in hongqingliang coal mine

與大面積采空區(qū)漏風(fēng)流場煤自燃氧化的情況不同，巷道煤體內(nèi)的自燃具有很強(qiáng)的隱蔽性。超長距離局部段煤巷煤體內(nèi)部自燃氧化產(chǎn)物氣體絕對量有限，自燃陰燃階段標(biāo)志性氣體的外泄絕對量很少，超長距離大斷面煤巷的通風(fēng)量至少在500 m3/min(掘進(jìn)巷風(fēng)量)以上，自燃標(biāo)志性氣體衰減大；另一個(gè)因素是該礦區(qū)普遍為不黏煤，不黏煤的指標(biāo)氣體的產(chǎn)氣絕對量更少，與短巷情況相比，盡管超長巷道多點(diǎn)高溫釋放標(biāo)志氣體，還存在標(biāo)志氣體累積的情況，但從本礦的實(shí)際情況看，多次發(fā)生巷道自燃均無法測到標(biāo)志性氣體，如2018年在9月3日11302輔運(yùn)順槽二聯(lián)巷東幫第一次發(fā)生煤柱自燃火災(zāi)，為了加強(qiáng)對超長距離掘進(jìn)煤巷道自燃預(yù)判工作，在11302掘進(jìn)準(zhǔn)備的多條掘進(jìn)巷道的總回風(fēng)交匯點(diǎn)處(11302第二聯(lián)巷回風(fēng)側(cè))增設(shè)了標(biāo)志氣體取樣點(diǎn)，每天取氣樣化驗(yàn)3次，但直到2018年11月19日11302新回順里段82排煤幫發(fā)熱，和2019年3月14日11302新回順外段100排煤幫發(fā)熱，均未檢測到風(fēng)流中的指標(biāo)氣體，未能對自然發(fā)火提前預(yù)報(bào)?？梢?，就本礦超長距離巷道自燃預(yù)測預(yù)報(bào)來說，單純依靠在回風(fēng)流中取樣檢測自燃產(chǎn)物氣體很容易漏報(bào)，因此，在預(yù)測預(yù)報(bào)管理上，還應(yīng)拓寬預(yù)判的信息渠道，提出以礦井監(jiān)測系統(tǒng)CO記錄數(shù)據(jù)為可用條件，為煤巷自燃的早期判斷和預(yù)警提供依據(jù)。

2 監(jiān)測系統(tǒng)CO干擾與背景CO體積分?jǐn)?shù)篩選

2.1 柴油機(jī)動(dòng)車尾氣干擾下監(jiān)測系統(tǒng)CO的波動(dòng)性

紅慶梁煤礦主采3#煤層，煤的變質(zhì)程度為貧瘦煤、自燃傾向性為易自燃。井下普遍使用柴油工作車、鏟車和皮卡等機(jī)動(dòng)車輛(以下簡稱柴油車)，排放的汽車尾氣對井下CO氣體的干擾非常大，煤氧化產(chǎn)生CO氣體隱含在嘈雜的監(jiān)測數(shù)據(jù)當(dāng)中。如圖3所示，據(jù)2018年11月23日在井下11302回風(fēng)煤巷實(shí)地記錄，1 d中回風(fēng)傳感器平時(shí)顯示值為1.1×10-5，當(dāng)有車經(jīng)過車經(jīng)過傳感器時(shí)傳感器CO體積分?jǐn)?shù)值顯示為1.9×10-5；圖3中全程監(jiān)測記錄(最小值曲線峰值)高達(dá)4.8×10-5。車輛排放的尾氣的影響與車輛所在位置和發(fā)動(dòng)機(jī)工作有關(guān)，距離傳感器越遠(yuǎn)，尾氣CO干擾峰值就越小。

圖3 11302新掘工作面CO體積分?jǐn)?shù)原始監(jiān)測曲線(最小平均最大)Fig.3 Original monitoring curve of CO volume fraction in 11302 newly excavated working face (min-average-max)

2.2 井下CO產(chǎn)生來源分析

井下柴油車尾氣的干擾是強(qiáng)烈的，隨機(jī)的，無規(guī)律可循。與此波動(dòng)相對比，煤體緩慢自燃氧化產(chǎn)生的CO是持續(xù)不斷的，是相對穩(wěn)定的；CO的變化趨勢也隨著自燃進(jìn)程的成長發(fā)展而緩慢增加。通過對大量監(jiān)測數(shù)據(jù)的觀察分析得到，盡管受通風(fēng)、大氣壓變化和生產(chǎn)條件變動(dòng)等因素的干擾CO存在很大的波動(dòng)，但都是呈現(xiàn)階段性的，每個(gè)階段內(nèi)的波動(dòng)變化的趨勢仍然是增加的，在這種情況下，所表現(xiàn)的背景CO體積分?jǐn)?shù)變化趨勢也是隨著自燃的發(fā)展呈逐漸緩慢上升的趨勢。

