一种矿井煤自燃分级预警与主动分级防控方法与流程

本发明属于煤自燃防控技术领域，具体涉及一种矿井煤自燃分级预警与主动分级防控方法。

背景技术：

矿井自燃火灾容易引发矿井瓦斯爆炸，灭火时常伴随水煤汽爆炸，火灾产生的有毒有害气体在井下一维空间流动，给矿工生命安全造成极大威胁，煤矿每年由于自燃造成的直接和间接经济损失近百亿元。我国存在自燃发火煤矿的比重大约占重点煤矿的52％，自燃发火的比重占到了发火总数的90％以上，因此井下煤层火灾预报的愈早、愈准确，则扑灭火灾所需的人力、物力愈少，救援亦容易。只要能够准确、适时地进行煤层火灾的预报，就能做到有的放矢地采取预防煤层火灾的措施，提高措施的针对性和有效性，从而提高煤矿防火工程的经济效益。

然而，目前煤自燃发火早期危险预报方法主要有气体分析法、测温法、光电法、电离法、烟雾法、磁力预测法等，但由于煤自燃的特殊性、现场条件的复杂性等特点，导致此类危险预警方法难以满足现代集约化矿井生产的需要。大部分煤炭企业主要利用束管监测系统和安全监控系统对矿井火灾进行检测、预报，这些方法一般只对某一单一火灾气体指标的监测，综合分析预报的功能还不完善，只能针对单指标超限进行预警，尤其是没有考虑到煤的自燃程度和氧气浓度之间的关系，各类火灾监测预报系统独立运行，信息共享差，缺少对火灾信息的全面采集、处理和综合分析，系统误报率较高，难以准确判定火灾位置，达到危险预警的目的。

技术实现要素：

本发明所要解决的技术问题在于针对上述现有技术中的不足，提供一种矿井煤自燃分级预警与主动分级防控方法，利用多个气体指标，考虑氧气浓度变化与煤自燃程度的关系，改进原来只能凭借单一指标气体的预警方法，综合定量地分析煤自燃的程度，提高煤自燃的预警准确度，从而总结出分级预警方法，达到主动防控的目的，便于推广使用。

为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：一种矿井煤自燃分级预警与主动分级防控方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：

步骤一、井下环境数据采集：在井下工作面煤层、回风隅角支架后部采空区、上巷迎头、下巷迎头和顶板瓦斯巷迎头位置均放置多个环境数据采集器实时采集井下环境数据，所述环境数据采集器通过有线或无线的通信方式将井下环境数据上传至地面上的工控机，工控机通过显示器将井下环境数据实时显示；

所述环境数据采集器包括氧气浓度采集器、一氧化碳浓度采集器、二氧化碳浓度采集器、温度采集器、乙炔浓度采集器、乙烯浓度采集器、乙烷浓度采集器和甲烷浓度采集器；

步骤二、判断井下煤层中是否出现乙烯：利用所述环境数据采集器实时采集井下煤层气体成分，当乙烯浓度采集器未采集到有乙烯气体时，执行步骤三；当乙烯浓度采集器采集到有乙烯气体时，采空区温度处于90℃～115℃，执行步骤七；

步骤三、判断井下煤层中一氧化碳浓度变化量与氧气浓度变化量比值是否小于氧化阈值：工控机设定氧化阈值为α，利用氧气浓度采集器实时采集井下煤层氧气浓度，利用一氧化碳浓度采集器实时采集井下煤层一氧化碳浓度，工控机根据公式计算一氧化碳浓度变化量与氧气浓度变化量的实时比ζ，其中，δnco为一氧化碳浓度变化量，为氧气浓度变化量，当ζ<α时，执行步骤四；当ζ≥α时，采空区温度处于50℃～60℃，执行步骤六；

步骤四、判断是否启动矿井煤自燃一级预警并实施主动一级防控：工控机实时获取矿井煤自燃一级预警条件r，当矿井煤自燃一级预警条件r满足时，采空区温度小于50℃，执行步骤五；否则，循环步骤二；其中，nco为一氧化碳浓度值，为氧气浓度值；

步骤五、矿井煤自燃一级预警和主动一级防控：工控机控制报警器实施矿井煤自燃一级预警，报警器由提示矿井煤自燃一级预警的第一报警器、提示矿井煤自燃二级预警的第二报警器、提示矿井煤自燃三级预警的第三报警器和提示矿井煤自燃四级预警的第四报警器组成；同时，矿工实施工作面动态推进的主动一级防控，在采掘过程中，加快工作面推采速度，加强巷道支护，并在巷道表面采取喷涂堵漏层，封堵巷道表面或煤层表面裂隙；

