袁林 刘春峰 张学军
1.盘江精煤股份有限公司火烧铺矿 2，3.光力科技股份有限公司 450001
摘要：分布式激光火情监测系统中所用的束管，长达数千米，是被火情检测气体取样的关键通道，因敷设在煤矿采空区，面临随时因顶板垮塌而被砸死、尘堵、砸断、漏气的种种可能，导致无法正常取气监测。本文就采空区束管的多种防护方式进行试验分析，并提出了不同环境下束管选取方案及防护方式，供业内同行交流。
关键词： 分布式激光火情监测系统 束管 材质 防护方式 效果分析
中图分类号： 文献标识码: 文章编号：
Discussion on the Pipe Protection Mode and Eeffect of Fire Monitoring System
LIU Chunfeng,2
（1.; 2. Zhengzhou guangli Technology Co.,LTD,Zhengzhou 450001，china）
Abstract: The beam tube used in the distributed laser fire monitoring system is thousands of meters long, which is the key channel for gas sampling by fire detection. Because it is laid in the goaf of coal mine, it is faced with the possibility of being crushed, blocked by dust, broken and gas leakage due to the roof collapse at any time, which leads to the failure of normal gas extraction monitoring. In this paper, a variety of protection methods of the beam tube in goaf are tested and analyzed, and the selection schemes and protection methods of the beam tube in different environments are proposed for the exchange of peers in the industry.
1引言
火铺煤矿位于贵州省盘州火铺镇境内，隶属贵州盘江精煤股份有限公司，其范围南起羊一地质剖面附近的扁木青，与乡梓木戛井田相邻，北至滥9断层，与纸厂接壤，西起含煤地层龙潭组地层底界，东至陈家田、反坡、刷把头上、平川马鞍上一带的连线，总体形态呈一南北走向的条带状，走向长14.15km，东西宽1.5km~2.4km，面积26.4716km2；井田范围地理坐标：东经104°23’27.7”~104°27’41”, 北纬25°36’03.4”~25°43’19.3”。
开采的13261工作面为26号煤，该工程位于13采区南翼,北西至13261切眼；南东至南运输石门。上覆24#煤层未开采，本煤层未开采，下覆27#煤层尚无工程。13261工作面煤层厚度2.2m，煤种为优质焦煤，发热量高达35.6MJ/kg，煤中各组分为：水分M1.2%,灰分A 26.24%,挥发分V 28.38%;硫分S2.01％；由于S分偏高，容易自燃。该工作面的防火压力较大。
易自燃发火的煤矿火情监控分析，一直是煤矿防火灭火工作中的重中之重。火烧铺矿在对煤矿火情的监控分析系统中，前期一般采用的是“束管+色谱分析”检测模式，2021年10月起采用“束管+在线激光火情气体监控系统”检测模式。两种分析模式的系统图如下：
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图2束管+在线激光火情分析系统。
传统的“束管+色谱分析”检测模式和“束管+在线激光火情气体监控系统”两种模式相比较，分布式激光火情气体监控系统监测主机就近布置于工作面附近，束管短，取样监测延时短，泄漏漏点少、监测准确，自动连续测量，且能测量沿程环境温度，对井下工作面、采空区三带（冷却带、窒息带、氧化带）、密闭区的实际监测中，取得了良好的火情监测预警效果，目前正在得到迅速推广。
但两种分析模式均需要在巷道尤其在采空区布置大量束管，束管成为最重要的测量气体取样通道。由于束管布置在采煤工作面及采空区，环境恶劣。尤其采空区环境复杂，大量顶板垮落、尘大、水大，束管频繁被砸是一种常态，极易造成束管被砸断、压扁、堵塞、漏气等情况，无法有效采集输送样气，导致监测系统不能正常工作，成为影响火情监测系统长期稳定工作的关键因素。
束管最常见有两种破坏形式：一是束管漏气，漏点管道外的空气将进入束管，与来自采样点的样气混合，仪器测量再准也失去意义。漏气的显著特征是流量突然增大，气体氧气浓度上升，甲烷、CO浓度随之下降。二是束管被砸堵塞，测点样气将很难进入束管，无法有效取样，其特征为流量突然下降，甲烷、氧气及CO等气体保持较小变化；或者下游束管内渗入部分空气，此时主机监测也就失去意义。