井下實(shí)際監(jiān)測總的CO體積分?jǐn)?shù)包含如下幾部分，即

C=C0+CJ+CF，且Cb=C0+CF，

(1)

式中：C為監(jiān)測的CO體積分?jǐn)?shù)，10-6；C0為煤巷圍幫氧化釋放CO體積分?jǐn)?shù)，10-6；CJ為井下柴油機(jī)動(dòng)車尾氣釋放產(chǎn)生CO的體積分?jǐn)?shù)，10-6；一般CJ為隨機(jī)波動(dòng)值，在井下CO氣體觀測中是干擾因素；CF為可能發(fā)生的其他因素局部釋放出CO體積分?jǐn)?shù)，10-6；Cb為相對穩(wěn)定的背景CO體積分?jǐn)?shù)，10-6。

實(shí)際礦井的CO來源很復(fù)雜，除了柴油車尾氣CO排放外，井下涂刷油漆、爆破及燒焊等臨時(shí)作業(yè)也會(huì)產(chǎn)生CO，這些影響時(shí)間短，因此CF可根據(jù)時(shí)間在短期內(nèi)消失判斷容易排除。

2.3 尾氣干擾下背景CO體積分?jǐn)?shù)的概念

所謂背景CO體積分?jǐn)?shù)是指在有柴油機(jī)動(dòng)車工作的礦井某一獨(dú)立通風(fēng)區(qū)域，在某一足夠長的時(shí)間段的某一時(shí)刻，所有柴油車都不工作(不受尾氣干擾的極端情況)，且被監(jiān)測系統(tǒng)記錄到的CO體積分?jǐn)?shù)值。這里將該時(shí)間段稱為時(shí)間單元，某一時(shí)刻是監(jiān)測系統(tǒng)采集數(shù)據(jù)的時(shí)間點(diǎn)。同時(shí)做出假設(shè)：1)在井下同時(shí)存在有限個(gè)柴油車工作的場所，總有一時(shí)刻是所有柴油車同時(shí)不工作的短暫熄火時(shí)間，即總能找到至少一個(gè)背景CO體積分?jǐn)?shù)值；2)在沒有柴油車尾氣排放的短暫時(shí)刻，忽略其他CO產(chǎn)生源，只有煤氧化生成的CO；3)在足夠長的時(shí)間單元內(nèi)，即便找不到柴油車同時(shí)暫停工作的暫停短暫時(shí)間空隙，也是柴油車工作臺(tái)數(shù)最少、更接近于背景CO體積分?jǐn)?shù)的值。假設(shè)(3)是假設(shè)(1)的條件補(bǔ)充。

在考察時(shí)間單元確定后，監(jiān)測數(shù)據(jù)中背景CO體積分?jǐn)?shù)可表達(dá)為

(2)

式中：Cb,i為背景CO體積分?jǐn)?shù)的觀測值，10-6；i為篩查時(shí)間單元序列號，無因次；j為監(jiān)測系統(tǒng)的時(shí)間序列點(diǎn)，無因次；ni為第i考察時(shí)間單元內(nèi)的監(jiān)測數(shù)據(jù)點(diǎn)的個(gè)數(shù)；τi為第i考察時(shí)間單元的時(shí)間，min，按經(jīng)驗(yàn)取值，一般取一天或數(shù)小時(shí)；τd為監(jiān)測系統(tǒng)采集數(shù)據(jù)的間隔時(shí)間，min，一般取5 min。

2.4 從監(jiān)測系統(tǒng)數(shù)據(jù)中篩選背景CO體積分?jǐn)?shù)的方法

在對監(jiān)測系統(tǒng)記錄下來監(jiān)測大數(shù)據(jù)中篩查，就是找到這個(gè)最低值——背景CO體積分?jǐn)?shù)，這樣就可以篩除汽車尾氣干擾因素。再根據(jù)背景CO體積分?jǐn)?shù)的變化趨勢，觀察是否有自燃現(xiàn)象。

