煤自燃火灾监测预警技术的研究现状与发展

煤自燃火灾监测预警技术的研究现状与发展

第3期　　　　　　　　王彩萍　王伟峰　屈丽娜等　煤自燃火灾监测预警技术的研究现状与发展3

1

试验研究

煤自燃火灾监测预警技术的

3

研究现状与发展

王彩萍

1,2

,王伟峰

1,2

,屈丽娜

1,2

,张建强

1,2

(1.西安科技大学能源学院,陕西西安　710054;

2.西部矿井开采及灾害防治教育部重点实验室,西部煤矿安全教育部工程研究中心,陕西西安　710054)

摘　要:。以煤自燃火灾监测预警技术的研究现状与发展趋势为主线,究现状和研究成果,指出了其中存在的问题,势,关键词:煤自燃;火灾监测;中图分类号:TD752:1671-749X(2009)03-0001-04

采空区遗煤高温点位置的隐蔽与不易确定性,易导

致发现与采取措施的滞后,造成人力、物力的浪费,给矿井安全生产带来隐患。因此,采空区遗煤自然发火问题是长期以来一直困扰煤矿安全生产的一个非常棘手而又亟待解决的难点问题。准确地预测采空区遗煤自然发火的危险性,早采取防灭火措施,防止采空区遗煤由自热状态向自燃状态转变,这对于减少火灾与瓦斯爆炸等煤矿恶性事故的发生与保证煤矿的安全生产具有重要意义

[2-3]

0　引言

据统计,在我国北方煤田自燃火区共有56处,

主要分布在西北7个省、自治区,火区燃烧面积累计达720km,累计烧毁量在42亿t以上,目前仍以每

[1]

年3000多万t燃烧速度发展。每年直接损失的煤炭资源达1000万t到1360万t,间接损失的优质煤炭有2亿t。据初步估算,煤田自燃每年至少造成200亿元的经济损失。煤田火灾不仅仅是损失了数亿吨的煤炭,而且由此引发的地质环境、生态环境、大气环境等问题,对我国今后经济的可持续发展将带来无法估量的危害。矿井火灾与煤尘瓦斯爆炸酿成煤矿重大恶性事故,冻结大量煤炭资源和生产设备,造成了巨大的经济损失和人员伤亡。随着我国大型露天煤矿的不断开发,露天煤矿煤层埋藏浅、变质程度低、煤质松软、挥发分高、灰分小,在自然条件下极易破碎氧化,有较高的自燃倾向性,煤自燃火灾预测也是目前的一大难题。采空区是煤矿煤炭自然发火最易、最频繁的地点之一,由于

基金项目:国家科技支撑计划项目(2007BAK29B03);新世纪人才支持计划(NECT050874)。收稿日期:2008-11-17

作者简介:王彩萍(1985-),女,陕西澄城人,西安科技大学安全技术及工程专业在读硕士研究生,主要从事煤自燃机理及火灾防治方面的研究与应用。

3

2

。煤炭自然发火

预测预报,就是根据煤自然发火过程中出现的征兆和观测结果,判断自燃,预测和推断自燃发展的趋势,以便及时采取有效的防灭火措施,避免造成资源、设备甚至生命损失,保证安全生产

[4]

。无线网

络通信技术的迅速发展,无线传感器网络技术取得的研究成果,为无线传感器网络技术在煤自燃监测预警系统中的应用提供了技术支持和基础,使煤自燃无线传感器网络监测预警技术具有很好的发展前景。

1　煤自燃火灾监测预警技术的研究

1.1　煤自燃火灾监测预警技术的研究现状

煤自燃监测预警技术是在煤层尚未出现自然发火征兆之前,根据煤层的赋存条件、开拓开采条件以及煤本身的氧化放热升温特性等因素,采取不同的

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2陕　西　煤　炭　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　2009年

方法对煤层自然发火的危险程度、自然发火期、易自

燃危险区域等重要火灾参数指标作出超前判识的一种技术。煤自燃的预测和火源探测技术是迄今为止煤矿防灭火工作面临的最大难题,近年来,国内外地面煤层自燃火源监测预警技术主要有自燃倾向性测试法、综合评判预测法、统计类比法、自然发火实验测试法、气体探测法、测氡法、测温法、磁探测法、电阻率探测法、地质雷达探测法、遥感法、计算机数值

[5-6]

