一种采空区自然发火分区监测系统及方法与流程

本申请涉及一种采空区自然发火分区监测系统及方法。

背景技术：

随着国际能源结构的加速转型，我国在能源需求和消耗方面也产生了重大调整。同时，开采成本和严峻的安全问题已经成为制约我国煤炭工业发展的瓶颈和突出问题，传统井工留煤柱开采方法已经不符合新常态下能源结构调整的要求，我国煤炭行业急需进行传统产业的高新技术改造。目前出现了一种采前无需掘进工作面巷道的新式开采方法，该开采方法改变了传统的工作面顺槽布置方式，进而改变了工作面的通风方式和采空区漏风流场。新式开采方法在无需掘进工作面一侧或两侧通风巷道的情形下，可以利用采煤机系统直接进行开采，在开采前进的同时在采煤机一端头或两端头后侧同步进行留巷作业，以形成采煤通道的通风和运输巷道。此类新式开采方法相较于传统的提前掘进开采方法，在通风系统上区别较大，一般采用z型通风、n型通风或称为l型通风，而传统提前掘进开采普遍采用的u型通风区别较大，且，由于未提前掘进巷道，在新式开采方法中采用的y型通风或l型通风方式中一般新风巷道均需要围采空区形成l形的过风通道，也就是通风系统中新风高压区与低压区之间连线会斜穿采空区，这就增大了高含氧新风进入采空区引发自然发火的风险。而传统的开采方式，由于是采用提前掘进两侧巷道，并且是u的通风系统，所以可以避免新风通道经过采空区一侧，因此，新式开采方法的采空区自然发火情况也与传统采煤方法有所不同。根据已有研究成果，采空区自然发火监测主要有两种方法：

(1)光纤光栅测温技术。通过在采空区内预埋光纤温度传感器，实时监测采空区温度变化情况。该技术具有监测精准、连续测试、安全无源等优点，但同时也有光纤脆弱、保护困难、施工复杂等问题。

(2)煤自燃发火束管监测和煤自燃发火气相色谱监测。束管监测是指利用真空泵，通过一组空心束管将井下监测地点的空气直接抽至分析单元中进行检测。束管监测装置由采样器、接管箱、放水器、除尘器、抽气泵、采样控制柜和分析单元组成。气相色谱监测装置主要由气体采集、气体分析和数据处理三大部分组成。通过聚氯乙烯管将工作面、上隅角、采空区等处的气体抽吸到分析仪器，由气相色谱分析仪完成对自然发火标志气体的分析，计算机对采集分析仪器的输出信号进行数据处理后提出预测预报结论。束管检测装置和气相色谱监测装置存在以下弊端：管路长，测试分析时间滞后；管路积水进入管路堵塞后难以处理；采空区内管路保护困难。另外，由于传统采煤方法工作面两侧各有一条超前掘进的回采巷道，用于监测温度和气体的光纤或者束管通常在工作面前方就已在回采巷道内铺设完毕，而新式开采方法中，由于没有提前掘进巷道，或仅有一侧的巷道，因此光纤、束管预埋工作无法实现，所以无法实现传统监测系统和监测方法对于新式开采方法进行有效监测。

技术实现要素：

针对以上问题，本申请针对新式开采方法巷道布置方式，公开一种采空区自然发火分区监测系统和方法，通过对采空区温度、气体进行联合实时监测，实现两者之间相互补充验证，以得到更加准确、可靠的监测结果，保证作业工作面环境安全，防止灾害发生。

本申请实施例提供一种采空区自然发火分区监测系统，用于对采空垮塌区进行监测，所述监测系统包括监测主机、传输线、保护管以及多个采集装置：多个所述采集装置间隔地分布于采空区内，且延伸方向与开采方向平行；一条或多条所述传输线在一列或多列上依次连接于各个所述采集装置，将多个所述采集装置连接于所述监测主机；多条所述传输线在采空区内均套设在所述保护管内，所述保护管包括相互连接的多段分管，随开采向前推进，在开采处增加新的分管进行连接。随着工作面向前推进，连接管逐段进行安装和连接跟进，每到达设计监测点后，安装采集装置，并继续向前跟进延伸保护管。

