基于指标气体的采空区煤自燃危险程度判别与预警方法

摘要

本发明公开了一种基于指标气体的采空区煤自燃危险程度判别与预警方法，包括步骤：一、煤矿采空区煤自燃指标气体监测装置的布置，二、煤矿采空区煤自燃指标气体浓度的采集及传输，三、地面监控计算机对煤矿采空区各个气体浓度及温度感测探头检测到的CO气体浓度、C2H4气体浓度和温度信号进行分析处理，进行煤火灾害危险预警。本发明方法步骤简单，设计新颖合理，实现方便，自动化程度高，可靠性高，对采空区煤自燃程度预测全面准确，适用范围广，实用性强，使用效果好，便于推广使用。

说明书

技术领域

本发明属于煤矿安全技术领域，具体涉及一种基于指标气体的采空区煤自燃危险 程度判别与预警方法。

背景技术

煤自燃火灾是严重威胁我国煤矿安全生产的五大灾害之一，我国国有重点煤矿中 有56％存在煤自然发火危险，而采空区煤自燃占到矿井煤自燃火灾的绝大部分，由于我国 煤矿的采空区顶板管理采用自燃垮落法，开采过后的采空区会被上层岩石垮落而覆盖，使 得采空区遗煤自燃的状态不能直接简单的进行探测，因此采空区遗煤的自燃程度的判定依 然是一个困扰我国煤矿安生产的难题。然而传统的采空区监测和煤自燃判定程度判定方法 主要有，采空区束管监测系统，其只能监测工作面两道很小的一段范围的采空区遗煤的自 燃情况，同时需要大量的人员维护工作监测效果不佳，采空区无线监测其可以范围的布置 测点，然而采空区中无线信号只能传5到10m，其采用多跳的方式传递信息，由于矿井的采空 区的复杂环境使得，如果要精确的监测采空区的煤自燃情况需要大量的布点，而且其成本 过高且可靠性不高。目前国内外普遍采用煤自燃过程中产生的CO气体作为煤层自燃情况预 测的指标性气体，通过煤自燃过程中产生的CO气体的量来判定煤的自燃程度，在气体采集 过程中现有方法其本身的缺点是不能准确完整的采集采空区遗煤自燃过程中产生的气体， 因此只能大概的判定采空区煤自燃的程度。而且不能精确定位和判定采空区具体的煤自燃 状态，这给采空区煤自燃火灾的高效准确的预防带来了较大的难，在火灾防治过程中耗费 人力物力。由于不能准确的定位和判定采空区那一部分遗煤自燃危险性较大，而造成采空 区煤自燃火灾防治效果不佳。

发明内容

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，提供一种基于指标 气体的采空区煤自燃危险程度判别与预警方法，其方法步骤简单，设计新颖合理，实现方 便，自动化程度高，可靠性高，对采空区煤自燃程度预测全面准确，适用范围广，实用性强， 使用效果好，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：一种基于指标气体的采空区煤 自燃危险程度判别与预警方法，其特征在于该方法包括以下步骤：

步骤一、煤矿采空区煤自燃指标气体监测装置的布置：在煤矿采空区布置多个用 于检测CO气体浓度、C₂H₄气体浓度和温度的气体浓度及温度感测探头，定义布置有气体浓度 及温度感测探头的位置为监测点，并将多个气体浓度及温度感测探头连接至井下监控主 机，所述气体浓度及温度感测探头内集成有CO气体传感器、C₂H₄气体传感器和温度传感器， 所述井下监控主机通过通信光纤接入工业环网并与地面监控计算机通信；

步骤二、煤矿采空区煤自燃指标气体浓度的采集及传输：多个气体浓度及温度感 测探头分别对其布置位置处的CO气体浓度、C₂H₄气体浓度和温度进行周期为T的周期性检测 并传输给井下监控主机，井下监控主机将其接收到的信号通过通信光纤和工业环网传输给 地面监控计算机；其中，T的取值为3～20分钟；

