一种矿井火灾智能监测预警辅助决策方法及系统

本发明涉及煤矿防灭火，特别涉及一种矿井火灾智能监测预警辅助决策方法及系统。

背景技术：

1、煤炭自燃灾害是煤炭开采过程中面临的主要灾害之一，90％以上的煤层自燃倾向性为易自燃(ⅰ类)或自燃(ⅱ类)，煤炭开采过程中，煤层自燃火灾十分严重。随着经济的健康高速发展，矿井开采力度将进一步加大，机械化程度和监测技术的提高，高产高效矿开采强度进一步增加，近年来，越来越多关于近距离煤层群开采，孤岛工作面开采、冲击地压工作面开采等一系列复杂环境条件下的矿井煤自燃问题严重阻碍了矿井安全生产。

2、目前，煤自燃灾害防治的难题和关键主要在于：1)采空区立体空间，煤自燃火灾都具有火源隐蔽性，常发生在不能进入或难以进入的采空区或煤柱内，煤岩体导热性差，传统通过烟雾、明火等方式等方法，容易造成火灾判别滞后；2)采空区煤自燃煤自燃危险区域分布范围广，随着工作面的推进不断的变化，导致防灭火措施处置不到准确位置；3)传统采空区煤自燃监测存在工作量大、盲区多、时效性差、漏报率高等问题；4)煤自燃防治技术跟不上开采自动化、智能化技术发展步伐，监测与防控技术未联控。

3、现有的煤自燃灾害防治技术包括监测和措施两种手段，监测部分主要包括人工定期取气监测、红外测温仪监测煤温、束管检测系统等；防灭火措施手段包括：注氮、注浆、封堵压注灭火材料、封闭等方式。以上常规防灭火技术手段与本技术相比，存在以下问题：

4、(1)现有采空区气体数据量大，人工采集工作强度高，数据更新速度慢，很难实现实时监测；危险区域内煤自燃信息监测点少，监测范围小，人员工作量大，获取的信息可靠性差，且针对性不强；红外测温仪只能测量物体表面温度，很难通过表面温度反演危险区域内温度变化情况；

5、(2)现有束管监测系统信息共享差，只实现了指标参数的在线监测，缺少对火灾信息的全面采集与处理，在线综合分析预警功能不完善，一般只具有单指标超限报警功能。自燃危险区域特征信息的动态监测技术的发展不成熟，很难保证检测参数的可靠性、稳定性和全面性。系统误报率和漏报率高，很难准确判定火源位置。

6、(3)当前矿井防灭火技术措施的使用大多为出现异常被动应急，措施单一，未明确使用时机，针对性、有效性、时效性差。不能在煤自燃的初期阶段对该危险区域进行防灭火治理。

技术实现思路

1、为了克服以上技术问题，本发明的目的在于提供一种矿井火灾智能监测预警辅助决策方法及系统，对于矿井煤自燃火灾针对性强、易操作、效率高、效果好、应急响应迅速的特点，能够达到煤火灾害由被动治理向主动防控的根本转变，实现煤矿安全高产高效开采的目的。

2、为了实现上述目的，本发明采用的技术方案是：

3、一种矿井火灾智能监测预警辅助决策方法，包括煤自燃监测预警特征参数采集、矿井火灾识别判定及风险评估、煤自燃智能辅助决策及多手段协同主动防控方法、效果反馈调节四个主要步骤；具体步骤如下：

4、(1)通过多参数在线系统和烟雾传感器在现场采集的数据构成煤自燃监测预警特征参数采集，将基础数据提供给矿井火灾识别判定及风险评估；

5、(2)矿井火灾识别判定及风险评估通过煤自燃三带动态划分及危险区域判定及煤自燃智能分级预警指标体系构建的结论，将煤自燃监测预警特征参数转换为措施判定范围判定及分级预警对应的级别，提供给煤自燃智能辅助决策及多手段协同主动防控方法；

6、(3)煤自燃智能辅助决策及多手段协同主动防控方法根据矿井火灾识别判定及风险评估提供的措施判定范围判定及分级预警对应的级别结合事先根据不同预警级别的协同防控内容得出对应的措施及注氮、注浆措施的实施位置；

