摘要:随着我国煤炭行业的快速发展和技术革新速度的提高，传统的作业管理已经不能很好地为煤炭企业提供技术服务和指导。本文主要介绍了KGY3A型矿用负压传感器在乌兰木伦煤矿31404采空区防灭火管理数据采集工作中的相关应用,根据实验应用的数据并结合人工取样分析数据，对KGY3A型矿用负压传感器在采空区防灭火管理工作中应用的可行性、可靠性、安装方式等相关问题进行了详细阐述，并对应用过程中出现的问题进行了探讨。 关键词:负压传感器；实时监测；防灭火；呼吸现象；采空区
引言:
随着我国社会建设的加快，煤炭需求量也愈来愈大，为保证煤炭供应，必然导致我国各区域的煤矿开采深度和广度增加，也因此导致煤炭开采过程中遇到的各种伴生隐患也不断增加，如冲击地压显现（高应力）、水害、瓦斯等有害气体浓度增大、地温增大等诸多隐患都愈来愈强烈地威胁着矿井的安全生产。而由于各煤矿在煤炭开采过程中风险预控水平高低、投入的资金量多少不同，也直接导致已开采区域内的后续管理中的各种问题日益严峻，其中
采空区防灭火工作就成为目前各煤矿需要直面的重要隐患，这个隐患的存在直接牵扯了煤矿管理者大量的精力，且大量地消耗了煤矿企业的人力、物力，造成煤炭开采企业成本增加却无法有效地解决问题。只有采取有效且实用的措施将管理者从繁杂的防灭火管理工作中解放出来，才能让煤矿管理者腾出更多的精力投入到安全、生产等工作中去，以提高煤矿的综合经济效益，而KGY3A型矿用负压传感器实时监测功能和采空区防灭火管理在乌兰木伦煤矿31404工作面采空区的有效结合则在一定程度上解决了这个难题，使采空区管理趋于简便化、远程化，提高了管理的效率，节约了大量人力、物力。 1乌兰木伦煤矿31404工作面采空区现状 乌兰木伦煤矿31404工作面采空区属于乌兰木伦煤矿31煤四盘区的第四个综采工作面。上覆基岩厚度为105～177m，松散层厚度为8～37m，松散含水层厚0～24m。31404综采工作面可采推进长度为1808.4m，该综采工作面倾向布置长度为287.5m，工作面走向布置长度为1833.9m，煤层设计采高为4.2m。 该工作面煤层瓦斯含量低，瓦斯分带多属CO2-N2和CH4-N2带，瓦斯相对涌出量为0.32m3/t，绝对涌出量为4.28m3/min。属低瓦斯矿井。 该工作面煤层变质程度低，燃点低，丝炭含量高，吸附氧的能力强，属易自燃煤层， ic卡智能门锁自然发火期为30-40天。
该工作面回采采用倾向长臂综合机械化采煤工艺，顶板管理方式采用全部垮落法。于2012年4月12日采终，于2012年5月12日封闭完毕，该工作面封闭采取的是一般防火闭和永久防火闭组合的封闭方式，即：在31404综采工作面停采线附近均采取永久防火闭，规格为内墙厚度750mm，煤体掏槽规格为两帮槽500mm,顶槽300mm,底槽300mm,宽度均为750mm；外墙厚度1000mm，煤体掏槽规格为两帮槽500mm,顶槽300mm,底槽300mm，宽度均为1000mm；内墙、外墙间距3500mm，内外墙中间填充黄土和高分子材料马丽散；采空区封闭后永久防火闭闭面、闭前巷道帮、顶10米范围内均喷射50mm砼进行堵漏、加固。31404综采工作面顺槽和相邻工作面顺槽之间的联络巷封闭均采取一般防火闭，规格为内墙厚度750mm，煤体掏槽规格为两帮槽500mm,顶槽300mm,底槽300mm,宽度均为750mm；外墙厚度1000mm，煤体掏槽规格为两帮槽500mm,顶槽300mm,底槽300mm，宽度均为1000mm；内墙、外墙间距1000mm，内外墙中间填充黄土和高分子材料马丽散；采空区封闭后一般防火闭闭面、闭前巷道帮、顶10米范围内均喷射50mm砼进行堵漏、加固。
根据最近一次采空区取样分析，该采空区气体情况如下：O2浓度为10.57%，N2浓度
为81.80%，CO浓度为0ppm，CO2浓度为4.53%，CH4浓度为0.14%，C2H6、C2H4、C2H2浓度均为0%，通过措施管测量采空区气温较外界气温低3℃，通过反水管测量水温较外界附近水沟内水温低2℃。
2 31404采空区负压传感器安设的背景