步骤三、地面监控计算机对煤矿采空区各个气体浓度及温度感测探头检测到的CO 气体浓度、C₂H₄气体浓度和温度信号进行分析处理，进行煤火灾害危险预警，具体过程为：

步骤301、以工作面倾向方向为X轴，走向方向为Y轴，以CO气体浓度、C₂H₄气体浓度 和温度的高低为Z轴，建立空间直角坐标系，绘制煤矿采空区CO气体浓度、C₂H₄气体浓度和温 度场图；

步骤302、判断煤矿采空区是否出现了C₂H₄气体，当出现了C₂H₄气体时，执行步骤 303，否则，执行步骤304；

步骤303、将出现了C₂H₄气体的监测点组成的区域定义为采空区遗煤自燃危险区 域；

步骤304、在采空区除搜索出C₂H₄气体区域外的区域内，搜索出CO气体浓度最高的 监测点和温度最高的监测点；

步骤305、将CO气体浓度最高的监测点处CO气体浓度与400ppm相比较，将温度最高 的监测点处温度与70℃相比较，当CO气体浓度最高的监测点处CO气体浓度大于等于 400ppm，或温度最高的监测点处温度大于等于70℃时，执行步骤306；当CO气体浓度最高的 监测点处CO气体浓度小于400ppm，且温度最高的监测点处温度小于70℃时，执行步骤309；

步骤306、以CO气体浓度最高的监测点或温度最高的监测点为中心点向外搜索相 邻的监测点，当相邻的监测点中有监测点的CO气体浓度大于等于400ppm，或温度大于等于 70℃时，在相邻点外再搜索监测点，直到搜索到CO气体浓度小于400ppm，且温度小于70℃的 监测点，将搜索出的CO气体浓度大于等于400ppm，或温度大于等于70℃的监测点组成的区 域定义为采空区遗煤自燃危险区域；当相邻的监测点CO气体浓度均小于400ppm，且温度均 小于70℃时，将中心点相邻监测点围成的区域定义为采空区遗煤自燃危险区域；

步骤307、在采空区除搜索出的采空区遗煤自燃危险区域外的区域内，搜索出CO气 体浓度最高的监测点和温度最高的监测点；

步骤308、重复步骤305至步骤307，直至采空区的剩余区域中CO气体浓度最高的监 测点处CO气体浓度小于400ppm，且温度最高的监测点处温度小于70℃；

步骤309、将CO气体浓度最高的监测点处CO气体浓度与100ppm相比较，将温度最高 的监测点处温度与50℃相比较，当CO气体浓度最高的监测点处CO气体浓度大于等于 100ppm，或温度最高的监测点处温度大于等于50℃时，执行步骤3010；当CO气体浓度最高的 监测点处CO气体浓度小于100ppm，且温度最高的监测点处温度小于50℃时，执行步骤3013；

步骤3010、以CO气体浓度最高的监测点或温度最高的监测点为中心点向外搜索相 邻的监测点，当相邻的监测点中有监测点的CO气体浓度大于等于100ppm，或温度大于等于 50℃时，在相邻点外再搜索监测点，直到搜索到CO气体浓度小于100ppm，且温度小于50℃的 监测点，将搜索到的CO气体浓度大于等于100ppm，或温度大于等于50℃的监测点组成的区 域定义为采空区遗煤出现自燃倾向区域；当相邻的监测点CO气体浓度均小于100ppm，且温 度均小于50℃时，将中心点相邻监测点围成的区域定义为疑似采空区遗煤出现自燃倾向区 域；

步骤3011、在采空区除搜索出的采空区遗煤自燃危险区域、采空区遗煤出现自燃 倾向区域和疑似采空区遗煤出现自燃倾向区域外的区域内，搜索出CO气体浓度最高的监测 点和温度最高的监测点；