在一可选的实施例中，所述采集装置包括温度传感器或气体传感器，所述传输线为光纤，通过所述传输线将多个采集装置连接于所述监测主机。

在一可选的实施例中，所述保护管的各个分管均沿轴向开设有卡缝，所述传输线通过所述卡缝卡入所述分管，相邻分管之间通过一个连接器连接。

在一可选的实施例中，所述保护管的各个分管内还设有保护填充件，所述保护填充件开设有卡缝。

在一可选的实施例中，所述传输线为气体采集管，所述采集装置为气体采集器，所述监测主机通过所述气体采集管连接多个气体采集器，以通过各个气体采集器抽取采空区气体进行分析监测。

在一可选的实施例中，所述气体采集器具有向上延伸的采集进气孔，所述采集进气孔高度高于采空区水面高度。

另一方面，本申请实施例提供一种采空区自然发火分区监测方法，用于对采空垮塌区进行监测，包括步骤：

开采推进时，按预设距离在采煤通道后方埋设多个采集装置；

随开采推进，对各个采集装置铺设连接有传输线；

将多个所述采集装置通过传输线连接于一个监测主机；

利用保护管对采集装置及传输线进行保护，保护管为分段式连接；

所述监测主机通过多个外采集装置采集采空区各处温度以及/或者气体数据，以监测采空间自燃危险信号。

本申请的有益效果在于，本申请实施例与现有技术相比，与开采推进同步，向采空区提前铺设监测采集系统，不需要后期再向采空区开深孔进行施工。且在铺设的传输线和采集装置上均设有保护管进行有效保护，可以确保监测系统的稳定。相比现有技术具有施工成本低，监测有效性高的技术优势。可以有效监测采空区自燃风险。

附图说明

通过结合附图考虑以下对本申请的优选实施例的详细说明，本申请的各种目标、特征和优点将变得更加显而易见。附图仅为本申请的示范性图解，并非一定是按比例绘制。在附图中，同样的附图标记始终表示相同或类似的部件。其中：

图1是本申请实施例中采空区温度监测系统平面布置示意图。

图2是根据实施例示出的保护管截面结构示意图。

图3是根据实施例示出的保护管立体结构示意图。

图4是根据实施例示出的采空区保护管安装示意图。

图5是根据实施例示出的采空区气体监测布置示意图。

图6是根据实施例示出的气体分析系统工作原理示意图。

图7是根据实施例示出的束管保护装置安装示意图。

图8是根据实施例示出的束管铺设方式立体结构示意图。

具体实施方式

现在将参考附图更全面地描述示例实施方式。然而，示例实施方式能够以多种形式实施，且不应被理解为限于此阐述的实施方式；相反，提供这些实施方式使得本申请将全面和完整，并将示例实施方式的构思全面地传达给本领域的技术人员。图中相同的附图标记表示相同或类似的结构，因而将省略它们的详细描述。

本申请实施例提供一种采空区自然发火分区监测系统，图1是本申请实施例中采空区温度监测系统平面布置示意图。监测系统适用于一种无需提前掘进工作面巷道的新式开采方法，可以利用采煤机系统直接进行开采，f示意了开采方向，在开采前进的同时选择在采煤机一端头或两端头后侧同步进行留巷作业(s2区域)，以形成采煤通道的通风和运输巷道。

本申请实施例的监测系统用于对采空垮塌区进行监测，所述监测系统主要包括监测主机9、传输线1、保护管以及多个采集装置2：多个所述采集装置2间隔地分布于采空区s3内，且延伸方向与开采方向f平行；一条或多条所述传输线1在一列或多列上依次连接于各个所述采集装置2，多条所述传输线1由切眼位置便已进行铺设，自切眼开始，向前都是同步前进。将多个所述采集装置2连接于所述监测主机9；多条所述传输线1在采空区内均套设在所述保护管内，所述保护管包括相互连接的多段分管，随开采向前推进，在开采处增加新的分管进行连接。

