熱電偶測溫及束管監(jiān)測在礦井防滅火中的應(yīng)用

摘要:石港公司工作面采空區(qū)在開采過程中曾發(fā)生多次自燃現(xiàn)象,為加強工作面后方采空區(qū)的防火管理,在15108工作面采空區(qū)布置了熱電偶和束管。通過對檢測結(jié)果(溫度和氧氣變化規(guī)律)的分析,得出了采空區(qū)自燃三帶"的分布規(guī)律以及工作面的平均最小推進度。為石港礦采空區(qū)預(yù)防自然發(fā)火，合理安排安全生產(chǎn)提供了技術(shù)支持。
　　陽煤集團石港礦各煤層均屬于自燃發(fā)火煤層,自然發(fā)火期為3-6個月,其采空區(qū)曾發(fā)生自然發(fā)火事故,同時多次出現(xiàn)自燃隱患。為了有效控制與減少采空區(qū)自燃發(fā)火的發(fā)生,在石港公司15108工作面采空區(qū)布置了5趟熱電偶和4趟束管,并在熱電偶探頭位置布置取氣樣束管,觀測并得到了15108工作面采空區(qū)溫度分布及氧氣濃度的變化規(guī)律,應(yīng)用surfer軟件對數(shù)據(jù)進行處理繪圖,并依此對采空區(qū)自燃三帶"進行劃分,為石港公司采空區(qū)預(yù)防自然發(fā)火提供了科學依據(jù)。
1測溫系統(tǒng)及氣體濃度觀測系統(tǒng)的選擇與原理
1.1測溫系統(tǒng)及氣體濃度觀測系統(tǒng)的選擇
(1)測溫系統(tǒng)的選擇
　　作為煤炭自然發(fā)火預(yù)報,一般要求測溫范圍在常溫至200℃之間,測溫范圍較小。在采空區(qū)遺煤中,因頂板淋水以及采后灌漿會使測點附近環(huán)境潮濕。選用傳感器時要求具有較好的抗?jié)裥?抗氧化還原性。
　　溫度傳感器有AD590、熱電偶等可選用。通過比較研究后認為,銅一康銅熱電偶測溫系統(tǒng)的傳感器具有結(jié)構(gòu)簡單,使用方便,性能可靠,適合遠距離測量等優(yōu)點。同時銅--康銅熱電偶低溫時靈敏度較高,具有較好的抗?jié)裥院涂寡趸€原性,適用于井下應(yīng)用141。
(2)汽體濃度觀測系統(tǒng)的選擇
　　為了觀測采空區(qū)氣體濃度變化變化規(guī)律,采用sG-2003型礦井自燃火災(zāi)束管監(jiān)測系統(tǒng)。該系統(tǒng)氣體分析中心設(shè)置在地面,井下無電氣設(shè)備,便于維護;對采空區(qū)和密閉區(qū)內(nèi)采取氣樣,安全容易能服務(wù)于井下多點采樣和氣樣的多組分分析;可實現(xiàn)較長距離地點的氣體采樣和監(jiān)控。
　　實踐證明,該系統(tǒng)可以對采空區(qū)氣體成分連續(xù)監(jiān)測、分析,對石港公司火災(zāi)預(yù)測預(yù)報及采空區(qū)自然三帶”劃分具有良好的應(yīng)用效果。
1.2熱電偶測溫基本原理
　　熱電偶測溫的基本原理是兩種不同成份的均質(zhì)導(dǎo)體組成閉合回路,當兩端存在;溫度梯度時,回路中就會有電流通過,此時兩端之間就存在熱電動勢,這就是所謂的塞貝克效應(yīng)。兩種不同成份的均質(zhì)導(dǎo)體為熱電極,溫度較高的一端為工作端,溫度較低的一-端為自由端,自由端通常處于某個恒定的溫度下[2]。
1.3束管監(jiān)測系統(tǒng)工作原理
　　SG-2003型礦井自燃火災(zāi)束管監(jiān)測系統(tǒng)是利用真空泵和一束多芯的塑料管纜遠距離的抽取監(jiān)測地點的氣樣,利用專用氣相色譜儀連續(xù)分析,實時測定各測點的氣體組分濃度,同時對監(jiān)測地點煤炭自燃過程中標志氣體濃度超值時發(fā)出警報的成套裝置,其主要由地面氣體分析中心和井下束管取樣系統(tǒng)組成[31。
2測溫系統(tǒng)及氣體濃度觀測系統(tǒng)的布置方案
　　為了了解采空區(qū)溫度與氧氣濃度的變化規(guī)律,在觀測過程中同時采用了熱電偶與束管監(jiān)測系統(tǒng),根據(jù)石港煤礦的實際條件,將測溫測氣系統(tǒng)布置在15108工作面。15108工作面總長約480m,根據(jù)15108工作面條件,確定布置5個熱電偶測點測量工作面采空區(qū)的溫度變化規(guī)律。在該面上、下端頭各布置一趟熱電偶,在工作面中部布置三趟熱電偶,每個熱電偶探頭相距25m,并在熱電偶采空區(qū)探頭位置安設(shè)4趟束管取氣樣測量氧氣濃度變化情況41。
　　觀測系統(tǒng)布置如(圖1)所示:

　　按照上述布置方案,各熱電偶導(dǎo)線(束管)甩入工作面順槽長度200m,1號和5號熱電偶(1號和4號束管)長205m,分別布置在工作面上、下端頭;2號和4號熱電偶(2號和3號束管)長230m,3號熱電偶長255m,布置在工作面中部。
3觀測數(shù)據(jù)分析
3.1測溫系統(tǒng)數(shù)據(jù)分析
　　在15108工作面推進97m后,將標定好的熱電偶埋入指定位置,開始觀測采空區(qū)溫度變化，觀測長度為186.7m。五趟熱電偶的溫度觀測數(shù)據(jù)用surfer軟件制圖如下(圖2)所示:

　　對15108工作面布設(shè)的五趟熱電偶觀測的溫度變化規(guī)律為51:1號熱電偶:散熱帶大約23m左右,工作面推進到75m左右時，出現(xiàn)了44℃左右的高溫點，當工作面推進到170m左右時,采空區(qū)溫度趨于穩(wěn)定。2號熱電偶:散熱帶寬度不明顯,大約為10m,10~90m左右工作面進入氧化帶,即氧化帶寬度在80m左右。而后工作面進入窒息帶。3號熱電偶:散熱帶大約23m左右,工作面推進到122m左右時,采空區(qū)溫度趨于穩(wěn)定。4號熱電偶:散熱帶寬度不明顯,大約為10m,測點在工作面后方70m處溫度趨于穩(wěn)定。5號熱電偶:在工作面推進到80m時出現(xiàn)25℃左右的溫度,然后溫度趨于下降。
3.2氣體濃度觀測系統(tǒng)數(shù)據(jù)分析
　　利用sG-2003型礦井火災(zāi)束管監(jiān)測系.統(tǒng)對采空區(qū)氣體變化情況進行了連續(xù)監(jiān)測，每天用束管對采空區(qū)氣體連續(xù)進行取樣化驗分析,測得了4個束管取樣點內(nèi)采空區(qū)氧氣濃度變化情況用surfer軟件制圖如(圖3)所示:

　　按照采空區(qū)氧氣濃度來劃分的自燃“三帶”范圍一-般是散熱帶的氧氣濃度:大于18%(或19%>);自燃帶的氧氣濃度:8%(或10%)~18%(或19%)室息帶的氧氣濃度:小于8%(或10%)61。
　　由束管觀測數(shù)據(jù)得到采空區(qū)各種氣體濃度與工作面推進度的關(guān)系等值線圖,可直觀得到1~4號觀測束管中氧氣變化與回采面推進度的關(guān)系為:(1)1號束管觀測結(jié)果:工作面在推過1號束管取樣點19m時,1號束取樣點處采空區(qū)內(nèi)氧氣含量降到了14.389%。工作面在推過1號束管取樣點80.6m時，1號束管取樣點處采空區(qū)內(nèi)氧氣含量降到了7.9144%,在8%以下。(2)2號束管觀測結(jié)果:工作面在推過2號束管取樣點30.5m時，2號束管取樣點處采空區(qū)內(nèi)氧氣含量降到了18.2082%。工作面在推過2號束管取樣點87m時,2號束管取樣點處采空區(qū)內(nèi)氧氣含量降到了6.4512%,在8%以下。(3)3號束管觀測結(jié)果:工作面在推過3號束管取樣點34.4m時,3號束管取樣點處采空區(qū)內(nèi)氧氣含量降到了17.0665%。工作面在推過3號束管取樣點97.5m時,3號束管取樣點處采空區(qū)內(nèi):氧氣含量降到了7.7182%,在8%以下。(4)4，號束管觀測結(jié)果:工作面在推過4號束管取樣點98m時，4號束管取樣點處采空區(qū)內(nèi)氧氣含量降到了6.4369%,在8%以下。
4結(jié)論
(1)綜合采用熱電偶測溫和束管監(jiān)測系統(tǒng)測量采空區(qū)氣體濃度變化的方法,為分析采空區(qū)狀況和自燃三帶”的劃分以及采空區(qū)預(yù)防自然發(fā)火提供了科學依據(jù)，應(yīng)用surfer軟件模擬出采空區(qū)溫度場,直觀展現(xiàn)采空區(qū)三帶”范圍。
(2)根據(jù)采空區(qū)溫度和氧氣濃度的變化,綜合以上測定分析數(shù)據(jù),15108工作面后方0~10m左右屬于采空區(qū)的散熱帶;10~90m左右工作面進入氧化帶,氧化帶的寬度大約為70~100m;工作面100m以外屬于窒息帶。
(3)石港公司15#煤層自然發(fā)火期為3~6個月,為確保工作面后方采空區(qū)不出現(xiàn)自燃發(fā)火,在煤層中布置的工作面應(yīng)至少在3個月內(nèi)推進100m,平均每天的推進度不能低于1.1m。