步骤3012、重复步骤309至步骤3011，直至采空区的剩余区域中CO气体浓度最高的 监测点处CO气体浓度小于100ppm，且温度最高的监测点处温度小于50℃；

步骤3013、将采空区除搜索出的采空区遗煤自燃危险区域、采空区遗煤出现自燃 倾向区域和疑似采空区遗煤出现自燃倾向区域外的区域定义为采空区遗煤自燃低温缓慢 氧化区域；

步骤3014、将所述采空区遗煤自燃危险区域、所述采空区遗煤出现自燃倾向区域、 所述疑似采空区遗煤出现自燃倾向区域和所述采空区遗煤自燃低温缓慢氧化区域标记为 不同的颜色，表示不同的危险预警等级。

上述的基于指标气体的采空区煤自燃危险程度判别与预警方法，其特征在于：步 骤一中在煤矿采空区布置多个用于检测CO气体浓度、C₂H₄气体浓度和温度的气体浓度及温 度感测探头的具体方式为：在采空区供电及传输线上每隔10米串接一个气体浓度及温度感 测探头，在工作面两道处每隔10m布置一条监测线，在工作面中部每隔20m布置一条监测线， 在每条监测线上每隔10米串接一个气体浓度及温度感测探头。

上述的基于指标气体的采空区煤自燃危险程度判别与预警方法，其特征在于：所 述供电及传输线和监测线均为铠装传输输电线。

上述的基于指标气体的采空区煤自燃危险程度判别与预警方法，其特征在于：所 述气体浓度及温度感测探头为本安型气体浓度及温度感测探头。

上述的基于指标气体的采空区煤自燃危险程度判别与预警方法，其特征在于：步 骤二中所述井下监控主机还对其接收到的CO气体浓度信号、C₂H₄气体浓度信号和温度信号 进行存储和显示，并绘制出CO气体浓度随时间变化的曲线图、C₂H₄气体浓度随时间变化的曲 线图和温度随时间变化的曲线图进行显示。

上述的基于指标气体的采空区煤自燃危险程度判别与预警方法，其特征在于：步 骤3014中，将所述采空区遗煤自燃危险区域标记为红色，表示危险预警等级为Ⅳ级；将所述 采空区遗煤出现自燃倾向区域标记为橙色，表示危险预警等级为Ⅲ级；将所述疑似采空区 遗煤出现自燃倾向区域标记为黄色，表示危险预警等级为Ⅱ级；将所述采空区遗煤自燃低 温缓慢氧化区域标记为绿色，表示危险预警等级为I级；当所述采空区遗煤自燃危险区域与 所述采空区遗煤出现自燃倾向区域重合时，标记为红色，表示危险预警等级为Ⅳ级；当所述 采空区遗煤出现自燃倾向区域与所述疑似采空区遗煤出现自燃倾向区域重合时，标记为橙 色，表示危险预警等级为Ⅲ级；当所述疑似采空区遗煤出现自燃倾向区域与所述采空区遗 煤自燃低温缓慢氧化区域重合时，标记为黄色，表示危险预警等级为Ⅱ级；其中，I级、Ⅱ级、 Ⅲ级和Ⅳ级的危险预警等级依次从低到高排列。

本发明与现有技术相比具有以下优点：

1、本发明的方法步骤简单，设计新颖合理，实现方便。

2、本发明能够较为精确地绘制采空区煤自燃过程指标气体浓度的分布图和煤自 燃温度场图，从而全面的了解采空区可能发生自燃区域的整体情况，使得防火工作做到有 的放矢。

3、本发明提供的煤火灾害危险预警方法不仅能够准确地判定煤火灾害的危险程 度，而且能够精确地在采空区定位煤自燃危险区域，使得防火工作面重点突出，节省人力物 力。

4、本发明提供的煤火灾害危险预警方法的自动化程度高，智能化高，CO气体浓度、 C₂H₄气体浓度和温度数据依据气体浓度及温度感测探头自动采集，并通过通信光纤接入工 业环网，再传输给地面监控计算机，地面监控计算机再对煤矿采空区各个气体浓度及温度 感测探头检测到的CO气体浓度、C₂H₄气体浓度和温度信号进行分析处理，进行煤火灾害危险 预警。