如此，可在此种新式开采方法中，与开采的同时，以及一侧或两侧留巷作业的同时，在开采支架后侧不断向采空区同步铺设监测传感器或数据传输线，在采空区垮塌前完成铺设，且操作人员可在开采支架上空间较充裕后侧进行操作，并且由于采用了保护管来对传输线和传感器进行防护，可有效保持传感器接入的稳定性，分段式保护管可对应移架的间隙，在支架空间范围内完成接管，从而即不影响开采支架的移架，又保障保护管的连续性。

如图1所示意，在井下可采用光纤分路盒3连接各条传输线1，同时还可以配置主传输光纤4在井下进行数据传导，另外也可以通过解调仪5解调进行信号转换后在井下交换机6接入环网7，从而再通过井上交换机8连接至位于井上的监测主机9。因为数据传输网络的架设方式对于本领域技术人员还有更多选择，在此不再赘述。

图2是根据实施例示出的保护管截面结构示意图，图3是根据实施例示出的保护管立体结构示意图，图4是根据实施例示出的采空区保护管安装示意图。在一可选的实施例中，所述保护管11的各个分管112均沿轴向开设有卡缝111，所述传输线1通过所述卡缝111卡入所述分管112，相邻分管112之间通过一个连接器115连接。在一可选的实施例中，所述保护管的各个分管112内还设有保护填充件114，所述保护填充件114开设有卡缝110。保护管11的材质可选择为钢管。而保护填充件114可选择为发泡塑料等柔性阻燃材料。卡缝110大于卡缝111的宽度，而采集装置2的外径或一个方向上宽度大于卡缝111宽度，以便于将传输线及收集装置2定位于保护管11内部。

连接器115可以是一个圆形管件，其内径等于或略大于各分管112的外径，以便于各分管112的端部可以通过过盈配合或卡接配合固定于连接器15，连接器115上选择为未设置卡槽，以便于保证连接强度。连接器115可以视为一个管箍，其可以由钢管直接截取制得，也可以由两个弧形钢片通过螺栓装配组成。

在另一个可选的实施例中，所述传输线选择为气体采集管，所述采集装置2为气体采集器，所述监测主机9通所述气体采集管连接多个气体采集器，以通过各个气体采集器抽取采空区气体进行分析监测。

在一可选的实施例中，所述气体采集器具有向上延伸的采集进气孔，所述采集进气孔高度高于采空区水面高度。

另一方面，本申请实施例提供一种采空区自然发火分区监测方法，用于对采空垮塌区进行监测，包括步骤：

开采推进时，按预设距离在采煤通道后方埋设多个采集装置2；

随开采推进，对各个采集装置2之间铺设连接有传输线1，传输线1可以是信号传输线，也可以是气体传输线；

将多个所述采集装置2通过传输线连接于一个监测主机9；

利用保护管对采集装置2及传输线进行保护，保护管为分段式连接；保护管为粗圆管，一侧开有孔槽，传输线为一细光纤传输线，将光纤线从孔槽装入保护管后，将新装保护管与上一节保护管连接(一般为螺纹连接)，放置在地面即可。

所述监测主机9通过多个采集装置2采集采空区各处温度以及/或者气体数据，以监测采空塌陷区自燃危险信号。

本申请实施例提供一种采空区自然发火分区监测系统和方法，通过对采空区温度、气体进行联合实时监测，实现两者之间相互补充验证，其实就是相同位置，同时进行气体和温监测，两者可以说明同样问题，相互补充和验证，有一项损坏或不准时，可利用另一项监测内容进行分析。以得到更加准确、可靠的监测结果，保证作业工作面环境安全，防止灾害发生。

