热电偶测温及束管监测在矿井防灭火中的应用

发布时间:2021-04-07     浏览次数:
摘要:石港公司工作面采空区在开采过程中曾发生多次自燃现象,为加强工作面后方采空区的防火管理,在15108工作面采空区布置了热电偶和束管。通过对检测结果(温度和氧气变化规律)的分析,得出了采空区自燃三带"的分布规律以及工作面的平均最小推进度。为石港矿采空区预防自然发火,合理安排安全生产提供了技术支持。
  阳煤集团石港矿各煤层均属于自燃发火煤层,自然发火期为3-6个月,其采空区曾发生自然发火事故,同时多次出现自燃隐患。为了有效控制与减少采空区自燃发火的发生,在石港公司15108工作面采空区布置了5趟热电偶和4趟束管,并在热电偶探头位置布置取气样束管,观测并得到了15108工作面采空区温度分布及氧气浓度的变化规律,应用surfer软件对数据进行处理绘图,并依此对采空区自燃三带"进行划分,为石港公司采空区预防自然发火提供了科学依据。
1测温系统及气体浓度观测系统的选择与原理
1.1测温系统及气体浓度观测系统的选择
(1)测温系统的选择
  作为煤炭自然发火预报,一般要求测温范围在常温至200℃之间,测温范围较小。在采空区遗煤中,因顶板淋水以及采后灌浆会使测点附近环境潮湿。选用传感器时要求具有较好的抗湿性,抗氧化还原性。
  温度传感器有AD590、热电偶等可选用。通过比较研究后认为,铜一康铜热电偶测温系统的传感器具有结构简单,使用方便,性能可靠,适合远距离测量等优点。同时铜--康铜热电偶低温时灵敏度较高,具有较好的抗湿性和抗氧化还原性,适用于井下应用141。
(2)汽体浓度观测系统的选择
  为了观测采空区气体浓度变化变化规律,采用sG-2003型矿井自燃火灾束管监测系统。该系统气体分析中心设置在地面,井下无电气设备,便于维护;对采空区和密闭区内采取气样,安全容易能服务于井下多点采样和气样的多组分分析;可实现较长距离地点的气体采样和监控。
  实践证明,该系统可以对采空区气体成分连续监测、分析,对石港公司火灾预测预报及采空区自然三带”划分具有良好的应用效果。
1.2热电偶测温基本原理
  热电偶测温的基本原理是两种不同成份的均质导体组成闭合回路,当两端存在;温度梯度时,回路中就会有电流通过,此时两端之间就存在热电动势,这就是所谓的塞贝克效应。两种不同成份的均质导体为热电极,温度较高的一端为工作端,温度较低的一-端为自由端,自由端通常处于某个恒定的温度下[2]。
1.3束管监测系统工作原理
  SG-2003型矿井自燃火灾束管监测系统是利用真空泵和一束多芯的塑料管缆远距离的抽取监测地点的气样,利用专用气相色谱仪连续分析,实时测定各测点的气体组分浓度,同时对监测地点煤炭自燃过程中标志气体浓度超值时发出警报的成套装置,其主要由地面气体分析中心和井下束管取样系统组成[31。
2测温系统及气体浓度观测系统的布置方案
  为了了解采空区温度与氧气浓度的变化规律,在观测过程中同时采用了热电偶与束管监测系统,根据石港煤矿的实际条件,将测温测气系统布置在15108工作面。15108工作面总长约480m,根据15108工作面条件,确定布置5个热电偶测点测量工作面采空区的温度变化规律。在该面上、下端头各布置一趟热电偶,在工作面中部布置三趟热电偶,每个热电偶探头相距25m,并在热电偶采空区探头位置安设4趟束管取气样测量氧气浓度变化情况41。
  观测系统布置如(图1)所示:

  按照上述布置方案,各热电偶导线(束管)甩入工作面顺槽长度200m,1号和5号热电偶(1号和4号束管)长205m,分别布置在工作面上、下端头;2号和4号热电偶(2号和3号束管)长230m,3号热电偶长255m,布置在工作面中部。
3观测数据分析
3.1测温系统数据分析
  在15108工作面推进97m后,将标定好的热电偶埋入指定位置,开始观测采空区温度变化,观测长度为186.7m。五趟热电偶的温度观测数据用surfer软件制图如下(图2)所示:

  对15108工作面布设的五趟热电偶观测的温度变化规律为51:1号热电偶:散热带大约23m左右,工作面推进到75m左右时,出现了44℃左右的高温点,当工作面推进到170m左右时,采空区温度趋于稳定。2号热电偶:散热带宽度不明显,大约为10m,10~90m左右工作面进入氧化带,即氧化带宽度在80m左右。而后工作面进入窒息带。3号热电偶:散热带大约23m左右,工作面推进到122m左右时,采空区温度趋于稳定。4号热电偶:散热带宽度不明显,大约为10m,测点在工作面后方70m处温度趋于稳定。5号热电偶:在工作面推进到80m时出现25℃左右的温度,然后温度趋于下降。
3.2气体浓度观测系统数据分析
  利用sG-2003型矿井火灾束管监测系.统对采空区气体变化情况进行了连续监测,每天用束管对采空区气体连续进行取样化验分析,测得了4个束管取样点内采空区氧气浓度变化情况用surfer软件制图如(图3)所示:

  按照采空区氧气浓度来划分的自燃“三带”范围一-般是散热带的氧气浓度:大于18%(或19%>);自燃带的氧气浓度:8%(或10%)~18%(或19%)室息带的氧气浓度:小于8%(或10%)61。
  由束管观测数据得到采空区各种气体浓度与工作面推进度的关系等值线图,可直观得到1~4号观测束管中氧气变化与回采面推进度的关系为:(1)1号束管观测结果:工作面在推过1号束管取样点19m时,1号束取样点处采空区内氧气含量降到了14.389%。工作面在推过1号束管取样点80.6m时,1号束管取样点处采空区内氧气含量降到了7.9144%,在8%以下。(2)2号束管观测结果:工作面在推过2号束管取样点30.5m时,2号束管取样点处采空区内氧气含量降到了18.2082%。工作面在推过2号束管取样点87m时,2号束管取样点处采空区内氧气含量降到了6.4512%,在8%以下。(3)3号束管观测结果:工作面在推过3号束管取样点34.4m时,3号束管取样点处采空区内氧气含量降到了17.0665%。工作面在推过3号束管取样点97.5m时,3号束管取样点处采空区内:氧气含量降到了7.7182%,在8%以下。(4)4,号束管观测结果:工作面在推过4号束管取样点98m时,4号束管取样点处采空区内氧气含量降到了6.4369%,在8%以下。
4结论
(1)综合采用热电偶测温和束管监测系统测量采空区气体浓度变化的方法,为分析采空区状况和自燃三带”的划分以及采空区预防自然发火提供了科学依据,应用surfer软件模拟出采空区温度场,直观展现采空区三带”范围。
(2)根据采空区温度和氧气浓度的变化,综合以上测定分析数据,15108工作面后方0~10m左右属于采空区的散热带;10~90m左右工作面进入氧化带,氧化带的宽度大约为70~100m;工作面100m以外属于窒息带。
(3)石港公司15#煤层自然发火期为3~6个月,为确保工作面后方采空区不出现自燃发火,在煤层中布置的工作面应至少在3个月内推进100m,平均每天的推进度不能低于1.1m。
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