5、本发明提供的煤火灾害危险预警方法的可靠性高，对采空区煤自燃程度预测全 面准确，适用范围广，适用于各种开采情况下的煤矿采空区。

6、本发明根据采空区煤自燃过程的三个阶段对采空区的危险预警等级进行划分， 划分出的四个危险预警等级从高到低分别为：Ⅳ级、采空区遗煤自燃危险区域；Ⅲ级、采空 区遗煤出现自燃倾向区域；Ⅱ级、疑似采空区遗煤出现自燃倾向区域；I级、采空区遗煤自燃 低温缓慢氧化区域；并将这些区域分别标为：绿色、黄色、橙色和红色，清晰直观反应了采空 区煤自燃情况，有利于对采空区进行划分之后采取不同对策进行防治。

7、本发明的实用性强，使用效果好，便于推广使用。

综上所述，本发明的方法步骤简单，设计新颖合理，实现方便，自动化程度高，可靠 性高，对采空区煤自燃程度预测全面准确，适用范围广，实用性强，使用效果好，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为本发明所采用的煤矿采空区煤自燃指标气体监测装置的连接关系示意图。

图2为本发明气体浓度及温度感测探头在煤矿采空区的布置示意图。

图3为本发明基于指标气体的采空区煤自燃危险程度判别与预警方法的方法流程 框图。

附图标记说明:

1—井下监控主机；2—气体浓度及温度感测探头；3—监测线；

4—通信光纤；5—工作面；6—煤矿采空区；

7—地面监控计算机；8—工业环网。

具体实施方式

如图1、图2和图3所示，本发明的基于指标气体的采空区煤自燃危险程度判别与预 警方法，包括以下步骤：

步骤一、煤矿采空区煤自燃指标气体监测装置的布置：在煤矿采空区6布置多个用 于检测CO气体浓度、C₂H₄气体浓度和温度的气体浓度及温度感测探头2，定义布置有气体浓 度及温度感测探头2的位置为监测点，并将多个气体浓度及温度感测探头2连接至井下监控 主机1，所述气体浓度及温度感测探头2内集成有CO气体传感器、C₂H₄气体传感器和温度传感 器，所述井下监控主机1通过通信光纤4接入工业环网8并与地面监控计算机7通信；

步骤二、煤矿采空区煤自燃指标气体浓度的采集及传输：多个气体浓度及温度感 测探头2分别对其布置位置处的CO气体浓度、C₂H₄气体浓度和温度进行周期为T的周期性检 测并传输给井下监控主机1，井下监控主机1将其接收到的信号通过通信光纤4和工业环网8 传输给地面监控计算机7；其中，T的取值为3～20分钟；优选地，T的取值为10分钟；

步骤三、地面监控计算机7对煤矿采空区6各个气体浓度及温度感测探头2检测到 的CO气体浓度、C₂H₄气体浓度和温度信号进行分析处理，进行煤火灾害危险预警，具体过程 为：

步骤301、以工作面5倾向方向为X轴，走向方向为Y轴，以CO气体浓度、C₂H₄气体浓度 和温度的高低为Z轴，建立空间直角坐标系，绘制煤矿采空区CO气体浓度、C₂H₄气体浓度和温 度场图；即绘制煤矿采空区CO气体浓度、C₂H₄气体浓度和温度的三维分布图，具体实施时，是 将煤矿采空区CO气体浓度、C₂H₄气体浓度和温度场图绘制在了同一坐标系下；

步骤302、判断煤矿采空区6是否出现了C₂H₄气体，当出现了C₂H₄气体时，执行步骤 303，否则，执行步骤304；

步骤303、将出现了C₂H₄气体的监测点组成的区域定义为采空区遗煤自燃危险区 域；

步骤304、在采空区除搜索出C₂H₄气体区域外的区域内，搜索出CO气体浓度最高的 监测点和温度最高的监测点；

步骤305、将CO气体浓度最高的监测点处CO气体浓度与400ppm相比较，将温度最高 的监测点处温度与70℃相比较，当CO气体浓度最高的监测点处CO气体浓度大于等于 400ppm，或温度最高的监测点处温度大于等于70℃时，执行步骤306；当CO气体浓度最高的 监测点处CO气体浓度小于400ppm，且温度最高的监测点处温度小于70℃时，执行步骤309；

