自燃系统基于虚拟仪器的煤层自燃监测预报系统

在煤矿生产中，煤的自燃一直是重大灾害，它极易引发瓦斯爆炸、水煤气爆炸等重大事故，严重危害矿井安全。但煤自燃监测预报基本只是人工在危险的井下各个分散点采集相关数据，用的是多台不同类型的仪器仪表，不仅价格高昂，而且费时费力，此外对数据的分析处理，也基本处于人工经验判断的水平上，更不具备实时性。采用虚拟仪器技术构造监测平台，可以节省大量硬件方面的投资，用软件实现硬件的功能，把多台不同的仪器统一组态，并根据井下的具体情况，实现远程的分布式测量网络。

自燃系统煤层自燃的实质及预测预报技术

煤层自燃是由于煤体逐渐发生低温氧化，热量逐渐蓄积，最终发生自燃。按照煤层自燃的阶段是否出现自燃发火征兆，预测预报技术可分为预报和预测两种。煤在氧化自热到自燃这一复杂的物理化学变化过程中，随着煤温的上升，要序列性地释放出CO、CH4、C2H4等气体，称之为指标气体。因此，掌握煤炭在自热到自燃过程各阶段中所释放的气体成份以及自燃发火指标气体的变化规律，是分析煤炭氧化程度的重要依据。经研究表明，CO及C₂H₄作为预测指标气体较好。但由于C₂H₄出现的温度较高，产生量小，因此，用它来校正预报出现的温度偏

差，而主要把CO作为早期预报的指标。以CO指标气体为中心，建立自燃早期预报系统。此外，井下综采面的氧浓度、漏风强度、煤岩体温度、煤厚度等因素也决定了煤层自燃的倾向性和危险性。同时也将对以上因素实时采集、分析，以建立实时监测，从而达到对煤层自燃的预测。

自燃系统虚拟仪器

通过测得实时的CO含量，与历史数据结合，建立灰色模型，得到时间预报序列。结合设定的警报值，预报出煤自燃发火的日期。考虑到井下的实际情况及未来网络化发展的需要，本软件具有初步的局域网通信功能，基于TCP/IP协议，下位机(客户机)采集的实时数据送到上位机(服务器)显示，发送时双机均要打开TCP连接，并指定相同的端口。

该模块有写盘和读盘两个功能，采集的信号波形文件可以存储，采集的最终数值送入历时数组中，形成新的序列，以供预测，日后查询时也可以打开。

软件系统试运行后，和煤矿实际采集数据和历史实际自燃发火日期对比，证明该系统不仅具有系统采集精度高、使用方便、节省人力和设备投资的优点，而且预测的发火日期准确，证明预测模型结构合理有效。本软件系统为今后煤矿井下监控网络一体化作出了有益的探索。 2100433B

我国矿井煤炭自然发火十分严重。多年来，国内外学者对煤矿自然发火防治这一重大安全技术进行了大量的研究，取得了可喜的进步。但是，总的来说，煤矿的防灭火工作仍然停留在被动的对火灾的“防与治”之中，尚未有效地控制煤层自燃，主动预防自燃的发生远未达到目标。利用模糊综合评判理论，建立了基于VB煤炭自燃综合评判应用系统，有利于提高煤炭自燃预测预报的科学性，减少盲目性。

自燃系统综合评判的数学模型及方法

模糊综合评判方法作为一种数学模型，对多因素、多层次的复杂问题具有使用方便、评判准确可靠的特点，因此，该方法被广泛应用于各行各业。它是应用模糊变换原理和最大隶属度原则，考虑与被评判事物相关的各个因素，对其作出综合评判。

在评价某个事物时，将评价结果分成一定的等级。例如，对煤炭自燃进行评判时，可将评价的等级分为“不自燃”、“可能自燃”、“自燃”、“易自燃”四个等级。对多因素的综合评判，一方面对于被评判事物从不同的因素着眼可以得到绝然不同的结论；另一方面在诸多着眼因素之间，有些因素在总评价中的影响程度可能大些，而另一些

因素在总评价中的影响程度可能小些，它是一个模糊择化问题。

自燃系统煤炭自燃评判指标体系

依据煤炭自然发火机理，煤炭自然发火危险程度由三类指标构成：煤的自燃倾向性；持续的漏风供氧条件；聚热散热条件。每一类指标又由若干个次一级的分指标构成，它属于一个多因素、多层次综合评判问题。由于煤炭自燃漏风和聚热条件不同，将煤炭自燃评判指标体系分为采煤工作面采空区煤炭自燃和煤巷煤炭自燃。