在本申请实施例中，其中主要技术特点在于：

一、采空区温度监测

本申请实施例利用光纤传感的技术优势，对采空区温度数据进行采集，并利用矿井光纤环网进行信号上传至监测中心站，实现实时在线监测，数据自动记录保存，形成可视化曲线等记录分析功能。鉴于井下测点的距离远、范围大，充分考虑系统的可扩展性、数据传输的可靠性、井下环境的安全性，以及井下工作设备的发展趋势。系统设计以光纤作为传输主干、传感器选用无源、高灵敏的光纤光栅传感器，同时为今后井下其他物理量监测提供良好的基础。

(1)监测原理及优势：光纤光栅属于反射型工作器件，当光源发出的连续宽带光通过传输光纤射入时，它与光场发生耦合作用，对该宽带光有选择地反射回相应的一个窄带光，并沿原传输光纤返回，其余宽带光则直接透射过去。

反射回的窄带光的中心波长值随着作用于光纤光栅的温度和应变的改变而线性变化，从而使光纤光栅成为性能优异的温度、应变测量敏感元件。透射过去的剩余宽带光可以继续传输给其他具有不同中心波长的光纤光栅阵列，其中相应中心波长的窄带光系列将被逐一反射，全部沿原传输光纤返回。由此可实现多个光纤光栅传感器的串接复用。光纤光栅上述特性使之成为温度、应变、压力、加速度、位移等物理量的优异测量敏感元件，并且可以同时实现多个物理量的准分布式测量，因此，光纤光栅成为大型结构长期健康监测的最佳选择。

fbg系列光纤光栅传感器通过内部敏感元件――光纤光栅所反射的光信号中心波长移动量来检测物理量的数值，测量精度不受光源波动及传输线路弯曲损耗的影响，可直接通过光纤进行信号远程传输(超过40km)，监测现场无需供电。

fbg系列光纤光栅传感器外壳及关键部件均采用专用耐腐蚀合金钢或钛合金制成，并在关键部位进行了加厚结构设计，可以直接埋入混凝土中进行长期观测。用于大坝、海底隧道、边坡等结构的温度、应力、变形及水压、土压观测。

fbg系列光纤光栅传感器的最大光缆接线长度均为40000米，可将多个传感器串接在一根光纤上引出，也可汇聚集合为一条多芯主干光缆实现成百上千点的集束传输。

(2)监测系统布置方式

由于新式开采方法特有的采煤方法决定了工作面通风方式为z型，采空区内靠近留巷侧在漏风影响下易发生氧化反应，因而可将采空区划分为两个区域。其中，靠近有超前巷道的一侧为不易氧化区域，靠近留巷的一侧为易氧化区域。对于不易氧化区，监测点密度可相对减小，对于易氧化区，监测点的密度需相对增大。根据工作面长度，在上述区域分别布置数条温度监测光纤，光纤从工作面液压支架之间的空隙穿过，前端与绕线盘10连接，后端埋入支架后方采空区；随工作面向前推进，光纤跟随支架不断向前延伸铺设。

(3)监测光纤保护方式

为了防止埋入采空区的光纤被垮落矸石砸断，本申请提供一种“刚柔并济”的保护方式，即在光纤外套聚氨酯管+钢管进行双重保护。通过在外层采用具有一定强度的钢管进行保护，里层再使用具有一定厚度和弹性的聚氨酯管，本领域技术人员可以理解的是，聚氨酯管可以替换为其它柔性填充材料，比如：pvc发泡塑料或海绵，将光纤与采集装置保护起来，即使矸石使外层钢管变形，内部聚氨酯管也可以起到缓冲保护的作用。