步骤306、以CO气体浓度最高的监测点或温度最高的监测点为中心点向外搜索相 邻的监测点，当相邻的监测点中有监测点的CO气体浓度大于等于400ppm，或温度大于等于 70℃时，在相邻点外再搜索监测点，直到搜索到CO气体浓度小于400ppm，且温度小于70℃的 监测点，将搜索出的CO气体浓度大于等于400ppm，或温度大于等于70℃的监测点组成的区 域定义为采空区遗煤自燃危险区域；当相邻的监测点CO气体浓度均小于400ppm，且温度均 小于70℃时，将中心点相邻监测点围成的区域定义为采空区遗煤自燃危险区域；

步骤307、在采空区除搜索出的采空区遗煤自燃危险区域外的区域内，搜索出CO气 体浓度最高的监测点和温度最高的监测点；

步骤308、重复步骤305至步骤307，直至采空区的剩余区域中CO气体浓度最高的监 测点处CO气体浓度小于400ppm，且温度最高的监测点处温度小于70℃；

步骤309、将CO气体浓度最高的监测点处CO气体浓度与100ppm相比较，将温度最高 的监测点处温度与50℃相比较，当CO气体浓度最高的监测点处CO气体浓度大于等于 100ppm，或温度最高的监测点处温度大于等于50℃时，执行步骤3010；当CO气体浓度最高的 监测点处CO气体浓度小于100ppm，且温度最高的监测点处温度小于50℃时，执行步骤3013；

步骤3010、以CO气体浓度最高的监测点或温度最高的监测点为中心点向外搜索相 邻的监测点，当相邻的监测点中有监测点的CO气体浓度大于等于100ppm，或温度大于等于 50℃时，在相邻点外再搜索监测点，直到搜索到CO气体浓度小于100ppm，且温度小于50℃的 监测点，将搜索到的CO气体浓度大于等于100ppm，或温度大于等于50℃的监测点组成的区 域定义为采空区遗煤出现自燃倾向区域；当相邻的监测点CO气体浓度均小于100ppm，且温 度均小于50℃时，将中心点相邻监测点围成的区域定义为疑似采空区遗煤出现自燃倾向区 域；

步骤3011、在采空区除搜索出的采空区遗煤自燃危险区域、采空区遗煤出现自燃 倾向区域和疑似采空区遗煤出现自燃倾向区域外的区域内，搜索出CO气体浓度最高的监测 点和温度最高的监测点；

步骤3012、重复步骤309至步骤3011，直至采空区的剩余区域中CO气体浓度最高的 监测点处CO气体浓度小于100ppm，且温度最高的监测点处温度小于50℃；

步骤3013、将采空区除搜索出的采空区遗煤自燃危险区域、采空区遗煤出现自燃 倾向区域和疑似采空区遗煤出现自燃倾向区域外的区域定义为采空区遗煤自燃低温缓慢 氧化区域；即将采空区中CO气体浓度最高的监测点的CO气体浓度小于100ppm，且温度最高 的监测点的温度小于50℃的区域定义为采空区遗煤自燃低温缓慢氧化区域；

步骤3014、将所述采空区遗煤自燃危险区域、所述采空区遗煤出现自燃倾向区域、 所述疑似采空区遗煤出现自燃倾向区域和所述采空区遗煤自燃低温缓慢氧化区域标记为 不同的颜色，表示不同的危险预警等级。

