采空區自燃火災預報方法與監測新技術

陳 洋，王 偉，3

（1.中煤科工集團沈陽研究院有限公司，遼寧 撫順 113122；2.煤礦安全技術國家重點實驗室，遼寧 撫順 113122；3.煤炭科學研究總院 研究生院，北京 100013）

煤自燃火災是制約煤礦安全生產的主要災害之一，防止治理礦井火災的基礎工作是對其進行預測預報[1]。《煤礦安全規程》多處條款對礦井火災預報及監測進行了相關規定，如自然發火危險的礦井應定期檢查CO和其他有害氣體情況；建立煤礦自然發火監測系統，確定煤層自然發火標志氣體及臨界值；火區封閉、管理及啟封等過程中，應分析火區內溫度和氣體成分等[2]。為此，系統總結了目前我國礦井自燃火災的預報方法，介紹了礦井自燃火災監測先進適用技術，對相關技術的發展動向進行展望，為火災防治技術的發展提供借鑒和指導。

1 采空區自燃火災特點

煤礦自燃火災存在著嚴重的危害，如：壓滯煤炭資源，影響采掘接續；燒毀煤炭資源及設備，導致財產損失；破壞井上下環境，造成環境污染；引發次生災害，導致人員傷亡。我國采空區自燃火災具有如下特點：

1）煤炭主產區受自燃火災影響嚴重。容易自燃、自燃煤層在我國煤炭儲量中占有相當大的比例[3-4]，據相關資料統計，我國受到自然發火威脅的大中型礦區超過100個，其中超過一半的煤層具有自然發火傾向。以國家能源集團為例，74座井工礦井煤炭開采面臨水、火、瓦斯、沖擊地壓等多種災害威脅，其中，易自然發火礦井占77.6%。

2）煤礦火災種類繁多，采空區自燃火災比重大。全國共有煤礦約11 000個，傳統礦區百萬噸發火率高達7.47；煤礦火災的60%為采空區自然發火，約30%為巷道煤柱著火，剩余10%火災發生在其他地區。中厚以下煤層采空區自燃次數占采空區發火總數的16%，厚煤層和特厚煤層的采空區自燃火災次數占采空區發火總數的84%。

3）自燃火災引發次生災害事故嚴重。因火災引發的煤塵、瓦斯爆炸等次生災害同樣較為嚴重。2012—2015年，我國共發生重大以上瓦斯爆炸事故19起，其中9起由火區（煤炭自燃）引發。如2013年吉林通化八寶煤礦，采空區自燃引發瓦斯爆炸，火區治理及密閉施工期間發生二次爆炸，共死亡53人。2014年7月5日，新疆大黃山煤礦封閉自燃火區引發瓦斯爆炸，死亡17人。

4）煤田火災十分嚴重。我國每年由于煤田火區燃燒產生溫室氣體大于1 200萬t/a，占全球碳排放量的2%～3%[5]。分布范圍主要集中于我國西北部省份，煤田火災存在著面積廣、溫度高、儲熱量大、火源隱蔽、火風壓大、地表漏風復雜、易復燃、治理難度大的特征。

2 自燃火災預報方法

2.1 氣體指標法

根據煤礦井下部分氣體成分及其濃度變化情況對煤炭自燃情況進行判別，是目前煤自燃預測預報應用最廣泛的方法[6-7]。

由于自然發火而產生或因自然發火而變化的，能夠在一定程度上表征自然發火狀態和發展趨勢的火災氣體，稱為煤自然發火標志氣體。煤自然發火標志氣體指標是指能夠反映自然發火狀況的各標志氣體體積分數及其比值。氣相色譜分析過程中第1次出現相應標志氣體的煤樣溫度，稱為標志氣體臨界溫度。

2.1.1 CO氣體及其派生指標

不同變質程度煤樣氧化氣體產物CO發生速率隨煤溫的變化特征如圖1。

由圖1可以得出，同一溫度點，CO發生速率隨著煤的變質程度加深而降低；高發生速率分帶內，褐煤、長焰煤、氣煤等變質程度較低的煤則集中；低發生速率分帶內，焦煤、瘦煤、貧煤、無煙煤變質程度較高的比較集中。

圖1 CO發生速率與煤溫關系Fig.1 Relationship between CO generation rate and coal temperature

不同變質程度煤樣CO出現的臨界溫度值（CO發生量為5×10-6時的溫度值）見表1。

表1 不同變質程度煤樣CO的臨界溫度值Table 1 Critical temperature of CO in coal samples with different metamorphic degrees