模拟法、无线电波法等。

煤自燃倾向性测试方法与实际开采条件下煤自燃的实质相差甚远,无法真实全面地反映出实际条件下煤体的内在自燃倾向性;综合评判预测法对发火期以及可能发火的区域则无法进行预测,只能定性不能定量;统计类比预测法只能根据工作面实际情况和自然发火统计资料,火区域和高温点位置;件单一,验模拟工作量大,;井下气,这在实际应用中还有很大困难,地面气体探测法受采深、自燃火区上覆岩层性质、地表大气流动的影响,只能作为探测火源的辅助手段;测氡气法目前只在地面使用,自燃温度一般超过200℃,且用氡气量值也无法判断自燃的燃烧程度及其温度;测温法由于是点接触,预测预报范围小,安装、维护工作量大,特别是探头、引线极易破坏,在实际应用中受到技术和经济的限制,不宜大面积探火采用;红外探测法受煤的导热系数较小的影响,不适合探测煤层内的温度,对于采空区自然发火点或离巷壁较远的火区火源点探测确定较为困难;磁探测法主要用于煤田火区,而对于生产矿井自燃高温的探测应用较少;电阻率探测法用于井下高温区域的探测比较困难;地质雷达探测法目前仍处于实验和研究阶段;遥感法探测的深度和范围受地表热辐射背景、上覆岩层岩性、构造的影响较大;计算机数值模拟法受井下气流及外界因素的干扰,其模型与实际存在一定的差异,在现场应用中存在许多待解决的问题,而且对已采区自燃不能适用;无线电波法,用于煤炭自燃隐患或自然发火火源位置探测精度高,成本低,工作量小,维护简单,但在技术方面仍有待于进一步研究。伴随着无线传感器网路技术的飞速发展和在工业现场的成功应用,为无线电波法在煤自燃温度场无线网络监测系统中的应

用提供了条件和技术支持,也减少了研发在人力和资金方面的投入。1.2　煤自燃火灾监测预警技术的发展趋势

煤自然发火监测预警技术,近几十年来得到了较快的发展,形成了较为全面的监测预警技术体系。但是,随着煤矿开拓开采条件的不断变化,高产高效新技术的不断发展,现有的煤自然发火监测预警技术仍难以满足集约化生产的需要,要求人们必须对与煤自然发火监测预警相关的理论与技术进行更深入的研究,准确而早期预测预报煤矿自燃火灾,才能从根本上做到防患于未“燃”。因此,在基础理论方面,,根据赋存条件等,建立不,多层次、多学科;在应用技术方面,应致力于研制与煤自然发火动态早期监测预警技术体系相配套的基于多传感器序列的智能

[7]

化、高集成化矿井火灾早期监测预警系统。

无线传感器网络温度监测技术是近年来逐步发展起来的监测煤自然发火的新的预测方法。太原电子研究设计院于2008年初就开始了对采空区温度场无线自组网传感器监测系统的研究和开发,逐步开辟了煤自燃温度场无线网络监测预警技术的新领域。煤自燃温度场无线网络监测法能及时预测温度场的微弱变化,比CO的预报更早。因此,对无线温度传感器网络监测预警技术进行进一步研究,对于煤炭自然发火早期预报有十分重要的意义,是一项具有前瞻性的工作。

2　无线传感器网络的研究与发展

2.1　无线传感器网络国内外研究现状

无线传感器网络被认为是21世纪最重要的技术之一,近年来无线通信、集成电路、传感器等技术的飞速发展,使得低成本、低功耗的微型无线传感器的大规模应用成为可能,由于无线传感器网络巨大的科学意义和应用价值,它己经引起了世界发达国家的学术界、军事部门和工农业界的极大关注。

传感器网络最初来源于美国先进国防研究项目局(DARPA,DefenseAdvancedResearchProjectsA2

[7-9]

gency)的一个研究项目,当时由于各种条件的限制,使传感器网络的应用只能局限于军方的一些

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项目中,直到这几年这方面的研究活动才在各大学及研究所蓬勃开展起来。加州理工大学教授对此领域在2003年作出了宣言性的论断,麻省理工学院和赖斯大学等研究团队通过实验床对其中涉及到的数据融合技术、节点集群功能分层的有效性和传感器功能造成的网络协议的特殊性进行了研究。但是,目前大部分研究尚处于起步阶段,少数投入实用的商业产品距离实际需求还相差甚远,为了加快其实用化进程,国外建设了很多演示系统,相关的理论研

[10-12]

究成果也很多。近年来,国内一些高等院校和研究机构开始了

[13-15]