通过理论分析，再结合现场煤炭自燃的实际情况，对于采空区煤炭自燃来说煤的自燃倾向性包含还原煤和氧化煤样的燃点温度差，煤的吸氧量，CO单位温升增长率三项次级指标；持续的漏风供氧条件的次级指标为氧化带存在漏风时间，漏风压差，煤层厚度，漏风形式，煤的破坏性，回采巷道布置方式，采空区密闭质量，地质构造，煤层顶板岩性，煤层倾角；聚热散热条件的次级指标包含漏风风速，工作面推进速度，采空区遗煤厚度，区域围岩温度。对于煤巷煤炭自燃而言，煤炭自燃倾向性指标同采空区煤炭自燃；持续的漏风供氧条件的次级指标为巷道布置方式，巷道风速，局部通风机通风方式，煤层厚度和巷道空顶范围；聚热散热条件的次级指标包含漏

风风速，区域围岩温度，开采煤层硫铁矿含量。

自燃系统评判应用系统的结构和特点

由于煤炭自燃的种类不同(采空区遗煤自燃和煤巷顶煤自燃)，产生煤炭自燃的发生条件不同，因而煤炭自燃评判指标体系亦不相同。该应用系统采用分层控制，即从主控界面选取不同的评判体系，根据系统使用说明书提供的煤炭自燃评判指标参考值，结合评判现场的实际，确定评判指标值，采用表格形式录入计算机，即可进行评判。

(1)煤炭自燃模糊综合评判模型，比较全面地考虑了引起煤炭自燃的各种因素，避免了人为因素的影响，提高了煤炭自燃预测的科学性。

(2)上述应用系统预测可靠性的关键是评判指标值的确定及置信度的确定。

(3)煤炭自燃综合评判应用系统可满足矿井日常煤炭自燃可疑地点自燃危险程度的早期预测及辅助决策的需求，对矿井通风安全管理现代化起到积极的促进作用。

圆形煤场是室内封闭式的贮煤场地，有不受外界天气影响、对周边环境污染少、容易清洁打理、外观美等优点。由于环保和节能的考虑，圆形煤场在国内大型火力发电厂的设计比例中，逐年上升，广东惠来电厂、汕尾电厂等都采用了圆形煤场的形式来贮煤。但由于圆形煤场属于半封闭式煤场，储量大、运转周期长，易发生自燃，且由于圆形煤场的特殊结构，煤场自燃多发生于管壁附近，轻则带来经济损失，重则对圆形仓管壁造成较大危害，引发安全事故。采用圆形煤场很多电厂都发生过或大或小的自燃事故，专家们针对此情况都提出了不少建议，如在挡煤墙内壁补贴面耐火砖墙以防止发生自燃时火灾影响到煤场内链；安装工业电视来监视煤场情况，发现火警，人工遥控启动消防水炮进行灭火等措施。但这些都是发生火灾后的补救措施，没有从根本上防止事故发生。在圆形煤场内安装感温探测器，能在火灾发生前发出温度升高报警，采取温度高处的煤优先取用等有效措施防止自燃的发生。

煤体要发生自燃必须具备以下四个条件：

①具有低温氧化性，即有自燃倾向的煤以破碎状态存在；

②有大于12%氧含量的空气通过这些碎煤；

③空气流动速度适中，使破裂煤体有积聚氧化热的环境；

④在上述3个条件同时具备的状态下，持续一定的时间，使煤体可以达到着火温度。

只要同时具备上述4个条件，煤炭自燃发火即可发生。但实际中很难找出某两次煤炭自燃发火的发生条件是完全相同的。这样，对煤炭自燃发火的条件就很难作出定量分析。

自燃时期

煤的自燃经过的三个时期煤的自燃发展，一般要经过三个时期，即准备时期，又称潜伏期；自热期；最后进入燃烧期。

潜伏时期。煤自燃的潜伏时期即煤的低温氧化过程，潜伏时期即准备阶段的长短取决于煤的变质程度和外部条件，如褐煤几乎没有准备时期，而烟煤则需要一个相当长的准备时期。

自热期。经过潜伏期，煤的氧化速度增加，不稳定的氧化物先后分解成水、二氧化碳和一氧化碳。氧化产生的热量使煤的温度上升，当温度超过临界温度T=60～80℃时，煤的温度急剧增加，氧化加剧，煤开始出现矸馏，生成碳氢化合物、氢气、一氧化碳、二氧化碳等火灾气体，煤呈赤热状态，当到达着火温度以上时便燃着。这一阶段就是煤的自热阶段，又称煤的自热期。

燃烧期。这一时期是煤从低温氧化发展成自燃的最后的一个阶段。主要特征是：空气中氧含量显著减少，二氧化碳的数量倍增，同时由于燃烧不完全和二氧化碳的分解，而产生较多的一氧化碳，巷道中出现浓烈的火灾气味和烟雾，有时还出现明火，火源温度达到1000℃左右。

自燃期确定方法

1.巷道中煤层自燃发火期以自燃发火地点从暴露煤之日起至发生自燃发火时为止的时间计算，一般以月为单位。

2.回采工作面中煤层自燃发火期，应以工作面开切眼之日起发生自燃发火时为止的时间计算，一般以月为单位。

3.每一煤层的所有回采工作面和巷道，都应进行自燃发火期的统计，确定煤层自燃发火期。