采空区自燃三带测定系统及方法与流程

本发明涉及煤矿井三带测定技术领域，具体涉及一种采空区自燃三带测定系统及方法。

背景技术：

煤矿井中采空区自燃“三带”即散热带、氧化带（也称自燃带）和窒息带的精确合理划分，是防治采空区自燃发火的重要指标。采空区自燃“三带”范围的确定，可以有效增加对防灭火措施的针对性，提高防灭火工程的预防效果，进而有效预防自燃事故的发生。

目前，采空区自燃“三带”多根据采空区漏风流速、采空区漏风强度和采空区气体成分等指标来进行划分，但对于埋藏较浅的煤层，单独采用以上方法对气体变化情况进行分析时，受外界大气温度、气压、气流的影响，导致煤矿井内气体流动，形成误判，在对采空区自燃“三带”进行划分时，常出现划分不准确。

公开号为cn105863714a的中国专利文献记载了一种采空区自燃三带监测系统，其包括用于对采空区水平方向进行自燃三带监测的水平监测设备和用于对采空区垂直方向进行自燃三带监测的垂直监测设备。公开号为cn110221023a的中国专利文献记载了一种煤矿采空区自燃三带的判定方法与测量系统，通过布置在井下巷道里的网络集中控制器，在井下采空区内布置的无线气体浓度传感器来进行监测。上面两种方法、系统采取不同的方式监测采空区内的气体组分、含量的变化，虽然可提高气体的监测精度，但是依然不能避免煤矿井内气体流动造成的误判。

技术实现要素：

本发明旨在提供一种采空区自燃三带测定系统及方法，解决现有技术中采空区自燃三带测定系统会发生误判的技术问题。

为解决上述技术问题，本发明的第一方面是：

设计一种采空区自燃三带测定系统，包括气体监测装置，还包括温度监测装置，所述温度监测装置包括：

多个防爆温度传感器，所述防爆温度传感器按照一定间距布设在采空区和回风顺槽中；

保护钢管，其沿着所述防爆温度传感器的布设路线延伸，各所述防爆温度传感器的信号线设置在所述保护钢管中；

温度信息监控装置，各所述防爆温度传感器的信号线连接到所述温度信息监控装置，从而将实时监测的温度信息传输到所述温度信息监控装置。

优选的，各所述防爆温度传感器在布设路线上间隔25-35m，且各所述防爆温度传感器等间距布设。

优选的，所述气体监测装置包括：

束管，其设置在所述保护钢管中，所述束管包括多个分支管，在各所述防爆温度传感器所在位置分别连通一根所述分支管，且所述保护钢管上位于各所述防爆温度传感器所在部位分别与外界连通；

分路箱，各所述分支管连通到所述分路箱；

抽气泵，连通到所述分路箱；

色谱分析仪，其连通到所述分路箱，用于接收各所述分支管抽取的气体。

优选的，所述保护钢管包括多个连接短管，各所述连接短管的两端分别设有法兰盘；

所述保护钢管位于各所述防爆温度传感器所在部位分别设有分支短管，所述分支短管的一端设有法兰盘，所述分支短管通过三通连接在所述保护钢管的管路上；

各所述分支短管的管壁上均设有多个透气孔。

优选的，所述分支短管为立管，其高度为1-1.5m，所述透气孔沿所述分支短管的高度方向布设。

优选的，所述防爆温度传感器对应设置在所述分支短管中。

优选的，所述抽气泵设置在回风顺槽中与采煤工作面间隔一定距离的位置，以使得所述抽气泵为正压泵。

优选的，所述防爆温度传感器为pt1000温度传感器。

本发明的第二方面是：

设计一种采空区自燃三带测定方法，包括以下步骤：

（1）将本发明第一方面任一项所述的采空区自燃三带测定系统布设在采空区和回风顺槽中；

（2）定期通过所述气体监测装置和温度监测装置监测采空区和回风顺槽中多个点位的气体组分、含量的变化和温度变化，从而判断所监测点位所在区域的三带属性。

优选的，在所述步骤（2）中，根据所述气体监测装置监测采空区或回风顺槽中所监测点位的氧气浓度，氧气浓度＜8%为窒息带，18%≥氧气浓度≥8%为自燃带，氧气浓度≥18%为散热带；在所述步骤（2）中，根据所述温度监测装置监测采空区或回风顺槽中所监测点位的温度变化，温度上升≥1℃/天为自燃带。