7、(4)实施措施后的采空区会产生新的气体数据变化，根据气体变化根据多参数在线系统经由煤自燃监测预警特征参数采集、矿井火灾识别判定及风险评估、煤自燃智能辅助决策及多手段协同主动防控方法会产生新的分级预警和措施结论，实现效果反馈调节。

8、所述步骤(2)中，其中煤自燃三带动态划分及危险区域判定通过多参数在线监测系统提供的基础数据主要划分出煤自燃危险区域为防灭火措施提供措施范围判定，煤自燃智能分级预警指标体系构建过多参数在线监测系统提供的基础数据和自然发火及标志性临界值测试实验确定出煤自燃分级预警指标和其对应级别。

9、煤自燃三带动态划分：采空区遗煤自燃，划分为三个带，即散热带(氧气浓度＞18％的区域内)、氧化升温带(5％＞氧气浓度＞18％的区域内)和窒熄带(氧气浓度＜5％的区域内)；

10、煤自燃监测预警特征参数采集中布置好的束管经多参数在线监测传感器将采空区的气体抽出实时分析氧气浓度，随着每日工作面回采推进度的增加，氧气呈下降趋势，氧气会从正常空气含量的21％逐渐降低至5％，依据散热带(氧气浓度＞18％)、氧化升温带(5％＞氧气浓度＞18％)和窒熄带(氧气浓度＜5％)的划分，将其写入软件算法，每日输入推进度做累加状态，氧气在从21％逐渐降低至5％的过程中，对应的推进度l1即为氧化升温带宽度l2，推进度l1/氧化升温带宽度l2。

11、采空区的煤自燃主动分级协同防控方法，包括以下步骤；

12、①预警初值：温度小于30～40℃时，对煤层进行动态推进，控制氧化带的存在时间使其快速进入窒息带即可；

13、②灰色预警：当温度出现升高，大于30～40℃时，需要进一步对氧气浓度进行降低，在动态推进的同时对端头进行封堵或压注氮气；

14、③蓝色预警：在煤温超过50～60℃进入自热阶段后，根据极限氧浓度得到用降低氧浓度的措施抑制煤自燃，防止进一步升温，因此需要在动态推进的同时对端头进行封堵并且压注氮气降低氧气浓度；

15、④黄色预警：一旦煤温到达临界温度超过70～80℃，采空区煤体开始快速氧化，极限氧浓度降低，在较低氧浓度下煤体依然可以缓慢氧化，在前期降氧措施的同时对采空区进行灌浆抑温或压注胶体形成胶体隔离墙对火区进行分段隔离；

16、⑤橙色预警：温度超过90～110℃后，煤体开始快速的氧化热解，对火区压注防灭火材料形成胶体隔离墙来配合其他防灭火措施；

17、⑥红色、黑色预警：当温度超过130～140℃后，对采面进行封闭进一步制定防灭火方案，实施防灭火措施。

18、煤自燃智能辅助决策及多手段协同主动防控方法的决策内容如下：

19、①预警初值：采空区内气体进入预警初值指标，采空区co为xx，o2为xx，应保证动态推进，推进度为va；

20、②灰色预警：采空区内气体进入灰色预警指标，采空区co为xx，o2为xx，△co/△o2为xx，应保证动态推进，推进度为va；采取端头封堵或进行注氮降氧措施，注氮口范围应布置在l1＜采空区距离工作面＜l3范围内(会有弹窗选择是否选择远程启动注氮机)；

21、③蓝色预警：采空区内气体进入蓝色预警指标，采空区co为xx，o2为xx，△co/△o2为xx，推进度为va；同时采取端头封堵和注氮降氧措施，注氮口范围应布置在l1＜采空区距离工作面＜l3范围内(会有弹窗选择是否选择远程启动注氮机)；

22、④黄色预警：采空区内气体进入黄色预警指标，采空区co为xx，o2为xx，△co/△o2为xx，推进度为va；同时采取端头封堵和注氮降氧措施，注氮口范围应布置在l1＜采空区距离工作面＜l3范围内(会有弹窗选择是否选择远程启动注氮机)；进行分段隔离或采取灌浆抑温措施(会有弹窗选择是否选择远程启动注浆机)，注浆口范围应布置在l1＜采空区距离工作面＜l3范围内；