31404采空区自完全封闭以后在该工作面顺槽封闭一般防火闭时安设的观测管上测得的O2浓度一直维持在5%以下，且各项指标均不满足自然发火的条件，但是在停采线附近测得的O2浓度变化较大，幅度为2.2-12%，而最近一次取样分析结果显示O2浓度为10.57%。为加强该采空区的防灭火管理，同时寻O2浓度波动较大的原因，该矿通风管理人员安排多人对31404采空区各检查点进行持续的防灭火管理检查，如每周对31404采空区气体进行人工检测一次，每周安排人员对31404采空区取样并分析两次，同时还采取了诸多其他的监测手段，在31404采空区防灭火管理过程中耗费了大量的人力物力，但始终没有取得有效的进展，未能寻得该采空区气体变化规律以及相关的应对措施。
通过现场人工检查，现场测得31404工作面采空区密闭内外压差变化范围为-500～600pa，一般情况下我们会首先考虑是否因为采空区出现了严重的漏风问题才导致这个结果，而该矿一通三防管理人员在现场经过多次认真排查同时结合采空区地表巡查未发现31
404采空区存在明显漏风点，自31404工作面采终后按规定在31404工作面采空区多次抽取了气样，且通过对抽取的气样进行分析并对各种数据进行综合考量，各项数据均未表明该采空区发生了煤炭自燃现象，最终根据现场数据和现场情况综合分析，确定31404采空区O2浓度及内外压差变化幅度过大的主要原因是采空区呼吸现象的存在。为此，必须想办法到31404采空区呼吸现象的规律，为31404采空区防灭火管理提供技术指导，以期起到预控作用。
结合乌兰木伦煤矿使用的天地（常州）自动化股份有限公司生产的监测监控系统功能，该矿提出了采用KGY3A型矿用负压传感器持续监测31404工作面采空区负压变化的方法。
3 空区的呼吸现象
3.1采空区的呼吸现象
采空区内部气体处于一种微作用下的弱平衡状态，因此采空区内部气体处于弱稳定状态，由于采空区处于非绝对的完全封闭状态，因此采空区内部气体的状况很容易受到外部因素的扰动。在井巷气温、气压、外部风、微裂隙、负压等因素的影响下，采空区内外压差必然发生改变，进而导致采空区与外部交换气体的方向发生变化，处于“进气—出气”的
相互交替状态，我们将其称之为采空区的呼吸现象。由于采空区所处的状态不同，以及引起采空区呼吸现象的因素不同，采空区的呼吸频次和周期也会有所不同。
3.2产生采空区呼吸现象的原因
分析产生采空区呼吸现象的主要原因，有以下几个方面：
1、矿井通风系统发生重大变化，如新盘区的开拓或延伸、用风地点增加、巷道局部结构变化影响了通风断面、更换主扇等；
2、地表大气压的变化引起井下井巷风流绝对静压发生变化，进而使采空区的气体呈现出一种“膨胀—收缩”的变化状态；
3、外部漏风通道发生变化。如地表塌陷裂缝回填不及时，煤层埋藏深度、上覆基岩成松散层岩性与厚度发生较大变化，导致纵向三带高度发生变化，进而导致外部漏风通道发生变化；
4、开采工艺发生变化，如由分层开采变为一次采全高或放顶煤开采工艺，开采强度增加，采空区的体积与内部气体成分发生较大变化；
5、采煤工作面顶板管理方法发生变化，如由原来的垮落法变为充填法，充填前期充填体将采空区内的气体挤压排出，随着充填的结束，采空区又将达到新的平衡，此时外部
气体将会进入采空区，这种呼吸现象会伴随整个充填过程；
6、采空区疏放水，采空区疏放水必然会进行“水气置换”，疏放水的钻孔也是进气的通道，氧气进入采空区后与遗留的浮煤发生氧化反应，同时生成大量的CO、烷烃类气体和热量引起采空区压力升高，当内部压力超过外部压力后就会从采空区内溢出，伴随着整个疏放水作业出现“进气—出气”现象。
4 31404工作面采空区负压传感器安设基本原理和方法
4.1负压传感器工作原理
4.1.1本次实验采用的是由天地（常州）自动化股份有限公司生产的KGY3A型矿用负压传感器，该传感器用于连续测量矿井下的负压，具有多种标准信号制式输出，联检后能与煤矿安全及生产监测监控系统配套使用。该传感器采用高灵敏度微型硅压力传感元件，具有精度高、稳定可靠、使用方便等特点。
4.1.2型号及规格
KG——矿用传感器
Y ——压力
3A——登记序号
4.1.3工作原理
KGY3A型矿用负压传感器由传感头及传感头供电电源、A/D变换器、单片机以及显示电路和输出电路等部分组成。传感头由气室、微型硅压力传感原件等组成。从气室两端输入的压力信号经传感头变换为与压力信号成正比的直流电压信号，该信号经过放大后送模数变换器转换成数字信号由单片机读取。单片机经过内部软件换算处理可得到相对应的负压值，通过数码管显示并输出200-100Hz频率信号。单片机同时把数据传输给数模变换器，将数字信号转换成相对应的电压信号，再经电压/电流变换电路输出与负压相对应的1-5mA电流信号。