本发明的有益技术效果在于：

1.本发明提供的采空区自燃三带测定系统包括气体监测装置和温度监测装置，能够同时获取监测点的气体组分、含量变化以及温度变化，通过气体指标和温度指标综合判断，更加准确可靠，避免发生误判。

2.本发明通过在保护钢管连通分支短管，虽然采空区内上部和下部的气体含量、成分有一定差别，但分支短管的高度方向布设多个透气孔，且分支短管有一定高度，分支短管内的气体能够相对准确的反映分支短管所处区域整体空间中气体成分、含量，通过将束管的分支管末端设置在分支短管内，保证气体采样的准确，不需在空间上布设多个分支管采集空间中不同位置的气体，降低了气体监测装置的复杂程度。

附图说明

图1为本发明采空区自燃三带测定系统一实施例的布置平面图；

图2为图1的a部放大图；

图3为图1的b部放大图；

图4为本发明采空区自燃三带测定系统一实施例中分支短管与保护钢管的连接示意图；

图5为本发明采空区自燃三带测定方法一实施例的流程图。

图中，各标号示意为：运输顺槽11、回风顺槽12、采煤工作面13、采煤方向14、采空区15、空气流向16、防爆温度传感器21、过信号线22、保护钢管3、连接短管31、法兰盘32、分路箱33、抽气泵34、束管41、分支管411、取气口42、分支短管43、法兰盘431、透气孔432、三通44。

具体实施方式

下面结合附图和实施例来说明本发明的具体实施方式，但以下实施例只是用来详细说明本发明，并不以任何方式限制本发明的范围。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

为了便于理解本发明，首先结合图1说明煤矿井构造，如图1所示，煤矿开采时，一般采用回采方式，即在采煤之前，先在外面开设两条巷道深入煤层中，这两条巷道分别为图1中的运输顺槽11和回风顺槽12，运输顺槽11和回风顺槽12在煤矿中打通后形成采煤工作面13，从采煤工作面13处沿着采煤方向14采煤，运输顺槽11中设有皮带输送机，可将采煤工作面13采出的煤运出。

为了使采煤工作面13处有适合呼吸的空气，以及防止煤矿井中易燃易爆气体聚集，同时需要从运输顺槽11将外面的新鲜空气引入到采煤工作面13附近，，然后再经回风顺槽12引出，形成回流，保证空气新鲜。

随着采煤工作面13不断向前推进，形成采空区15，采空区15中的遗煤具有发生自燃的风险，如果发生自燃，一方面会造成煤资源损失，另一方面会导致采煤工作面13处无法继续作业，导致煤矿封闭，本发明采空区自燃三带测定系统就是为了监测采空区15发生自燃的风险。

实施例1：

一种采空区自燃三带测定系统，请参阅图1至图3。

本发明实施例提供的采空区自燃三带测定系统包括气体监测装置和温度监测装置，本实施例通过气体监测装置和温度监测装置综合判断监测点位的三带属性。

如图1和图2所示，在本实施例中，温度监测装置包括六个防爆温度传感器21，这些防爆温度传感器21按照间距l布设在采空区15和回风顺槽12中，布设时，在采空区15中位于采煤工作面13之后靠近运输顺槽11的一侧开始布设防爆温度传感器21，一直延伸到回风顺槽12中靠近采煤工作面13的位置，本实施例中，各相邻防爆温度传感器21的间距l为30m。

防爆温度传感器21主要布设在采空区15，由于空气流向16沿着运输顺槽11、采煤工作面13、回风顺槽12行进，流动的空气会将采空区15中的部分空气带入回风顺槽12，因此，在回风顺槽12与采空区15交叉处布设少数防爆温度传感器21也能起到监测作用。各防爆温度传感器21等间距布设，有利于准确监控采空区各区域的温度情况。