由表1可以看出，變質程度高的焦煤、瘦煤、貧煤、無煙煤臨界溫度超過80℃；變質程度低的褐煤、長焰煤、氣煤、肥煤臨界溫度低于66℃。

煤的吸附氣體中不存在CO，因其靈敏性常作為檢測煤早期自燃的產物。CO持續出現且體積分數連續升高，表明煤已蓄熱，濃度越高，自燃程度越深，直至明火出現。煤層低溫氧化各個過程都可能產生CO，因此單純使用CO對煤自然發火進程進行判斷比較困難，應當在使用CO的前提下，探討C2H2、C2H6共同作為輔助指標的可能性。

2.1.2 烯烴及φ（C2H4）/φ（C2H6）指標

井下煤氧化分解會產生烯烴氣體，當監測到相關氣體出現時，煤已進入釋放氧化氣體階段。烯烴主要指C2H4和C3H6。C2H4、C3H6的發生速率和煤溫成正比，但不同的煤種位于不同的速率分帶內。

C2H4發生速率與煤溫關系如圖2。低發生速率分帶內分布有瘦煤、焦煤、無煙煤、貧煤，而高發生速率分帶內分布有長焰煤、氣煤、褐煤；但無煙煤的C2H4發生速率呈現出不規律特征，故無煙煤自然發火標志氣體不應選擇烯烴。

圖2 C2H 4發生速率與煤溫關系Fig.2 Relationship between C2H 4 generation rate and coal temperature

烯烷比是φ（C2H4）/φ（C2H6）的值。φ（C2H4）/φ（C2H6）的值和煤溫成正比，達到第1次峰值后，比值與煤溫呈負相關關系，發展到激烈氧化階段時，第2次峰值出現，φ（C2H4）/φ（C2H6）與煤溫關系如圖3。

圖3 φ（C2H4）/φ（C2H 6）與煤溫關系Fig.3 Relationship betweenφ（C2H4）/φ（C2H 6）and coal temperature

不同煤樣C2H4和C3H6出現的臨界溫度值見表2。

由表2可以看出，加速氧化階段的煤溫下限值即烯烴氣體的臨界溫度值，C2H4比C3H6出現的臨界溫度稍低；烯烴氣體一經發現，則煤溫大于等于其臨界溫度；煤變質程度較高時，C2H4、C3H6的臨界溫度基本沒有區別。

表2 不同煤樣C2H4、C3H6的臨界溫度值Table 2 Critical temperature values of C2H 4 and C3H6 in different coal samples

2.1.3 炔烴氣體及鏈烷比指標

1）炔烴僅指C2H2氣體。C2H2出現在煤氧化的燃燒階段，其臨界溫度值較高，當C2H2被監測到時，說明監測區內已經出現明火。

2）鏈烷比是指長鏈烷烴與CH4、C2H6的比值，鏈烷比與煤溫的相關關系和烯烷比類似。但鏈烷比因煤本身吸附的烷烴量的不同和吸附烷烴的釋放時間的不同在煤礦現場應用過程中受到了一定的限制。

從緩慢氧化、加速氧化到激烈氧化，煤自然發火不同的階段的防滅火措施不盡相同。因此作為煤自然發火的預測預報應該根據實際情況優選適合于適宜的綜合標志氣體指標，即建立標志氣體指標體系。

2.2 測溫法

最可靠、最直觀的判斷煤自燃發展階段的參數就是溫度。測溫法通過溫度傳感器的使用，對監測點的溫度進行測定，從而確定自燃危險性。其中一種使用監測點的溫度作為判斷依據，另一種使用監測點的溫度變化特征作為判斷依據。

溫度傳感器主要有激光、紅外線、光纖、熱敏材料、集成溫度傳感器、半導體測溫元件、測溫電阻、熱電偶等。其中成本低、操作方便的熱敏材料、半導體測溫元件、測溫電阻、熱電偶得到普遍使用。

測溫法的應用有一定的局限性，主要表現為點接觸、預測范圍小；安裝、維護工作量大；溫度傳感器品種單一、穩定性差、使用壽命往往較短，測量精度有待進一步提高；測溫儀表、導線因垮落或底板裂變破壞、折斷；此外煤體較差的熱傳導特性導致其散熱區域有限，個別情況下火源附近1 m內的傳感器也無法探得高溫火源點。

3 自燃火災監測先進適用技術

束管監測系統是應用比較廣泛的一種監測技術，首先用地面抽氣泵抽取氣樣，然后由氣樣分選器對氣樣進行分選，最后使用色譜儀分析氣樣。隨著礦井井型的加大和煤炭科技的進步，新的監測手段不斷產生。