23、⑤橙色预警：采空区内气体进入橙色预警指标，采空区co为xx，o2为xx，△co/△o2为xx，c2h4浓度为xx，推进度为va；同时采取端头封堵和注氮降氧措施，注氮口范围应布置在l1＜采空区距离工作面＜l3范围内(自动开启注氮机)并进行分段隔离；

24、⑥红色预警：采空区内气体进入红色预警指标，采空区co为xx，o2为xx，△co/△o2为xx，c2h4浓度为xx，c2h2浓度为xx，需立即封闭采面；

25、⑦黑色预警：回风隅角已有烟雾出现，采空区co为xx，o2为xx，△co/△o2为xx，c2h4浓度为xx，c2h2浓度为xx，需立即封闭采面。

26、所述步骤(3)中，措施内容包括联动注氮、联动注浆、分段隔离、动态推进、端头封堵、封闭采面。

27、基于一种矿井火灾智能监测预警辅助决策方法的系统，包括：

28、(1)明确内系统的多参数在线监测传感器的布置位置；从井下采空区、工作面、井筒、地面，布置的工作面的多参数在线监测传感器，将采集到的数据经由485通讯线、主机、交换机传送到地面调度室；

29、(2)多参数在线监测传感器布置在停采线前10-15m，烟雾传感器布置在工作面进、回风隅角处；采空区的气体经束管被多参数在线监测传感器分析并将数据传入井下工业环网，烟雾传感器将烟雾信号传输至烟雾传感器基站进入井下环网，数据从环网进入通讯基站传输至井上数据库；

30、(3)煤自然发火标志性气体及临界值测试实验为煤自燃智能分级预警指标体系构建提供数据支撑。

31、将煤样装入煤样罐中，然后置于利用电热丝控制温度的煤样罐内加热，预热空气通过流量计进入煤样罐中，为煤样氧化提供氧气，煤样受热产生的气体会经过管路至气相色谱仪之中进行气体分析，埋入煤样罐的测温仪能实时监测煤温变化，并和气相色谱仪联动，分析得出对应煤温下的气体数据，从而得出不同煤温时产生的气体的种类和浓度，进而得出煤自燃升温过程的中气体规律变化。

32、本发明的有益效果。

33、(1)通过煤自然发火标志性气体及临界值测试实验装置测试得出的气体指标与煤温对应关系确定了精准表征煤自燃六级预警的气体指标及临界值；通过实验和现场数据对接，消除煤自燃特征信息的普通噪声、异常数据和缺失数据的影响，得到缺失数据的拟合值，提供可供参考的拟合温度值，提高了煤温提前预测的精准度。通过煤自然发火标志性气体及临界值测试得出的气体指标与煤温对应关系，进一步精细划分煤自燃氧化过程中的阶段提出了能够精准表征煤自燃温度的五个气体指标(co、o2、δco/δo2、c2h4、c2h2)，确定了煤自燃分级预警的温度范围和气体指标临界值，实现了矿井煤自燃六级预警，为矿井自燃火灾由被动治理向主动预防转变提供了指导。

34、(2)提出了匹配工作面推进度的采空区煤自燃主动分级协同防控方法；

35、依据采空区煤自燃三带动态划分判定得出的氧化升温带宽度l2为防灭火措施处置提供了处理位置依据，工作面最小推进度vmin，提出了两倍安全系数的推进度va(va＝2vmin)，匹配实际推进度v，结合煤自燃六级预警，提出了“动态推进、端头封堵、注惰降氧、灌浆抑温、分段隔离、封闭采面”等技术手段相互协同的采空区煤自燃主动分级防控方法，空间上和时间上提高相应措施的灭火能力。

36、(3)结合井下设备与软件系统、理论与现场实际情况，杜绝了传统采空区煤自燃监测存在工作量大、盲区多、时效性差、漏报率高等问题，提高了提升了矿井内因火灾的防灾、抗灾能力。

37、(4)使煤自燃防治技术跟上当前矿井开采智能化技术发展步伐，完成了矿井火灾防治的智能识别、辅助决策、联动控制、效果验证，监测与防控技术联控，实现了火灾防控的智能化。