• 论文
主办单位:煤炭科学研究总院有限公司、中国煤炭学会学术期刊工作委员会
矿井煤自燃灾害监测预警技术及发展趋势
  • Title

    Coal spontaneous combustion disaster monitoring and early warning technologies and development trend for coal mines

  • 作者

    邓军张琦陈炜乐白祖锦

  • Author

    DENG Jun;ZHANG Qi;CNEN Weile;BAI Zujin

  • 单位

    西安科技大学 安全科学与工程学院陕西省煤火灾害防治重点实验室西安建筑科技大学 信息与控制工程学院

  • Organization
    College of Safety Science and Engineering, Xi’an University of Science and Technology
    Shaanxi Key Laboratory of Prevention and Control of Coal Fire
    School of Information and Control Engineering, Xi’an University of Architecture and Technology
  • 摘要

    以降低矿井火灾的发生率为目标,梳理了矿井煤自燃灾害现有监测预警技术的发展现状,总结了现有技术的局限性和不足,指出未来发展应注重先进监测技术的应用、预测技术准确性的提升、预警系统和智能化管理的发展等。针对矿井煤自燃灾害隐蔽性、持续性、扩散性和难以控制的特点,提出矿井煤自燃灾害监测预警技术未来发展方向:提升煤自然发火临界值确定方法的综合性,利用新兴设备和先进技术完善煤自然发火临界值的确定方法;针对矿井煤自燃复杂环境,可通过研究声波探测等新型先进技术手段,提高矿井煤自燃监测参数的全面性和精细化;推动矿井煤自燃监测预警技术的创新性和决策的智能化,利用数字孪生技术提供精准的模拟与预测能力、优化防控方案、提供培训和应急管理以及数据分析和决策支持等方面的帮助;聚焦矿井自燃灾害全面感知、精准预测与防控智能一体化建设,加强对矿井自燃灾害数据分析、灾前主动预警、灾后事故治理、火区自动封闭等技术的研究。

  • Abstract

    For reducing the incidence of mine fires, the limitations and shortcomings of the existing monitoring and early warning technologies for coal spontaneous combustion disaster are sorted out, and it is pointed out that the future development should focus on the application of advanced monitoring technology, the improvement of the accuracy of prediction technology, the development of early warning system and intelligent management. Aiming at the hidden, persistent, proliferation and difficult to control characteristics of coal spontaneous combustion disaster, the future development direction of coal spontaneous combustion disaster monitoring and early warning technology is proposed: improve the comprehensiveness of the method for determining the critical value of natural ignition of coal, and use emerging equipment and advanced technology to improve the method of determining the critical value of natural ignition of coal; for the complex coal spontaneous combustion environment of the mine, and the comprehensive and refined monitoring parameters of the spontaneous combustion of coal can be improved by studying new advanced technologies such as acoustic wave detection; promote the innovation of coal spontaneous combustion monitoring and early warning technology and the intelligence of decision-making, and use digital twin technology to provide accurate simulation and prediction capabilities, optimize prevention and control plans, provide training and emergency management, as well as the help in data analysis and decision support; focus on the intelligent integration of comprehensive perception, accurate prediction and prevention and control of coal spontaneous combustion disasters, and strengthen the research on technologies such as data analysis of coal spontaneous combustion disasters, active early warning before disasters, post-disaster accident management, and automatic closure of fire areas.

  • 关键词

    矿井火灾煤自燃智能监测预警技术煤自燃标志气体智能算法全面感知精准预测防控一体化

  • KeyWords

    mine fire;coal spontaneous combustion;intelligent monitoring; early warning technology;indicator gas;intelligent algorithm;total perception;accurate prediction;integration of prevention and control

  • 基金项目(Foundation)
    国家自然科学基金资助项目(51974234,52004211);陕西省重点研发计划资助项目(2021GY-278)
  • DOI
  • 引用格式
    邓军,张琦,陈炜乐,等. 矿井煤自燃灾害监测预警技术及发展趋势[J]. 煤矿安全,2024,55(3):99−110.
  • Citation
    DENG Jun, ZHANG Qi, CNEN Weile, et al. Coal spontaneous combustion disaster monitoring and early warning technologies and development trend for coal mines[J]. Safety in Coal Mines, 2024, 55(3): 99−110.
  • 相关文章
  • 图表

    Table1

    矿井自燃监测技术对比与应用场景
    监测技术 优点 缺点 应用场景
    钻探技术 钻探较大深度;快速获取矿产资源信息 存在一定地质灾害风险;对地下环境有一定破坏性 探查小煤矿边界
    束管监测 能提供准确的地质构造和地层信息 工作量大且费时费力;只能获取局部样本 含硫煤较高的矿井
    分布式光纤测温 长测距能力;实时监测 安装复杂;灵敏度受限 长壁采煤工作面、地下储煤仓
    红外热成像 快速、非接触式和大范围的监测能力 对环境温度和湿度的变化较为敏感;
    只能检测表面温度
    井下掘进工作面、综采工作面、
    带式输送机输送
    磁探法 高效监测;无需接触矿体表面;
    实时性强;
    灵敏度受限;依赖地质条件;仪器设备复杂 富含磁性的矿物或岩石的地质条件下
    同位素测氡 高灵敏度、快速响应 受矿井内氡气浓度分布的影响;
    需专业操作人员;成本较高
    浅埋深 、地表无植被