步骤六、矿井煤自燃二级预警和主动二级防控：工控机控制第二报警器实施矿井煤自燃二级预警；同时，在主动一级防控的基础上，采用封堵墙封堵回风隅角支架后部采空区端头，降低回风隅角支架后部采空区内氧气浓度；

步骤七、矿井煤自燃三级预警和主动三级防控：工控机控制第三报警器实施矿井煤自燃三级预警；同时，在主动二级防控的基础上，给回风隅角支架后部采空区端头注入矿用灭火气体，降低氧气浓度；

步骤八、判断井下煤层中乙烯浓度值与乙烷浓度值的实时比是否达到最大值：工控机给定乙烯浓度值与乙烷浓度值的最大比k，利用乙烯浓度采集器实时采集井下煤层乙烯浓度，利用乙烷浓度采集器实时采集井下煤层乙烷浓度，工控机根据公式计算乙烯浓度值与乙烷浓度值的实时比η，当η达到最大比k时，采空区温度处于150℃～180℃，执行步骤九；当η未达到最大比k时，循环步骤七；其中，为乙烯浓度值，为乙烷浓度值；

步骤九、矿井煤自燃四级预警和主动四级防控：工控机控制第四报警器实施矿井煤自燃四级预警；同时，在主动三级防控的基础上，无法迅速控制火灾并危及工作面安全生产时，须封闭工作面，并迅速钻孔向火灾区域灭火，灌注灭火材料，覆盖高温煤体，熄灭火区。

上述的一种矿井煤自燃分级预警与主动分级防控方法，其特征在于：所述氧化阈值α满足：0.2<α<0.4。

上述的一种矿井煤自燃分级预警与主动分级防控方法，其特征在于：所述第一报警器为蓝色指示灯，所述第二报警器为黄色指示灯，所述第三报警器为橙色指示灯，所述第四报警器为红色指示灯。

上述的一种矿井煤自燃分级预警与主动分级防控方法，其特征在于：所述堵漏层为罗克休堵漏层或速凝水泥浆堵漏层。

本发明与现有技术相比具有以下优点：

1、本发明通过判断井下煤层中是否出现乙烯作为判断煤自燃的标志性气体，由于煤矿中乙烷气体通常原本就存在，不能单纯的依靠乙烷气体来判断煤升温情况，需要同一氧化碳气体联合分析，而乙烯气体是在升温后期，超过裂解温度后产生的，出现乙烯气体，说明煤温度超过了裂解温度，利用多个气体指标，考虑氧气浓度变化与煤自燃程度的关系，改进原来只能凭借单一指标气体的预警方法综合分析煤自燃的程度，提高煤自燃的预警准确度，便于推广使用。

2、本发明对煤自燃分四级预警，预测准确，适用范围广，便于煤矿相关管理人员和技术人员所掌握，并对四级预警提出四级主动防控，为主动防控技术了理论基础，使得主动防控措施的提出有理可据，为主动防控创造了可能，使得原来对于易自燃煤层着火后被动灭火转变现在未着火主动防火，原来大面积预先防火灭火变为现在小面积精确预先防火灭火，使得防灭火的效果更为突出可靠，为煤矿企业节省了大量的人力、物力和财力，具有很高的实用价值，可靠稳定，使用效果好。

综上所述，本发明利用多个气体指标，考虑氧气浓度变化与煤自燃程度的关系，改进原来只能凭借单一指标气体的预警方法，综合定量地分析煤自燃的程度，提高煤自燃的预警准确度，从而总结出分级预警方法，达到主动防控的目的，便于推广使用。

下面通过附图和实施例，对本发明的技术方案做进一步的详细描述。

附图说明

图1为本发明的电路原理框图。

图2为本发明的方法流程框图。

附图标记说明:

1—工控机；2—显示器2；3-1—氧气浓度采集器；

3-2—一氧化碳浓度采集器；3-3—二氧化碳浓度采集器；

3-4—温度采集器；3-5—乙炔浓度采集器；3-6—乙烯浓度采集器；

3-7—乙烷浓度采集器；3-8—甲烷浓度采集器；4—报警器。

具体实施方式

如图1和图2所示，本发明的一种矿井煤自燃分级预警与主动分级防控方法，包括以下步骤：

步骤一、井下环境数据采集：在井下工作面煤层、回风隅角支架后部采空区、上巷迎头、下巷迎头和顶板瓦斯巷迎头位置均放置多个环境数据采集器实时采集井下环境数据，所述环境数据采集器通过有线或无线的通信方式将井下环境数据上传至地面上的工控机1，工控机1通过显示器2将井下环境数据实时显示；