運(yùn)用CO氣體作為自燃預(yù)報(bào)的關(guān)鍵在于獲得背景CO體積分?jǐn)?shù)，其中最重要的是如何選取時(shí)間單元。井下巷道中的各種柴油車都在不停地工作，篩選背景CO體積分?jǐn)?shù)的時(shí)間單元周期越長，篩分出煤氧化生成的CO的可能性就越大；即便是找不到所有柴油車全停歇時(shí)間(實(shí)際上不大可能)，那得到的也是柴油車工作臺(tái)數(shù)最少時(shí)的結(jié)果，對CO的干擾最小。背景CO體積分?jǐn)?shù)值，還可以通過井下實(shí)測得到，就是利用交接班時(shí)間令所測區(qū)的所有柴油工作車停車熄火半個(gè)小時(shí)，然后記錄在無尾氣干擾時(shí)CO體積分?jǐn)?shù)值，但這樣做會(huì)影響生產(chǎn)。實(shí)際上監(jiān)測系統(tǒng)記錄下來背景CO體積分?jǐn)?shù)多為這個(gè)時(shí)刻，因此兩者也不存在矛盾。

對監(jiān)測系統(tǒng)大量數(shù)據(jù)，按時(shí)間單元篩分的背景CO體積分?jǐn)?shù)的原理或可表達(dá)成

(3)

式中：CCO,i為包含煤氧化產(chǎn)生CO氣體的背景CO體積分?jǐn)?shù)，10-6；τi,0、τi,24分別為篩查時(shí)間單元周期內(nèi)的起、止時(shí)間，min，一般為數(shù)小時(shí)或1 d；C(τi)為監(jiān)測系統(tǒng)的時(shí)間點(diǎn)上CO觀測值，min；i為監(jiān)測系統(tǒng)的時(shí)間序列點(diǎn)，min。

如圖4所示，背景CO體積分?jǐn)?shù)為陰影部分，原理一目了然。結(jié)合紅慶梁煤礦11302回風(fēng)掘進(jìn)回風(fēng)CO監(jiān)測最小值波動(dòng)監(jiān)測曲線，從2018年10月22日—11月22日巷幫自燃前一個(gè)月的監(jiān)測系統(tǒng)CO數(shù)據(jù)，當(dāng)取時(shí)間單元周期為0.125 d和0.5 d時(shí)的篩查背景CO體積分?jǐn)?shù)作對比，由圖4(b)和圖4(c)，隨著考察時(shí)間單元的不斷延長，CO體積分?jǐn)?shù)曲線越來越低，波動(dòng)減小，背景CO體積分?jǐn)?shù)曲線越來越清晰；證明了背景CO體積分?jǐn)?shù)的客觀存在性。這意味著柴油車尾氣CO的干擾逐漸更接近于0(被剔除)。

圖4 時(shí)間單元為0.125 d和0.5 d時(shí)背景CO體積分?jǐn)?shù)篩選結(jié)果對比Fig.4 Comparison of background CO volume fraction screening results at 0.125 day and 0.5 day time units

圖4(c)中的紅點(diǎn)線是處于CO波動(dòng)的底緣，紅點(diǎn)是時(shí)間單元(考察期段)的CO最低點(diǎn)，也就是圖4(b)和圖5(a)的點(diǎn)紅線，紅點(diǎn)線以上高出部分都屬于波動(dòng)較大的含干擾數(shù)據(jù)，予以篩除，波動(dòng)抄底取底緣線以下部分(陰影區(qū))作為背景CO體積分?jǐn)?shù)，根據(jù)前面定義假設(shè)，其中絕大部分包含著煤自然氧化生成CO氣體。

3 區(qū)域背景CO體積分?jǐn)?shù)的趨勢預(yù)測方法

3.1 背景CO異常和自燃預(yù)判準(zhǔn)則

在一個(gè)系統(tǒng)相對穩(wěn)定的自然發(fā)火考察時(shí)間內(nèi)，背景CO體積分?jǐn)?shù)一直在緩慢持續(xù)穩(wěn)定增長。

所謂系統(tǒng)相對穩(wěn)定期是指通風(fēng)、人員施工管理和巷道系統(tǒng)等條件都不變的情況，當(dāng)?shù)V井系統(tǒng)各因素有明顯變化，對自燃環(huán)境影響較大，背景CO體積分?jǐn)?shù)變化的水平也產(chǎn)生明顯差異，即不一定在一個(gè)水平上。