该采空区自燃三带测定系统还设置温度信息监控装置，各防爆温度传感器21通过信号线22连接到温度信息监控装置，从而将实时监测的温度信息传输到温度信息监控装置。

本实施例中的温度信息监控装置为煤矿上专用的kj70x型煤矿安全生产监控系统。在其他实施例中，也可单独采用plc接收各防爆温度传感器21的信号后，再通过plc连接在电脑上进行显示。

为了防止防爆温度传感器21的信号线22被压受损，沿着防爆温度传感器21的布设路线设置保护钢管3，各防爆温度传感器21的信号线22设置在保护钢管3中，并且保护钢管3一直沿着回风顺槽12延伸到煤矿井外的温度信息监控装置处。

防爆温度传感器21为pt1000温度传感器，其分度等级高，灵敏度更高，本实施例中采用型号为gwp200的矿用防爆温度传感器。

进一步的，气体监测装置包括设置在保护钢管3中并沿保护钢管3延伸的束管41，本实施例中的束管41为六芯束管，即束管41包括六个分支管，在各防爆温度传感器21所在位置分别连通一根分支管，即分支管的末端设置在对应的防爆温度传感器21所在位置，且保护钢管3上位于各防爆温度传感器21所在部位分别与外界连通，本实施例在保护钢管3位于各防爆温度传感器21所在位置分别布设一个取气口42，保护钢管3通过取气口42与外界连通。

进一步的，保护钢管3包括多个连接短管，如图3所示，各连接短管31的两端分别设有法兰盘32，连接短管31之间通过法兰盘32连接。

气体监测装置还包括分路箱33，各分支管连通到分路箱33，分路箱33可采用泰安钜隆矿用设备有限公司制作的分路箱。分路箱33上连通有三台抽气泵34，每一台抽气泵34对应为两根分支管提供泵送动力，分路箱33后侧对应通过束管连通到位于煤矿井外的色谱分析仪，色谱分析仪用于接收从各取气口42处抽取的气体，并分析气体的成分、含量。

设置分路箱33的目的是使一台抽气泵34通过分路箱可同时为两路分支管提供泵送动力，且束管41中各分支管通过分路箱33与连通到煤矿井之外的束管的各分支管一一对应连通。

进一步的，抽气泵34设置在回风顺槽12中与采煤工作面13间隔100m的位置，以使得抽气泵34为正压泵，所谓的正压泵是指抽气泵34的出气口的气压高于大气压，也就是将抽气泵34设置在煤矿井中，而不是设置在煤矿井之外，避免因分支管漏气造成所分析的气体成分不准确。

由于受外界气压、气流变化，煤矿井内空气会发生流动，单独监测气体组分、含量会造成误判。而本实施例通过同时监测煤矿井中不同点位的气体组分、含量变化，以及温度变化，多指标综合判断煤矿井中监测区域的三带属性，使判断结果更加准确。

实施例2：

一种采空区自燃三带测定系统，请参阅图4。

本实施例与实施例1的区别在于，保护钢管3位于各防爆温度传感器所在部位分别设有分支短管43，分支短管43的下端设有法兰盘431，分支短管43通过三通44连接在保护钢管3的两根连接短管31之间。

各分支短管43的顶端封闭，且管壁上均设有多个透气孔432，分支短管43为立管，其高度为1.3m，透气孔432沿分支短管43的高度方向布设，防爆温度传感器21对应设置在分支短管43中，且在防爆温度传感器21所处位置设置的分支管411的末端口设置在分支短管43中顶部，从而束管41中的分支管411可透过分支短管43上的透气孔432抽取保护钢管3外部的气体。

采空区内上部和下部的气体含量、成分有一定差别，本实施例通过沿分支短管43的高度方向布设多个透气孔432，且分支短管43有一定高度，分支短管43内的气体能够相对准确的反映分支短管43所处区域整体空间中气体成分、含量，避免分支管411末端仅仅抽取采空区底部的气体而导致采样不准确。

通过在保护钢管3垂直连通分支短管43，分支短管43中的气体基本不会与保护钢管3中的气体发生对流，另外，保护钢管3的内径13cm左右，束管41和信号线22占据保护钢管3内很大一部分空间，保护钢管3的空气基本不会对流，因此，各防爆温度传感器21所处区域设置的分支管411抽取的气体不会相互影响。图中的束管41、信号线22、分支管411仅起到示意作用，不代表其结构形状、粗细。