所述环境数据采集器包括氧气浓度采集器3-1、一氧化碳浓度采集器3-2、二氧化碳浓度采集器3-3、温度采集器3-4、乙炔浓度采集器3-5、乙烯浓度采集器3-6、乙烷浓度采集器3-7和甲烷浓度采集器3-8；

需要说明的是，矿井煤自燃过程中，气体成分不断的发生变化，利用环境数据采集器分别采集氧气浓度、一氧化碳浓度、二氧化碳浓度、煤温、乙炔浓度、乙烯浓度、乙烷浓度和甲烷浓度，煤自燃发火起始阶段甲烷浓度极大，此时煤温为30℃～45℃，瓦斯脱附速度加快；当氧气参与氧化反应，耗氧加剧，氧气浓度降幅加大，一氧化碳和二氧化碳浓度增大，氧化升温开始加快，对应煤温为50℃～55℃(临界温度52.6℃)；当煤温继续升高，氧气浓度剧降，一氧化碳和二氧化碳浓度剧增，温度变化率剧增，达到裂解温度，对应煤温为90℃～115℃(裂解温度113℃)；超过裂解温度后，出现乙烯气体，升温速度又一次加快，对应煤温为150℃～180℃(裂变温度172℃)，根据煤自燃规律，煤温数小时内即可超过380℃燃点。

步骤二、判断井下煤层中是否出现乙烯：利用所述环境数据采集器实时采集井下煤层气体成分，当乙烯浓度采集器3-6未采集到有乙烯气体时，执行步骤三；当乙烯浓度采集器3-6采集到有乙烯气体时，采空区温度处于90℃～115℃，执行步骤七；

需要说明的是，由于煤矿中乙烷气体通常原本就存在，不能单纯的依靠乙烷气体来判断煤升温情况，需要同一氧化碳气体联合分析，而乙烯气体是在升温后期，超过裂解温度后产生的，出现乙烯气体，说明煤温度超过了裂解温度，利用多个气体指标，考虑氧气浓度变化与煤自燃程度的关系，改进原来只能凭借单一指标气体的预警方法综合分析煤自燃的程度，提高煤自燃的预警准确度。

步骤三、判断井下煤层中一氧化碳浓度变化量与氧气浓度变化量比值是否小于氧化阈值：工控机1设定氧化阈值为α，利用氧气浓度采集器3-1实时采集井下煤层氧气浓度，利用一氧化碳浓度采集器3-2实时采集井下煤层一氧化碳浓度，工控机1根据公式计算一氧化碳浓度变化量与氧气浓度变化量的实时比ζ，其中，δnco为一氧化碳浓度变化量，为氧气浓度变化量，当ζ<α时，执行步骤四；当ζ≥α时，采空区温度处于50℃～60℃，执行步骤六；

本实施例中，所述氧化阈值α满足：0.2<α<0.4。

需要说明的是，未出现乙烯气体，说明煤温未达到裂解温度，由于煤层自燃火源点逆着风流方向发展，气体顺着风流方向流动，在煤层自燃过程中，一氧化碳是比较灵敏的指标气体，煤体温度略有升高，一氧化碳就会出现，并且随着温度升高近似呈指数规律增加，然而，实际条件下煤体发生自燃时，一氧化碳等指标气体浓度最高的地点不一定就是高温点，与煤温之间存在着近指数关系，该系数上升，表明煤自然发火的可能性在增加，具有了不受矿井风量稀释浓度的影响的特点，可排除井下通风的干扰，显然它是比一氧化碳更为精确的自燃发火指标，ζ在正常条件下应小于α，其值越小，表明采空区遗煤氧化性越低。

步骤四、判断是否启动矿井煤自燃一级预警并实施主动一级防控：工控机1实时获取矿井煤自燃一级预警条件r，当矿井煤自燃一级预警条件r满足时，采空区温度小于50℃，执行步骤五；否则，循环步骤二；其中，nco为一氧化碳浓度值，为氧气浓度值；

步骤五、矿井煤自燃一级预警和主动一级防控：工控机1控制报警器4实施矿井煤自燃一级预警，报警器4由提示矿井煤自燃一级预警的第一报警器、提示矿井煤自燃二级预警的第二报警器、提示矿井煤自燃三级预警的第三报警器和提示矿井煤自燃四级预警的第四报警器组成；同时，矿工实施工作面动态推进的主动一级防控，在采掘过程中，加快工作面推采速度，加强巷道支护，并在巷道表面采取喷涂堵漏层，封堵巷道表面或煤层表面裂隙；