二、采空区气体监测

如图6、图7以及图8所示意，本申请实施例还包括一种采空区气体监测系统，其与前述实施例的光纤监测系统可以并行铺设，主要由隔爆兼本安型多路电源箱、12v本安电源、本质安全型以太网交换机、煤矿井下光谱分析仪、煤矿气体预处理控制装置、多路气体采样泵与防爆电机组合装置、煤矿用聚乙烯束管和气体采样器等组成，该系统采用光学原理对自然发火标志性气体(包括甲烷、氧气、一氧化碳、二氧化碳、乙烯、乙炔等)进行定量分析。数据传输利用以太环网网络，把采集到的气体浓度上传到主机，可实现采空区气体实时在线监测。

(1)监测原理及优势

该系统采用可调谐光学二极管吸收光谱气体检测技术设计煤矿火灾检测参数数据采集设备，可实现对采煤工作面和采空区的ch4、co、c2h4、co2、o2气体浓度等参数的监测，为火灾监测预警提供数据资源和判断依据。

火灾监测参数数据采集设备主要包括矿用本安型光学火灾监测主机9(以下简称气体检测主机)和气体采样系统，其中气体检测主机主要完成对不同束管的气体浓度检测，包括ch4、co、c2h4、co2、o2气体浓度，同时执行地面监测软件系统发送的各种指令；气体采样系统主要包括矿用分布式光学火灾监测系统用输气泵站(以下简称输气泵站)和气体取样束管，输气泵站通过气体取样束管把监测区域内的气体抽取至气体检测主机内，由气体检测主机内完成对气体浓度的自动测量。

该系统基于光学气体检测技术，实现了井下火灾监测现场取气策略智能化、气体成分分析自动化。

(2)监测系统布置方式

由于新式开采方法特有的采煤方法决定了工作面通风方式为z型，采空区内靠近留巷侧在漏风影响下易发生氧化，因而可将采空区划分为两个区域。其中，靠近有超前巷道的一侧为不易氧化区域，靠近留巷的一侧为易氧化区域。对于不易氧化区，监测点密度可相对减小，对于易氧化区，监测点的密度需相对增大。根据工作面长度，在上述区域分别布置数条气体监测束管12，束管12从工作面液压支架之间的空隙穿过，前端与绕线盘10连接，后端埋入支架后方采空区；随工作面向前推进，束管跟随支架不断向前延伸铺设。

(3)监测束管保护方式

如图7所示意，为了防止埋入采空区的束管12被垮落矸石砸断，采用束管12外套钢管14进行保护，再在其上覆盖煤泥用以缓冲矸石压力的方式进行保护。气体采样器20处采用一个三通钢管22进行保护，使采样器20直立与底板上方0.5～1m处，防止采样器进水被堵。保护钢管12可以有粗细两种型号，依次互相套接，两种钢管侧边可以提前割出一条裂缝，用于放入束管。

以下结合附图在于本申请具体实施例举例说明如下：

如图1所示，本申请实施例的检测系统，以工作面长度280m为例，靠近留巷侧140m范围内布置5条温度监测光纤，另一侧140m范围内布置2条温度监测光纤1，自工作面切眼开始，每条光纤上间隔一定距离(根据推进速度和煤层自然发火期等因素确定)安装一个采集装置2，光纤从液压支架之间的间隙穿过，经支架前方的绕线盘10，连接到位于进风巷道设备列车上的光纤分路盒3，监测信号经主传输光纤4，传输至解调仪5进行解调，解调后的信号经井下交换机6传入环网7，最后经井上交换机8传入监测主机9。

为了防止光纤被采空区垮落矸石砸断，本申请实施例提供一种采空区内光纤保护方式，即采用韧性材料(聚氨酯管)与高强度管材(钢管)对光纤进行双重保护。光纤保护最外层的钢管强度很大，可以对采空区落石起到第一层保护。如果采空区矸石对钢管冲击力大于钢管强度时，钢管被砸断，冲击力作用到第二层保护材料上。由于光纤及传感器被包裹在第二层保护材料内，这就需要第二层保护材料既有很高的强度又具有很好的韧性。聚氨酯作为一种新兴的有机高分子材料具有机械强度大、弹性好(优良的复原性)、耐磨性能好、防腐蚀等优点，非常适合作为采空区光缆与传感器的第二层保护材料。本领域技术人员可以理解的是，前述聚氨酯材料可以替换为其它柔性填充材料，比如：pvc发泡塑料或海绵。