    Table2

    煤自燃标志气体类型及形式
    指标类型 指标名称 指标形式 适用条件
    单一指标 氧化气体 \( \mathrm{CO} \) 各气体初现温度分明
    热解气体 \( \mathrm{C}_{2} \mathrm{H}_{6}, \mathrm{C}_{3} \mathrm{H}_{8}, \mathrm{C}_{2} \mathrm{H}_{4}, \mathrm{C}_{2} \mathrm{H}_{2}, \mathrm{H}_{2} \)
    复合指标 格雷哈姆系数(R) \( R_{\rm{I}}=\dfrac{+\Delta G_{\mathrm{CO}_2}}{-\Delta C_{\mathrm{CO}_2}}\times100\% \) 井下CO2来源少且积水少
    \( R_2=\dfrac{+\Delta C_{\mathrm{CO}}}{-\Delta C_{\mathrm{O}_2}}\times100\% \) CO均来源于煤自燃氧化;新鲜风量较小
    \( R_3=\dfrac{+\Delta C_{\mathrm{CO}}}{-\Delta C_{\mathrm{O}_2}}\times100\% \) 常用于指示火灾发展状况
    链烷比 \( C_{{\mathrm{C}}_{2} \mathrm{H}_{6}} / C_{{\mathrm{CH}}_{\mathrm{4}}} \),\( C_{{\mathrm{C}}_{3} {\mathrm{H}}_{8}} / C_{{\mathrm{CH}}_{4}} \),\( C_{{\mathrm{C}}_{3} {\mathrm{H}}_{8}} / C_{{\mathrm{C}}_{2} {\mathrm{H}}_{6}} \) 煤体自身中无原始烷烃气体赋存
    烯烷比 \(C_{{\mathrm{C}}_2 {\mathrm{H}}_4} / C_{{\mathrm{C H}}_4}, C_{{\mathrm{C}}_2 {\mathrm{H}}_4} / C_{{\mathrm{C}}_2 {\mathrm{H}}_6}, C_{{\mathrm{C}}_2 {\mathrm{H}}_4} / C_{{\mathrm{C}}_3 {\mathrm{H}}_8}\)
    碳氢比 \( \dfrac{6\left(C_{{\mathrm{C O}}_2}+C_{{\mathrm{C O}}}+C_{{\mathrm{C H}}_4}+C_{{\mathrm{C}}-{\mathrm{O}}}\right)}{2\left(C_{{\mathrm{N}}_2} / 3.78-C_{{\mathrm{O}}_2}-C_{{\mathrm{C O}}_2}+C_{{\mathrm{C H}}_4}\right)-C_{{\mathrm{C O}}}-C_{{\mathrm{C}}-{\mathrm{H}}}+C_{{\mathrm{H}}_2}}\) 非高瓦斯矿井
    烃指数 \( \dfrac{1.01 C_{{\mathrm{T H C}}}-C_{{\mathrm{CH}}_4}}{C_{{\mathrm{T H C}}}} \) 烃类气体总体积分数达50\( \times {10}^{-6} \)以上
      注:R1R2受新鲜风流的影响,R3指标基本上不受新鲜风流的影响,因此R3指标常用于指示火灾的发展状况;CTHC为烃类物质总量,10−6,当实际检测烃类物质总量为0时,默认该值为0.01×10−6,以防止出现分母为0的情况;CCH4为甲烷气体的含量,10−6

    Table3

    不同学习算法在煤自燃预测预警方面的优缺点
    分类 学习算法 优点 缺点 实际应用
    监督学习
    算法
    线性回归 表达方式简单,建模过程方便,对关系简单、数据量小的数据集效果更好 确定煤自燃温度和气体产物之间
    的复杂关系不理想,预测误差较大
    确定交叉温度、着火点温度与元素之间的内在联系,为煤自燃预警提供数据支撑
    人工神经网络(ANN) 较强的非线性映射、自适应、函数拟合和自学习能力 数值模拟研究结果
    仍需要现场检验
    利用该模型计算出煤的自然发火期
    支持向量机 学习效率高、全局性强和泛化
    能力优异
    训练时间长 采用支持向量机实现了煤自燃极限参数的预测
    遗传算法(GA) 易与其他算法结合,全局
    寻优能力,高可靠性
    收敛速度较慢、局部搜索能力差、
    需要更多的迭代次数
    基于遗传算法预测煤层自燃危险性研究,选取3个关键影响因素作为判断指标并建立矿井自燃危险性预测模型
    BP神经网络 很强的非线性映射能力,柔性的网络结构 模型收敛速度较慢,易陷于局部最优 通过建立BP神经网络,研究煤自燃过程中气体对温度的反馈作用,根据气体数据精准预测煤自燃温度
    粒子群优化(PSO) 快速逼近最优解、简单易实现、搜索速度快 易陷于早熟收敛、高维空间易陷入
    局部最优
    PSO常用于对其他模型优化并建立预测模型,为矿井煤自燃预测预警提供新的方法
    蚁群算法 良好的正反馈性和稳定性、全局搜索能力强 求解时间较长、迭代速度较慢 蚁群算法应用于解决煤矿井下应急救援路径优化的研究
    随机森林(RF) 训练速度快、分类精度高、不易过拟合、可处理高维度数据 样本较大容易过拟合、模型的可解释
    性不如单棵决策树
    基于随机森林的煤自燃预测模型,通过在多个矿井煤自燃预测中应用,验证了RF的稳定性和普适性
    无监督学
    习算法
    聚类算法 适用大规模数据、收敛速度快、算法简单 聚类数目导致聚类结果不稳定 通过聚类算法确定采空区自燃“三带”划分,并对不同测点数据进行分类
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