張 鵬

(山西晉城煤業(yè)集團(tuán)寺河煤礦二號井，山西 晉城 048019)

0 引言

我國煤礦火災(zāi)事故比較嚴(yán)重，礦井的自然發(fā)火所占的比重將在80%以上，而對于國內(nèi)重點的煤礦企業(yè)，有自燃危險的礦井約占50%，而煤層的自燃傾向性就更為嚴(yán)重[1]，因此，對礦井自燃火災(zāi)的提前預(yù)防是當(dāng)前一項緊迫的任務(wù)。早期對煤礦自然發(fā)火做出預(yù)測預(yù)報，有利于防止災(zāi)害繼續(xù)發(fā)展，毀壞設(shè)備和資源，釀成煤礦重大惡性事故，是保證煤礦安全生產(chǎn)行之有效的技術(shù)措施。

1 煤礦自然發(fā)火預(yù)測方法

我國現(xiàn)有煤礦自然發(fā)火預(yù)測技術(shù)主要依賴于煤的物理化學(xué)特性結(jié)合光譜分析技術(shù)、統(tǒng)計學(xué)技術(shù)展開預(yù)測工作。

1.1 自燃傾向性預(yù)測法

煤自燃傾向性[2]是指煤自身吸氧蓄熱發(fā)生著火的特性。煤層開拓之前可能產(chǎn)生自然發(fā)火的程度，是煤的內(nèi)在屬性之一。外在環(huán)境不影響煤的自燃傾向性，但不同煤的物理化學(xué)特性，如煤化程度、水分和煤的孔隙特性等對其有影響。煤自燃傾向性測試方法有很多，有關(guān)人士對其進(jìn)行了分類，主要有吸附氧測試法、交叉點溫度法等。

對于上述的相關(guān)方法，我國通常利用色譜吸氧鑒定法對煤層的自燃傾向性進(jìn)行鑒定，主要使用的檢測儀器設(shè)備是ZR-1型測定儀，它可以測出煤炭在30℃常壓下的吸氧量，最后利用每克干煤吸氧的多少，將其自燃情況分為容易自燃、自燃、不易自燃3個級別。

1.2 其它自然發(fā)火預(yù)測方法

礦井的自然發(fā)火預(yù)測除了采用自燃傾向性這種方法以外，還有經(jīng)驗統(tǒng)計預(yù)測法等。

2 煤礦自然發(fā)火預(yù)報技術(shù)

火災(zāi)預(yù)測預(yù)報的方法很多，歸納起來可以分為人的直觀感覺識別、用儀器儀表檢測礦井空氣成分或用計算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)測定礦井空氣成分和檢測煤的溫度等方法。

2.1 以人體的感知預(yù)報自然發(fā)火

根據(jù)我們?nèi)梭w自身的生理現(xiàn)象來感覺礦井火災(zāi)的方法主要有以下幾種：①嗅覺。當(dāng)?shù)V井內(nèi)的可燃物質(zhì)受到高溫分解后，會出現(xiàn)一系列火災(zāi)氣體，煤在熱解過程中釋放出烴類化合物，巷道中會出現(xiàn)煤油以及煤焦油等氣味；②視覺。煤在自燃氧化過程中生成和蒸發(fā)出一些水分，巷道內(nèi)空氣溫度增加，表現(xiàn)為煤壁“出汗”，自然發(fā)火到一定程度時，會出現(xiàn)明火等；③觸覺。煤在自燃的過程當(dāng)中會釋放出能量，從而使得周圍空氣的溫度增高，并且還會伴隨著出現(xiàn)一氧化碳等有毒有害氣體，導(dǎo)致工人出現(xiàn)四肢無力等病理現(xiàn)象。

2.2 綜合因素評判預(yù)測法

綜合因素預(yù)測法通常指的是對礦井內(nèi)部煤炭的影響因素綜合地進(jìn)行評分來預(yù)測自然發(fā)火，其因素主要有礦井環(huán)境溫度、通風(fēng)情況以及管理情況等。此方法對所有的影響因素都按權(quán)重作出了說明，很好地避免了人主觀的影響，使得最終的預(yù)測更加準(zhǔn)確，它是一種簡單且相對精確的預(yù)測方法。