3.1 自燃火災光譜在線原位監測

針對色譜束管監測系統難以滿足火災監測預警的需要，研發了紅外光譜束管監測系統。發明了本安型、寬量程（相對于分辨率的104級）、高精度（檢測線達1×10-7）井下原位在線光譜束管監測成套技術，克服了傳統色譜束管系統無法下井的缺陷，創新性地將氣體分析儀移入井下近工作面端待監測點，大大縮短了束管采氣距離，集成了光纖環網傳輸技術，成套系統具備了原位在線監測（分析周期≤5 s）、數據實時上傳（上傳周期≤2 s）、井上下設備無人值守、自動控制及報警功能。配套發明了煤礦井下束管管路監測系統及監測方法，開發了樣品預處理裝置，實現了管路內氣體壓力、流量的實時監測和異常點快速定位[8-9]。

礦用紅外光譜束管監測系統主要用于煤礦井下，通過對不同區域的實時在線監測，得到CH4、CO、CO2、C2H4和O2等氣體體積分數，是用于礦井井下采空區自然發火監測監控的成套技術設備。在井下靠近正常回采工作面或已封閉的工作面采空區附近選擇合適地點構筑硐室，安置光譜檢測裝置及其輔助設備，如束管、光纖等，待測氣體由負壓抽氣泵送進檢測裝置，經光譜儀分析后輸出結果，可實現實時、在線監測。

3.2 分布式光纖測溫技術

光的拉曼散射效應是分布式光纖測溫技術的基本原理，通過光時域反射技術進行定位[10-12]，測溫系統由測溫光纜和光纖解調主機組成。

相較于傳統測溫技術，分布式光纖測溫定位精度高、測溫范圍廣、傳輸距離遠、連續監測、本質安全。

使用該技術監測采空區內因火災時，隨工作面推進在采空區內布置測溫光纜，高溫點和自然發火隱患一旦出現，分布式在線監測隨即實現。

3.3 自然發火氣-溫聯合預警技術

自然發火氣-溫聯合預警是結合測溫法和氣體分析法的監測技術。

研制了井下紅外氣體分析儀，將單點分析時間縮短至5 min以內，同時效率提高10倍以上。該分析儀通過光纖進行井下和地面的數據傳輸，使采空區自燃危險的超前預警、快速檢測得以實現，解決了傳統束管監測系統維護困難、易積水、時效性差、管線長等問題。研發了采空區無線自組網高密度溫度監測系統，實時監測溫度、準確定位異常區。該系統使測溫誤差減小至1℃以內，高溫點定位誤差在1 m以內，無線溫度傳輸距離提高至5 m，解決了點、線式采空區溫度檢測精度低、范圍小的問題。

3.4 礦井漏風測定新技術

礦井漏風是引起采空區自燃火災的重要因素，漏風通道及漏風量檢測是必要的。而現在的漏風檢測多為定性監測，準確率不高，定量檢測也是井下人工采氣送至井上色譜分析。人工采氣球膽吸附、氣樣泄漏、背景氣體混入，而目前可以分析SF6的色譜儀較少，需配備ECD專用色譜，定期標校，受操作人員水平影響嚴重。

針對上述弊端，利用光譜分析技術，研制了本質安全型便攜式井下漏風分析儀，井下原位測試、就地分析，定量分析、量程范圍大、檢出限低，可以進行漏風定量計算，漏風通道查找。

4 結 語

在自燃火災預測預報及監測監控方面，目前還存在一些難題，如煤自燃火災發生、發展、致災基礎理論研究不夠深入、煤礦火災一體化監測預警機制尚不完善等。基于此，擬在如下領域開展研究：

1）隨著高產高效集約化礦井建設，出現了新的威脅因素，如煤層群開采淺部小窯和上組煤采空區自燃，出現了CO氣體本底含量異常等特殊生產技術條件下的預測預報指標和煤的二次氧化自燃特性等新的難題。因此，應進一步研究煤自然發火的宏觀熱力學特征；研究煤層自燃前兆信息演化特征與預警理論；建立CO氣體本底含量異常等特殊生產技術條件下的預測預報指標；綜合考慮煤的聚集區和成煤期的區別，基于煤層賦存條件、煤質特征及分布規律等，建立相應的區域性指標體系，預報自然發火；研究多層次、多學科的動態預測模型，更好的預測煤自然發火危險性。

2）目前，我國煤礦缺乏內外因火災一體化預警系統，無法實現礦井動態安全信息的連續采集、在線辨識、智能分析，集煤礦火災早期監測、火災預警與專家決策分析系統為一體的煤礦火災一體化預警與高效預防技術體系尚未建立。為此，應基于多傳感器序列研制礦井火災早期檢測系統，實現系統智能化、高集成化，并與煤自然發火動態早期預測預報技術體系相配套。與此同時，為了預防煤礦火災、繼發性災害，應在礦井網絡系統的基礎上，研發快速應變技術與裝備，構建煤礦火災專家決策分析系統。