因此采空区束管的防护是火情监测系统正常运行的前提。
2、束管防护方式及防护方案
根据现场的实践经验及实际验证，对各种束管防护效果做对比分析。
目前在现场使用的束管防护方式有以下几种，各自优缺点分析如下：
1）加钢管套管防护：一般采用相应尺寸的镀锌管或无缝钢管中间用直通管件或三通连接；这是目前使用最广泛的束管防护方式。也是目前效果最好的防护方式。
做法：准备3m左右的壁厚2~3mm的DN50或DN75钢管，两头焊接法兰。将束管提前套入钢管，每节钢管用法兰及螺栓连接。需要出束管取气口的地方用三通连接。
防护效果：由于钢管壁厚，刚性好，直接降低束管直接被砸被压实的概率，一般煤矿能使用到深入采空区100m左右。
缺点：材料成本及人工成本最高，同时穿套管不便
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图3 束管外套管防护方式结构图
2）“C”型钢防护
为解决钢管套管不利于穿管、不利于维护的缺陷，可使用C型钢防护，C型钢类似于槽钢，敞口便于束管直接敷设，可方便束管安装，随用随加，同时便于维护，防护性能较好。
用法：将捆扎好的C型钢开口向下沿着底板平面敷设。优点：降低束管直接被砸被压实的概率、不用穿管。
缺点：需要用扎线将束管和测温光纤固定在C型型钢内，接口处易割断束管，材料成本与钢套管基本持平。
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图4 束管外C型钢防护方式结构图
3)使用阻燃防静电的塑料管作为套管
优点：塑料管轻便、现场易施工。
缺点：由于塑料管强度比钢管低得多，抗砸性不及钢管，在温度升高环境塑料管分解发出的气体可能影响火情气体成分的测量。
4）使用高压胶管作为套管
优点：胶管有钢丝编织层和橡胶层，抗砸能力明显提升； 只要不轧死因其自身弹性可恢复通气。
缺点：高压胶管成本较高，同时胶管散发的气体对特征火情气体测量可能有干扰，尤其在40℃温度以上环境胶管可能分解发出干扰气体。
5）铠装束管防护。
做法：铠装束管是近期出现的一种新型自防护束管，在普通束管的塑胶防护层外增加铠装层，然后在最外边再加上一层包塑层。将防护钢管及束管做成一体后，不仅受到了良好的束管防护效果，而且降低了防护成本，省去了人工穿束管的工序。
缺点：接续铠装束管时，铠装层的剥离需要专业工具。
除了上述的因素外，束管的布置深度、安装位置、取气点的气样典型性、取气口的过滤装置等，也会影响整个系统的正常预警判断。所以束管的敷设一般也应遵循以下原则：
①可能敷设在巷道顶板下300mm以内的巷道外侧煤壁上：
②束管尽量悬挂在巷道外侧壁的上顶部，降低顶板垮塌时对束管的冲击，和被砸轧的概率，另外可以减少水淹的几率。
③束管安装时尽量平直，无扭曲和大的波浪曲线，避免束管积水；
④在低洼处和高低温交界点低温侧安装束管排水器，及时排除束管凝水。
4束管各种防护措施的防护效果试验分析
为摸清束管各种防护措施的防护效果，从中选择出最适合我矿的束管防护模式，利于以后火情检测系统的长期有效使用，我们进行了多种防护措施的同步对比试验。
我们将新购的一套矿用分布式激光火情监测系统主机布置在我矿13261采煤工作面进风巷风门外，将采用不同防护方式的束管4根于2020年10月27日同日分别布置在回风巷起4台支架的架间。见图5。
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1号束管前期套2吋塑料管防护，在11月21日堵塞。后期重新剪束管，将1号束管外套2吋钢管防护，直至2021年1月31日仍在正常工作。
该工作面回采进度为每天2m，即束管深入采空区每日2m；通过观察束管流量曲线波动情况以及含氧量、瓦斯浓度及一氧化碳浓度变化，判断是否防护正常。
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图6 五种防护方式下束管测点流量变化图
从上述试验得到的表格及流量曲线苛刻看出钢管的防护效果最好，其次为铠装束管。虽然C型钢防护时间最长，但流量波动较大，维护成本较高。束管无防护正常运行的时间最短，防护距离也最短，因此束管不防护等于系统无法正常使用。因此建议
1)束管必须防护，否则系统无效运行，浪费人力物力。
2)鉴于防护效果考虑，优先选择钢管、其次选择C型钢及铠装束管，作为防护措施。
3)综合成本及防护效果考虑，建议优先选择铠装束管，其次选择塑料管。
5结论及建议
煤矿的自燃火灾严重威胁着煤炭工业的安全生产，而激光火情在线监测系统是目前比较先进的煤矿自燃火灾监测技术解决方案。在实施的过程中，要因地制宜，对束管易出现的砸断、压扁、漏气、水堵尘堵问题，选择合适的束管种类及防护措施，扬长避短，才能保证系统的安全可靠运行。
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