2.3 經(jīng)驗統(tǒng)計預(yù)測法

此方法主要是根據(jù)現(xiàn)有的自然發(fā)火事故來做出統(tǒng)計分析，對各個開采煤層中具有自然發(fā)火情況的相關(guān)指標(biāo)參數(shù)做出分析預(yù)測。它需要根據(jù)一定數(shù)量的資料統(tǒng)計，因此可靠度比較高。其缺點是很難對其它類型自然發(fā)火進(jìn)行預(yù)測，在各個時間段內(nèi)所做的統(tǒng)計也存在著一定的誤差，只能簡單判斷出自然發(fā)火的范圍。

2.4 數(shù)學(xué)模型預(yù)測法

數(shù)學(xué)模型預(yù)測法需要構(gòu)建出發(fā)火的數(shù)學(xué)模型，要對礦井煤炭自然發(fā)火的過程進(jìn)行數(shù)值解算，從而求出不同邊界下礦井煤炭自然發(fā)火的危險程度。其通?？梢岳糜嬎銠C(jī)，結(jié)合數(shù)學(xué)模型以及監(jiān)測設(shè)備等程序，迅速地實時模擬自然發(fā)火的過程。

2.5 檢測礦井空氣成分

氣體成分分析法：氣體分析法[3]一般利用煤炭在自然過程中的產(chǎn)物，例如所釋放出的氣體的濃度大小等相關(guān)參數(shù)，從而及時對礦井內(nèi)煤是否有自然發(fā)火的發(fā)生做出判斷。其指標(biāo)性的氣體主要有以下兩種：一種是根據(jù)一些指標(biāo)性氣體直接來預(yù)測預(yù)報，另一種是根據(jù)一些氣體的組成成分的變化規(guī)律進(jìn)行預(yù)測預(yù)報。通常情況下，礦井風(fēng)流中CO2、CO以及O2的濃度是隨著風(fēng)量的變化而變化的，采用CO絕對量作為預(yù)報的指標(biāo)，可以避免風(fēng)量變化對預(yù)報的影響，CO絕對量通常稱作發(fā)火系數(shù)，用H表示，即H=QCCO，式中:Q—觀測點的風(fēng)量；CCO—觀測點風(fēng)流中CO的濃度。此式適用于入風(fēng)側(cè)氣樣中不含有CO的條件下，否則，H值應(yīng)為入、排風(fēng)側(cè)氣樣中CO絕對量之差。由于H值受煤種、井下氣體成分和著火范圍大小等因素的影響，礦井應(yīng)在實際中統(tǒng)計出適合于本礦的標(biāo)志性氣體臨界值。

氣味檢測法：氣味檢測法一般是采用氣味傳感器來實現(xiàn)，利用此傳感器并且結(jié)合人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的相關(guān)理論來辨識各種各樣的氣味，從而對礦井的自然發(fā)火及時作出預(yù)報工作。此方法可以對煤炭氧化時所放出的氣體味道進(jìn)行跟蹤捕捉。

2.6 測溫法

通常所說的測溫法[4]指的是根據(jù)溫度傳感器來測定高溫地點的溫度從而確定出其發(fā)火的危險等級。此法一般是在鉆孔內(nèi)裝有溫度探測器，最后利用測出的溫度值及相關(guān)信號的變化規(guī)律來確定是否會發(fā)生火災(zāi)。它是探尋煤炭是否自燃及高溫火源的根本方法，然而對于礦井巷道中散落的煤體中溫度的測定方法還沒有及時地解決。當(dāng)今應(yīng)用最廣泛的預(yù)測方法就是結(jié)合測溫儀表與傳感器為一體的測溫法。

2.7 煤礦火災(zāi)監(jiān)測監(jiān)控系統(tǒng)

束管監(jiān)測系統(tǒng)：束管監(jiān)測系統(tǒng)通常是根據(jù)抽取的相關(guān)氣體的特性以及相關(guān)氣體的變化情況來預(yù)測預(yù)報，在礦井的實際生產(chǎn)中，一般將一氧化碳等氣體看作氣體的標(biāo)志性代表，并結(jié)合相關(guān)的烷烴氣體一起檢測。

礦井火災(zāi)監(jiān)測與監(jiān)控系統(tǒng)：煤礦安全監(jiān)測監(jiān)控系統(tǒng)對礦井環(huán)境進(jìn)行全覆蓋檢測，通過安全監(jiān)控系統(tǒng)對相關(guān)參數(shù)的分析比較可以及時地發(fā)出警報信號，斷電并且閉鎖，從而防止事故的發(fā)生。