无线传感器网络理论和应用的研究工作。中科院上海微系统与信息技术研究所已经通过系统集成的方式完成了一些终端节点和基站的研发;中科技术和控制技术入手,网络控制实验室”,方面的研究;山东省科学院也看到了无线传感器网络这一极具前景的领域,并且于2004年10月正式启动了关于无线传感器网络节点操作系统的研究;另外,中科院软件所、中科院自动化所、国防科技大学、清华大学,中国科学技术大学、哈尔滨工业大学、北京邮电大学、山东大学、东南大学等单位在无线传感器网络方面也都作了一定的工作。但整体而言,从研究的深度和投入的力量来说,国内的水平相对国外落后,从问题的点上研究较多,缺少对整个系统的创新性研究,具有自主知识产权较少,这和我国无线传感器网络飞速发展的市场需求是不相称的。

无线自组网温度传感器在理论上已经成熟,世界两大无线芯片生产商Chipcon公司(现被TI公司并购)和Freescale公司(原名摩托罗拉半导体)相继推出符合国际标准的各个频段的无线收发器芯片。但其只是一个硬件平台,本项目将根据煤层自燃火灾早期预测的具体情况要求,开发无线自组网温度传感器的拓扑控制、网络协议、网络安全、时间同步、数据融合与管理、嵌入式操作系统、应用层软件等。目前国内外在无线传感器方面有1项专利(远程无线测温系统200610015212.2),有一些知识产权和标准,如国际性的标准化组织也为无线自组网温度传感器制定了可行的标准,如IEEE标准化协会制

定了IEEE802.15.4标准,但无线自组网温度监测领域无相关专利授权和技术标准。2.2　无线传感器网络发展趋势

无线传感器网络国内外技术发展趋势:现有煤矿井下煤体温度场监测预警技术,不能实现连续在线监测温度场变化趋势及温度变化异常区域,将温度传感器与无线传输模块结合,对煤体温度场进行连续在线监测,是目前国内外复杂介质内温度监测技术的发展趋势。

无线网络协议开放的标准为不同厂家、不同功能的监控模块实现互连与互操作提供了可能,最大。而动态组网,使得,下位监控结点可以通过,解决了通信干线故障级联的问题。双工通信使传感信息采集与网点设备控制成为可能,使矿井安全监控系统实现同步的监测与控制。本文提出一种基于无线网络技术的煤自燃温度场检测预警系统的研究,可以完成对井下煤自燃高发区域的监测,对煤自燃区域进行定位并提供安全告警信息。该监测网络可将采集到的信息通过无线网络传递到井下通信网关,并由此连入井上中心服务器与监控计算机,同时可以转发监控中心下达的安全信令,从而构建起矿井安全生产管理系统的智能监测网络。因此,对无线传感器网络技术进行进一步研究,对于煤自然发火的早期预警有十分重要的意义,是一项具有前瞻性的工作。

3　结语

通过概述国内外近年来有关煤自然发火监测预警技术的主要研究成果,以及现状分析和新技术介绍,进一步明确了煤自然发火监测预警技术的发展趋势。测量温度来预测自然发火是一种最直接最简便的方法,但是由于煤的热传导加上现场的复杂性,测温元件不便安装等原因,直接的测温方法不能作为预报自然发火的主要手段。本文提出了将基于无线传感器网络技术的无线自组网测温技术用于煤矿井下采空区温度场监测预警,是对内因火灾进行监测预警的创新,该系统使用温度传感器对井下煤自燃高发区域的温度场以及不同节点位置的温差等数据进行采集和监测,实时监测这些区域温度场

[16]

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[8]　C.E.NishimuraandD.M.Conlon.

IUSSdual

的细微变化,将收集的数据信息及时传送给地面监

控中心进行分析研究,对温度异常变化及时预警和定位,从而做出合理决策并采取相应的指导措施,提高预测预报准确率,以争取时间,提前采取措施,改变煤自燃条件,确保不受自燃火灾的威胁,确保煤矿能够安全高效的生产。参考文献:

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Presentsituationanddevelopmentonmonitoringand

early-warningtechnologyofcoalspontaneouscombustion

WANGCai2ping,WANGWei2feng,QULi2na

1,2

1,2

1,2

,ZHANGJian2qiang

1,2

(1.SchoolofEnergy,Xi’anUniversityofScienceandTechnology,Xi’an710054,China;2.EngineeringResearchCenterofWest-ChinaCoalMineSafety,KeyLaboratoryofWesternMineExploitationandHazardPrevention,Xi’an710054,China)Abstract:Thearticleintroducestheresearchprogress,achievementsanddevelopmenttrendofmonitoringandearly-warningtechnolo2gyofcoalspontaneouscombustionhomeandabroad,pointsouttheexistedproblemsandfocusesonthehomeandabroadresearchpro2gressanddevelopmenttrendsofthewirelesssensornetworkstechnology.

Keywords:coalspontaneouscombustion;firemonitoring;researchprogress;developmenttrends

本文来源：https://www.bwwdw.com/article/qdlm.html