实施例3：

一种采空区自燃三带测定方法，请参阅图5。

本实施例采空区自燃三带测定方法包括以下步骤：

s100、在采空区和回风顺槽中布设采空区自燃三带测定系统。

本步骤中所布设的采空区自燃三带测定系统为实施例2中的采空区自燃三带测定系统。

s200、定期通过气体监测装置和温度监测装置监测采空区和回风顺槽中多个点位的气体组分、含量的变化和温度变化，从而判断所监测点位所在区域的三带属性。

在步骤s200中，根据气体监测装置监测采空区或回风顺槽中所监测点位的氧气浓度，当氧气浓度＜8%判定为窒息带，当18%≥氧气浓度≥8%判定为自燃带，当氧气浓度≥18%判定为散热带。同时，在步骤s200中，根据温度监测装置监测采空区或回风顺槽中所监测点位的温度变化，如果温度上升≥1℃/天判定为自燃带。

由于受外界气压、气流影响，煤矿井内气体会发生流动，气体监测装置判定的结果可作为初步结论，因此，再根据温度监测装置所检测的温度变化情况作进一步判断，保证判断结果的准确性。

工程实例：

某煤矿井的采煤工作面的走向长度1295m，采煤工作面的倾角为17°，长度130m，煤层平均厚度17.03m，采煤工艺为综合机械化放顶煤，采高3.0m，放煤高度14.03m，煤层为自燃发火倾向性为ⅰ类容易自燃，煤尘均有爆炸危险性。这里的倾角为17°是指采煤工作面位于运输顺槽的一侧至位于回风顺槽的一侧是倾斜的。

在采煤工作面布设实施例2中的采空区自燃三带测定系统，煤矿井进行“三带”监测实验。每天通过该空区自燃三带测定系统的气体监测装置和温度监测装置监测采煤工作面后采空区的气体组分、含量的变化和温度变化，监测到采煤工作面靠近回风顺槽的上端头向下第一个、第二个采样点监测co数值分别为550ppm、450ppm，而温度上升≤0.5℃/天；但上端头向下第三个采样点监测co数值为150ppm，温度上升≥1℃/天。

为进行效果验证，首先，煤矿井在采煤工作面上端头分别向下第一个、第二个采样点位置分别打孔注浆(注浆量为160m³/d)，注浆2天后经分析上端头向下第一个、第二个采样点监测co数值分别为680ppm、520ppm，呈继续上升趋势，而温度上升≤0.5℃/天；但上端头向下第三个采样点监测co数值为161ppm，而温度上升≥1℃/天。

之后，煤矿井在采煤工作面向下第三个采样点位置打孔注浆(注浆量为160m³/d)，注浆2天后经分析上端头向下第一个、第二个采样点监测co数值分别为52ppm、33ppm，呈下降趋势，温度上升≤0.5℃/天；而上端头向下第三个采样点监测co数值为为15ppm，温度上升≤1℃/天。

通过实验，证明采煤工作面上端头向下第一个、第二个采样点所处区域不是自燃带，而采煤工作面上端头向下第三个采样点所处区域才是自燃带。采煤工作面上端头向下第一个、第二个采样点co数值高是因受高差影响，上端头向下第三个采样点氧化的co流动至第一个、第二个采样点，而非第一个、第二个采样点氧化所致，同时也证明了温度监测的准确性。

本工程实例中的注浆是指将注浆材料(黄土、页岩、矸石、粉煤灰、尾矿等)细粒化后加水制备成浆，然后用水力输送到煤矿井下注入需防灭火区域内，通过浆液包裹煤岩阻止氧化、冷却煤岩温度而预防或扑灭煤矿井发生火灾。

本工程实例中的第一个、第二个、第三个采样点是指布设的防爆温度传感器所处位置，由实施例2可知，采样点也是束管中的一根分支管所连通的位置，以对气体抽样分析。

上面结合附图和实施例对本发明作了详细的说明，但是，所属技术领域的技术人员能够理解，在不脱离本发明宗旨的前提下，还可以对上述实施例中的各个具体参数进行变更，形成多个具体的实施例，均为本发明的常见变化范围，在此不再一一详述。