如圖5所示，在十一放假停產(chǎn)期間最有利于煤柱的自燃氧化，節(jié)后的礦井恢復(fù)生產(chǎn)一段時(shí)間，背景CO體積分?jǐn)?shù)偏高，波動(dòng)也較大；隨著生產(chǎn)逐漸正規(guī)，系統(tǒng)進(jìn)入穩(wěn)定狀態(tài)，且恢復(fù)生產(chǎn)后及時(shí)進(jìn)行重點(diǎn)巡檢和發(fā)熱區(qū)處理，背景CO體積分?jǐn)?shù)隨之大幅度降低，煤柱的自燃氧化也進(jìn)入一個(gè)新的階段(條件環(huán)境)。

圖5 正常掘進(jìn)時(shí)不同時(shí)間單元背景CO體積分?jǐn)?shù)變化趨勢(周期為0.125 d)Fig.5 Variation trend of background CO volume fraction in different time units during normal driving

3.2 自然發(fā)火預(yù)判考察期的確定

所謂自然發(fā)火預(yù)測考察期，是指區(qū)別于外因火災(zāi)短時(shí)間發(fā)生的能反映內(nèi)因火災(zāi)煤自燃緩慢持續(xù)增長的時(shí)間。自燃預(yù)測考察期的確定與煤的最短自然發(fā)火期有關(guān)，長則直接按煤的最短自然發(fā)火期，但此時(shí)可能煤已經(jīng)發(fā)生了自燃，短則按其一部分，本礦實(shí)驗(yàn)3-1煤的最短自然發(fā)火期是27 d，取1周或數(shù)周，這樣可預(yù)測到自燃正在成長過程中，預(yù)測到早期發(fā)熱階段，視具體情況和經(jīng)驗(yàn)而定。圖5中是截取十一放假后恢復(fù)正常掘進(jìn)時(shí)的CO監(jiān)測值，連續(xù)11 d背景CO體積分?jǐn)?shù)有持續(xù)升高趨勢，直到出現(xiàn)煤柱自燃和多點(diǎn)發(fā)熱。

煤炭自燃是緩慢的，如果背景CO體積分?jǐn)?shù)在10 d左右考察期內(nèi)連續(xù)走高，就可以斷定沿途巷道有自燃高溫?zé)狳c(diǎn)，然后再有目的和針對性地在巷道沿途進(jìn)行仔細(xì)排查。

如圖6所示，新階段經(jīng)過從8—22日累計(jì)16 d的煤自燃考察期，背景CO體積分?jǐn)?shù)漸且持續(xù)升高，接近之前的十一節(jié)后恢復(fù)生產(chǎn)期間(前一期)的背景CO體積分?jǐn)?shù)水平，圖6中趨勢線是隨著煤巷氧化線性增大，符合自然發(fā)火緩慢持續(xù)增長的特征，說明監(jiān)測范圍內(nèi)巷道煤柱內(nèi)有自燃趨勢，有自燃熱點(diǎn)存在。經(jīng)過人工有目的地仔細(xì)巡查，確認(rèn)3處發(fā)熱點(diǎn)，煤壁溫度分別為27 ℃、29 ℃和31 ℃，高于平時(shí)最高值24 ℃(隱蔽性很強(qiáng)不易被發(fā)現(xiàn))，經(jīng)打鉆取氣樣化驗(yàn)確認(rèn)后注防火劑滅火，背景CO體積分?jǐn)?shù)又逐漸下降。

圖6 周期為1 d時(shí)的背景CO體積分?jǐn)?shù)篩選結(jié)果與預(yù)測分析Fig.6 Screening results and prediction analysis of background CO volume fraction with a period of one day

3.3 趨勢回歸分析自燃預(yù)判及其斜率確定

在通風(fēng)量等條件不變的前提下，監(jiān)測系統(tǒng)時(shí)間序列的背景CO體積分?jǐn)?shù)變化趨勢回歸預(yù)測模型

CCO,E=k1τk，

(4)

分三級預(yù)警：

k1≤0，無自燃危險(xiǎn)，安全狀態(tài)。

3.4 可能有自燃危險(xiǎn)(應(yīng)重點(diǎn)加強(qiáng)巡查)的工作流程

超長煤巷自燃預(yù)判的重點(diǎn)關(guān)鍵是如何進(jìn)入排查。如果有連續(xù)的CO體積分?jǐn)?shù)超出背景CO體積分?jǐn)?shù)預(yù)測線，且維持一定考察時(shí)間時(shí)，就應(yīng)啟動(dòng)重點(diǎn)排查。