4.2负压传感器安设方法：
在从采空区引出的观测管上安设三通引出采空区气体，并利用分叉软管分别与两台负压传感器感应口对接，由于目前负压传感器仅能显示单向的感应数据，即同一台负压传感器只能测量正值或只能测量负值，无法实现正负值的自由切换，所以必须采用两台负压传感器，分别设置感应正压、负压。这样在采空区“呼气”时设置为正压的传感器有显示值，设置为负压的传感器显示值为零；在采空区“吸气”时预先设置为监测正压的传感器显示值为零，预先设置为监测负压的负压传感器显示值为零。同时利用监控系统将数据上传到有
专人值班的监控调度室，并设置报警值，实现了对采空区呼吸现象的实时监测。传感器现场安设示意图如图1：
图2
通过图2可明显看出，两台负压传感器能够准确反映出：
1、当日采空区呼吸现象的规律；
2、在当日大气压影响下采空区气体由进风转出风的转换过程。
5 31404采空区传统数据采集管理存在的问题
在利用负压传感器监测采空区负压情况之前，乌兰木伦煤矿井下各采空区呼吸现象规律的研究采取的是人工采集数据的方式，这种方法的局限性是：
1、人工采集的采空区各项数据缺乏连续性，无法通过连续的数据到相应的规律；
2、人工采集数据时无法精准把握采空区出风时段，取出的气样多数不准确，极大地
屋面拉条
影响了采空区防灭火管理；
3、人工采集数据受人为因素影响过大，如采集数据需要最少24小时不间断地进行，人工采集数据过程中难免因为人的生理原因导致监测中断，数据的准确性会因此降低，因此对监测人员的责任心要求更高；
4、由于采空区呼吸现象和大气压有直接的关系，因此某一时间段采集的数据只能代表在那一时间段大气压下的呼吸规律，难以形成系统的分析结果；
5、人工采集数据过程需要大量的人力、物力，煤矿在管理过程中需要消耗部分成本，不利于煤矿经济效益的提高；
6、人员在采空区密闭前作业，由于采空区密闭可能的有害气体泄漏，容易导致作业人员出现中毒、窒息等事故，人员作业存在很大的安全隐患；
7、人员在采空区密闭前作业，由于巷道可能的失修情况，容易导致作业人员出现被片帮、冒顶伤害等事故，人员作业存在很大的安全隐患。
6 采用KGY3A型矿用负压传感器相比传统数据采集管理方法的优点
利用KGY3A型矿用负压传感器监测采空区负压情况，这种方法的优点是：
1、此套设备安设简单易行，操作极为简单，安设技术水平要求较低；
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2、可对采空区负压情况实时监测，监测数据连续稳定可靠，参考价值更高；
3、结合该矿应用的监测监控系统，用一台电脑即可实现监测目的，可以节约大量的人力物力，而且可消除人员井下作业的安全风险；
4、通过采集的负压数据结合实时大气压、气温、水温等数据可有效判断出采空区是否存在漏风情况，帮助管理者采取针对性的措施发现及处理采空区漏风问题，避免因漏风导致向采空区长期供氧导致自然发火；
5、可通过该系统采集、整理出的数据确切知晓当日某一时刻采空区的进出风情况及当日负压峰值谷值情况，便于人员在需要的时间段采集采空区气样。客户通讯录管理系统
7 需要注意的问题
1、负压传感器协助采空区防灭火管理采集数据使用虽然比较快捷方便，但也要注意以下问题：
2、采空区呼吸现象和大气压力关联性很强，在对采集到的数据分析时要结合同一时间段大气压力值的变化进行分析；
3、采空区呼吸现象和气温有很大关系，在对采集到的数据分析时要结合同一时段气温值的变化进行分析；
4、采空区呼吸现象和漏风通道有极大关系，在对采集到的数据分析时要首先排查并确定不存在漏风通道后再对数据进行分析。小型自动胶带封箱机
参考文献:
[1]李建华. 采空区呼吸现象及防治技术研究[J]. 陕西煤炭,2012.
[2]天地（常州）自动化股份有限公司. KGY3A型矿用负压传感器使用说明书，2015.
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