具体的安装方式如下：

(1)通过光纤将多个间隔的采集装置串联起来，将两根聚氨酯材质保护管首尾相连，将光纤或传感器放入聚氨酯材质保护管一侧割好的缝隙内；

(2)将装入光纤及采集装置的聚氨酯材质保护管通过钢管一侧已割好的缝隙放入钢管内；

(3)保持钢管与聚氨酯管卡缝同轴对齐后，将钢管套到聚氨酯管外部；

(4)将相邻两个分管使用套箍螺纹进行连接，完成固定。

采空区气体监测布置方式与温度监测较为相似，如图5所示，靠近留巷侧140m范围内布置5条气体监测束管，另一侧140m范围内布置2条束管1，在工作面切眼开始，每条束管上间隔一定距离(根据推进速度和煤层自然发火期等因素确定)安装一个气体采样器2，束管从液压支架之间的间隙穿过，经支架前方的绕线盘10，连接到位于进风巷道设备列车上的气体分析系统3，分析信号经主传输光纤4，传输至井下交换机，然后传入环网7，最后经井上交换机8传入监测主机9。

其中，气体分析系统原理如图6所示。该系统主要由隔爆兼本安型多路电源箱、12v本安电源、煤矿井下光谱分析仪(该设备是系统核心部件，放置在井下，为嵌入式，由隔爆机箱、分析仪组件、采样组件、控制组件、自动校准和显示组件、数据接口组件等组成)、煤矿气体预处理控制装置、多路气体采样泵与防爆电机组合装置等组成。采空区的气体在抽气泵的作用下被不断的抽出，经过两道气体处理装置对气体进行过滤处理，处理后的气体进入光谱分析仪，分析仪将气体数据转化为信号传输至交换机，最后经环网传至地面。可将气体分析系统的气体数据送至监测主机9，以便于将两种监测数据进行整合，以便于利用两个监测系统进行关联判断。

为了防止束管被采空区垮落矸石砸断，本申请实施例提供一种采空区内束管保护方式，即采用高强度管材(钢管)与浮煤对束管进行双重保护。其安装步骤为：

(1)气体监测系统中是将束管从保护钢管一侧装入32mm钢管内部；

(2)将束管继续装入一根25mm钢管内部；

(3)将两种型号的钢管依次进行套接，循环前进；

(4)当遇到需安装气体采样器时，在两根钢管之间安装一个三通钢管，其中三通钢管两侧开口分别与两根钢管套接并使用螺丝固定连接；

(5)将三通直立放置，并将采样器2置于三通的顶端，以防止其靠采空区底板太近而导致进水堵塞束管，如图7所示；

(6)将束管及保护管置于支架16之间间隙放好，并使用浮煤15将束管覆盖保护，仅使采样器露出即可，如图8所示。

本申请实施例相比现有技术的技术效果在于：

1)对采空区内温度、气体进行联合监测，相互补充验证，结果更加准确可靠；从图1和图5可以看出，监测点是一致的，但监测点和传输线的安装和保护是独立的，因为一个是气体束管，一个是管线，不宜一起安装，但可以安装在相同位置。

2)结合新式开采方法特有的风场特点，对工作面两侧进行非对称的分区监测，既节省监测成本，而且更具针对性；

3)提供了采空区光纤、束管的双重保护方案，有效防止光纤或束管被采空区矸石砸断；

4)提供了监测束管防止进水的设计方案。

尽管已经参照某些实施例公开了本申请，但是在不背离本申请的范围和范畴的前提下，可以对所述的实施例进行多种变型和修改。因此，应该理解本申请并不局限于所阐述的实施例，其保护范围应当由所附权利要求的内容及其等价的结构和方案限定。