需要说明的是，当矿井煤自燃一级预警条件r满足时，矿井煤自燃达到一级预警，采空区温度小于50℃，主动一级防控加快工作面推采速度的目的是让采空区内靠近工作面且处于氧化状态的松散煤体尽快进入窒息带，以起到防火的目的，实际采掘中，采空区深部，即采空区内离工作面越远的地方，氧气浓度越低，当进入到一定深度的时候，就可定义为窒息带，该区域的煤体会因缺氧而不会自燃；采用在巷道表面采取喷涂堵漏层，封堵巷道表面或煤层表面裂隙，本实施例中，所述堵漏层为罗克休堵漏层或速凝水泥浆堵漏层等封堵喷涂材料，其中，优选的采用罗克休堵漏层，阻止内外气体交换，防火及利于人身安全，密闭墙四周巷道压裂时，也可使用罗克休泡沫压入裂隙堵漏，防止大量新鲜风流进入采空区，堵漏风，避免采空区涌出大量瓦斯，引起遗煤氧化自然，反应迅速，高膨胀率且有较好的抗压能力，实现直接灭火。

步骤六、矿井煤自燃二级预警和主动二级防控：工控机1控制第二报警器实施矿井煤自燃二级预警；同时，在主动一级防控的基础上，采用封堵墙封堵回风隅角支架后部采空区端头，降低回风隅角支架后部采空区内氧气浓度；

需要说明的是，当ζ≥α时且未出现乙烯气体时，采空区温度处于50℃～60℃，采用封堵墙封堵回风隅角支架后部采空区端头，优选的封堵墙采用沙袋封堵墙，减少氧气在回风隅角支架后部的积攒，降低回风隅角支架后部采空区端头氧气浓度。

步骤七、矿井煤自燃三级预警和主动三级防控：工控机1控制第三报警器实施矿井煤自燃三级预警；同时，在主动二级防控的基础上，给回风隅角支架后部采空区端头注入矿用灭火气体，降低氧气浓度；

实际使用中，矿用灭火气体包括氮气和二氧化碳，矿用灭火气体的化学性质不活泼，中低温下很难跟其他物质发生反应，且具有降温功能，主动三级防控利用给回风隅角支架后部采空区端头注入矿用灭火气体，进一步降低氧气浓度。

步骤八、判断井下煤层中乙烯浓度值与乙烷浓度值的实时比是否达到最大值：工控机1给定乙烯浓度值与乙烷浓度值的最大比k，利用乙烯浓度采集器3-6实时采集井下煤层乙烯浓度，利用乙烷浓度采集器3-7实时采集井下煤层乙烷浓度，工控机1根据公式计算乙烯浓度值与乙烷浓度值的实时比η，当η达到最大比k时，采空区温度处于150℃～180℃，执行步骤九；当η未达到最大比k时，循环步骤七；其中，为乙烯浓度值，为乙烷浓度值；

需要说明的是，每一种煤质在升温时，随着煤温的升高煤体快速裂解，乙烯气体大量生成，但是乙烯浓度值与乙烷浓度值的最大比为定值，根据实际煤矿预先通过实验获取该煤体中乙烯浓度值与乙烷浓度值的最大比k，当η未达到最大比k时，采用主动三级防控方式进行灭火，当η达到最大比k时，采用主动四级防控方式进行灭火。

步骤九、矿井煤自燃四级预警和主动四级防控：工控机1控制第四报警器实施矿井煤自燃四级预警；同时，在主动三级防控的基础上，无法迅速控制火灾并危及工作面安全生产时，须封闭工作面，并迅速钻孔向火灾区域灭火，灌注灭火材料，覆盖高温煤体，熄灭火区。

本实施例中，所述第一报警器为蓝色指示灯，所述第二报警器为黄色指示灯，所述第三报警器为橙色指示灯，所述第四报警器为红色指示灯。

需要说明的是，通过不同颜色的显示直观的反应当前煤自燃的程度，矿井煤自燃一级预警利用蓝色指示灯提示，即也可称为蓝色预警；矿井煤自燃二级预警利用黄色指示灯提示，即也可称为黄色预警；矿井煤自燃三级预警利用橙色指示灯提示，即也可称为橙色预警；矿井煤自燃四级预警利用红色指示灯提示，即也可称为红色预警。

本发明使用时，对煤自燃分四级预警，预测准确，适用范围广，便于煤矿相关管理人员和技术人员所掌握，并对四级预警提出四级主动防控，为主动防控技术了理论基础，使得主动防控措施的提出有理可据，为主动防控创造了可能，使得原来对于易自燃煤层着火后被动灭火转变现在未着火主动防火，原来大面积预先防火灭火变为现在小面积精确预先防火灭火，使得防灭火的效果更为突出可靠，为煤矿企业节省了大量的人力、物力和财力，具有很高的实用价值

以上所述，仅是本发明的较佳实施例，并非对本发明作任何限制，凡是根据本发明技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、变更以及等效结构变化，均仍属于本发明技术方案的保护范围内。