3 預(yù)測預(yù)報技術(shù)評價

3.1 試驗條件

自燃傾向性預(yù)測法對實驗相關(guān)要求比較苛刻，要在同一條件下對不同情況的煤樣的發(fā)火程度進(jìn)行比對分析，其結(jié)果并不夠準(zhǔn)確，僅僅可以粗略地估計其危險等級。對礦井煤炭自燃傾向性進(jìn)行合理的鑒定就要求我們對其一系列的過程進(jìn)行探討，選出可以直接體現(xiàn)出煤炭自燃特性的具體指標(biāo)，最終使其鑒定方法可以直觀體現(xiàn)出煤炭氧化的難易情況。

3.2 經(jīng)驗因素

統(tǒng)計法：經(jīng)驗統(tǒng)計預(yù)測法的缺點是個人的主觀性太強(qiáng)，且數(shù)學(xué)模型預(yù)測法對于邊界條件進(jìn)行了一定的簡化，這些情況都將影響結(jié)論的準(zhǔn)確性。針對這些問題，可做如下改進(jìn)，在定性分析中大量使用數(shù)學(xué)知識進(jìn)行計算，將定性與定量分析結(jié)合起來，使得預(yù)測結(jié)果更加科學(xué)、準(zhǔn)確。

人體感知法：這種火災(zāi)的預(yù)報技術(shù)，依靠人體的直觀感覺預(yù)報帶有很大的主觀隨意性，只有自燃達(dá)到一定程度人體才會有明顯的感覺，所以不能把人的直觀感覺作為煤自燃早期識別的唯一根據(jù)，應(yīng)使用儀器進(jìn)行定量分析。

3.3 測試手段

測溫法：在煤炭自熱階段，測溫法可以較早地預(yù)報自燃火災(zāi)的發(fā)生，但現(xiàn)有的人工測溫法，由于測溫法是點接觸，安裝、維護(hù)工作量大，不能提供實時監(jiān)測和預(yù)警。

氣味檢測法：礦井煤炭在自燃的過程中在各個階段都將會出現(xiàn)不同類型的指標(biāo)性氣體，而在不同階段所采用的氣體種類要根據(jù)實驗進(jìn)行測定。對于氣味檢測法一般要通過礦井的相關(guān)生產(chǎn)條件來決定，當(dāng)氣味傳感器用于礦井內(nèi)部時，需要長時間對井下巷道中氣味的變化情況進(jìn)行監(jiān)測，從而發(fā)現(xiàn)在此情況下氣體的變化規(guī)律。因此，對礦井煤炭自燃中的指標(biāo)性氣體選取時要先進(jìn)行實驗驗證，從而結(jié)合各種不同的氣體進(jìn)行預(yù)測預(yù)報。

3.4 實時性

礦井束管監(jiān)測系統(tǒng)對于井下氣體的檢測非常有效，但是它也存在著一些缺點，例如監(jiān)測數(shù)據(jù)滯后、選擇標(biāo)志性氣體的針對性不夠、難以直接做出煤自燃程度等級劃分等不足之處仍需改進(jìn)。

4 結(jié)語

礦井初期對火災(zāi)的預(yù)測預(yù)報對于礦井的安全生產(chǎn)起著非常重要的作用，當(dāng)前的預(yù)測技術(shù)對于礦井的自燃有著一定的預(yù)防作用，但對于生產(chǎn)能力大的礦井而言仍然難以滿足。各種預(yù)測預(yù)報方法都有其自身優(yōu)、缺點和使用范圍，對自然發(fā)火程度較低的礦，可以使用粗略的預(yù)測預(yù)報方法，如自燃傾向性預(yù)測法，綜合因素評判法等，而自然發(fā)火嚴(yán)重的礦，需選用較為可靠的預(yù)測預(yù)報技術(shù)，以實驗為基礎(chǔ)，合理的標(biāo)志性氣體分析，可靠的監(jiān)測監(jiān)控系統(tǒng)都是必不可少的。多種方法可結(jié)合使用，最終使用何種方法應(yīng)根據(jù)礦山具體情況而定?？傊岣哳A(yù)測預(yù)報準(zhǔn)確率，提前采取防火措施，確保煤礦生產(chǎn)安全才是終極目標(biāo)。