如图1所示，本实施例中，步骤一中在煤矿采空区6布置多个用于检测CO气体浓度、 C₂H₄气体浓度和温度的气体浓度及温度感测探头2的具体方式为：在采空区供电及传输线上 每隔10米串接一个气体浓度及温度感测探头2，在工作面5两道处每隔10m布置一条监测线 3，在工作面5中部每隔20m布置一条监测线3，在每条监测线3上每隔10米串接一个气体浓度 及温度感测探头2。具体实施时，测点的布置可以根据实际的需要进行适当的调整。

本实施例中，所述供电及传输线和监测线3均为铠装传输输电线。铠装传输输电线 具有抗拉强度高，在采空区不易被扯断，可靠性强的特点。

本实施例中，所述气体浓度及温度感测探头2为本安型气体浓度及温度感测探头。

本实施例中，步骤二中所述井下监控主机1还对其接收到的CO气体浓度信号、C₂H₄气体浓度信号和温度信号进行存储和显示，并绘制出CO气体浓度随时间变化的曲线图、C₂H₄气体浓度随时间变化的曲线图和温度随时间变化的曲线图进行显示。

本实施例中，步骤3014中，将所述采空区遗煤自燃危险区域标记为红色，表示危险 预警等级为Ⅳ级；将所述采空区遗煤出现自燃倾向区域标记为橙色，表示危险预警等级为 Ⅲ级；将所述疑似采空区遗煤出现自燃倾向区域标记为黄色，表示危险预警等级为Ⅱ级；将 所述采空区遗煤自燃低温缓慢氧化区域标记为绿色，表示危险预警等级为I级；当所述采空 区遗煤自燃危险区域与所采空区述遗煤出现自燃倾向区域重合时，标记为红色，表示危险 预警等级为Ⅳ级；当所述采空区遗煤出现自燃倾向区域与所述疑似采空区遗煤出现自燃倾 向区域重合时，标记为橙色，表示危险预警等级为Ⅲ级；当所述疑似采空区遗煤出现自燃倾 向区域与所述采空区遗煤自燃低温缓慢氧化区域重合时，标记为黄色，表示危险预警等级 为Ⅱ级；其中，I级、Ⅱ级、Ⅲ级和Ⅳ级的危险预警等级依次从低到高排列。

综上所述，本发明根据采空区煤自燃过程的三个阶段对采空区的危险预警等级进 行划分，其中，采空区煤自燃过程的三个阶段分别为：

第一阶段、采空区遗煤自燃低温缓慢氧化阶段：此为煤氧化的低温阶段，由于煤体 温度较低，煤氧反应速度较慢，其氧化产物产生量较小，采空区可以测到煤氧化产生的CO浓 度一般小于100ppm，不会产生C₂H₄气体，测得煤体温度低于50℃，可以判定采空区此区域属 于采空区遗煤自燃氧化的低温阶段；

第二阶段，采空区遗煤出现自燃倾向阶段：采空区煤在合适的氧浓度以及蓄热条 件下，采空区遗煤与氧气经过较长时间的接触且其温度持续的升高，氧化产生的CO浓度持 续上升超过100ppm但是小于400ppm，煤体温度大于50℃小于70℃接近煤的临界温度，还没 有探测到C₂H₄气体的产生，此时可以断定煤处于煤自燃氧化的加速阶段，此时煤具有一定的 自燃危险性；

第三阶段，采空区遗煤自燃危险阶段：采空区遗煤进入煤氧化的加速阶段以，如果 采空区的环境依然适合遗煤继续发生氧化，采空区遗煤的氧化过程将会更加深入的进行， 其自燃的危险程度会不断增加，当煤氧化产物中出现C₂H₄气体，标志采空区遗煤进入自燃危 险阶段此时CO浓度会高达400ppm，煤体的温度达到70℃；在此阶段如果不及时采取正确的 措施，煤自燃氧化速度不断加快很快或发生煤自燃火灾。

划分出的四个危险预警等级从高到低分别为：Ⅳ级、采空区遗煤自燃危险区域；Ⅲ 级、采空区遗煤出现自燃倾向区域；Ⅱ级、疑似采空区遗煤出现自燃倾向区域；I级、采空区 遗煤自燃低温缓慢氧化区域。

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。