每一次的超長煤巷自燃預(yù)判應(yīng)保留數(shù)據(jù)，繼承經(jīng)驗(yàn)，不斷通過現(xiàn)場實(shí)際反復(fù)驗(yàn)證。運(yùn)用該方法對紅慶梁礦發(fā)生過的多起煤柱內(nèi)部自燃煤幫升溫現(xiàn)象進(jìn)行了成功預(yù)報(bào)，例如2018年12月16日預(yù)測CO異常，用紅外測溫成像儀巡查發(fā)現(xiàn)原火點(diǎn)再次發(fā)熱，煤壁表面溫度最高42 ℃，2019年3月19日11302新回風(fēng)順槽里段407排非開采幫有發(fā)熱點(diǎn)，通過人工紅外熱成像儀觀測巡查，在向煤體打鉆探測與滅火中，均檢測出有乙烯C2H4、乙炔C2H2、丙烷C3H8氣體出現(xiàn)，以此確認(rèn)煤體內(nèi)部的確呈自燃狀態(tài)。

以上工作過程的簡單邏輯如下：

通過背景CO體積分?jǐn)?shù)預(yù)測CO異常上升現(xiàn)象(本文主旨)→進(jìn)入“重點(diǎn)巡查”這一步，找到高溫區(qū)→對疑似火區(qū)打鉆，用C2H4、C2H2、C3H8氣體“確認(rèn)內(nèi)部呈自燃狀態(tài)”→滅火處理。

4 超長煤巷自燃多渠道聯(lián)合預(yù)警防滅火體系的探討

通過上述識別巡查，紅慶梁礦多次發(fā)現(xiàn)過煤柱內(nèi)部自燃煤幫升溫現(xiàn)象，在向煤體打鉆探測取氣樣，均檢測出有C2H4、C2H2和C3H8氣體出現(xiàn)，以此判斷煤體內(nèi)部呈自燃狀態(tài)，然后滅火。

圖7 多渠道預(yù)報(bào)融合煤巷自燃管控關(guān)系Fig.7 Multi-channel forecast and control of spontaneous combustion of fusion coal roadway

本文中的“自燃早期預(yù)測”的目的，是判斷是否可以上升到“重點(diǎn)巡查”的環(huán)節(jié)，所謂重點(diǎn)巡查，就是已知危險(xiǎn)的情況下，重新調(diào)配增加人員，多臺(tái)儀器并行，增加巡查時(shí)間，提高注意力，使巡查工作有的放矢。同時(shí)結(jié)合其他因素手段，如暫停柴油車工作，進(jìn)行分段排查；重點(diǎn)排查老舊火區(qū)等。

5 結(jié) 語

1)利用井下監(jiān)測系統(tǒng)大數(shù)據(jù)篩選提取背景CO體積分?jǐn)?shù)，以此預(yù)測自燃趨勢，彌補(bǔ)了單純用標(biāo)志性氣體方法不顯現(xiàn)的問題，對超長煤巷隱蔽性自燃做出早期預(yù)判，使人工巡查工作有的放矢。用背景CO體積分?jǐn)?shù)趨勢法，可為煤巷自燃提供比標(biāo)志性氣體法更早期的自燃判讀。

作為一種輔助的分析手段和渠道，應(yīng)該與人員巡查、標(biāo)志性氣體跟蹤檢測，以及分布式光纖測溫系統(tǒng)(DTS)在線監(jiān)測等多手段聯(lián)合使用。方法更精準(zhǔn)信息提取還有待于進(jìn)一步完善。

2)背景CO體積分?jǐn)?shù)篩查的時(shí)間單元盡可能取大，這里取1 d，滿足過濾掉柴油車尾氣強(qiáng)烈干擾的要求；根據(jù)最短發(fā)火期(一定折算比例)選取預(yù)測觀察期，根據(jù)已有自燃案例數(shù)據(jù)確定背景CO體積分?jǐn)?shù)上升變化率臨界值，為超長煤巷自燃早期預(yù)報(bào)提供量化的依據(jù)。預(yù)判依賴礦井監(jiān)測系統(tǒng)，也為監(jiān)測系統(tǒng)管理提出更高的要求，保證監(jiān)測數(shù)據(jù)的真實(shí)性，尤其在CO超限期間，不能隨意調(diào)整監(jiān)測的數(shù)據(jù)。

3)煤自燃不是頻繁大量出現(xiàn)的事件，紅慶梁礦又是新投產(chǎn)礦井，尚不能用更多樣本對預(yù)判準(zhǔn)確度做概率統(tǒng)計(jì)分析(文中未能給出)，今后還需要不斷修正、總結(jié)和完善。