煤矿自然发火预测预报技术

张 鹏

(山西晋城煤业集团寺河煤矿二号井，山西 晋城 048019)

0 引言

我国煤矿火灾事故比较严重，矿井的自然发火所占的比重将在80%以上，而对于国内重点的煤矿企业，有自燃危险的矿井约占50%，而煤层的自燃倾向性就更为严重[1]，因此，对矿井自燃火灾的提前预防是当前一项紧迫的任务。早期对煤矿自然发火做出预测预报，有利于防止灾害继续发展，毁坏设备和资源，酿成煤矿重大恶性事故，是保证煤矿安全生产行之有效的技术措施。

1 煤矿自然发火预测方法

我国现有煤矿自然发火预测技术主要依赖于煤的物理化学特性结合光谱分析技术、统计学技术展开预测工作。

1.1 自燃倾向性预测法

煤自燃倾向性[2]是指煤自身吸氧蓄热发生着火的特性。煤层开拓之前可能产生自然发火的程度，是煤的内在属性之一。外在环境不影响煤的自燃倾向性，但不同煤的物理化学特性，如煤化程度、水分和煤的孔隙特性等对其有影响。煤自燃倾向性测试方法有很多，有关人士对其进行了分类，主要有吸附氧测试法、交叉点温度法等。

对于上述的相关方法，我国通常利用色谱吸氧鉴定法对煤层的自燃倾向性进行鉴定，主要使用的检测仪器设备是ZR-1型测定仪，它可以测出煤炭在30℃常压下的吸氧量，最后利用每克干煤吸氧的多少，将其自燃情况分为容易自燃、自燃、不易自燃3个级别。

1.2 其它自然发火预测方法

矿井的自然发火预测除了采用自燃倾向性这种方法以外，还有经验统计预测法等。

2 煤矿自然发火预报技术

火灾预测预报的方法很多，归纳起来可以分为人的直观感觉识别、用仪器仪表检测矿井空气成分或用计算机监控系统测定矿井空气成分和检测煤的温度等方法。

2.1 以人体的感知预报自然发火

根据我们人体自身的生理现象来感觉矿井火灾的方法主要有以下几种：①嗅觉。当矿井内的可燃物质受到高温分解后，会出现一系列火灾气体，煤在热解过程中释放出烃类化合物，巷道中会出现煤油以及煤焦油等气味；②视觉。煤在自燃氧化过程中生成和蒸发出一些水分，巷道内空气温度增加，表现为煤壁“出汗”，自然发火到一定程度时，会出现明火等；③触觉。煤在自燃的过程当中会释放出能量，从而使得周围空气的温度增高，并且还会伴随着出现一氧化碳等有毒有害气体，导致工人出现四肢无力等病理现象。

2.2 综合因素评判预测法

综合因素预测法通常指的是对矿井内部煤炭的影响因素综合地进行评分来预测自然发火，其因素主要有矿井环境温度、通风情况以及管理情况等。此方法对所有的影响因素都按权重作出了说明，很好地避免了人主观的影响，使得最终的预测更加准确，它是一种简单且相对精确的预测方法。

2.3 经验统计预测法

此方法主要是根据现有的自然发火事故来做出统计分析，对各个开采煤层中具有自然发火情况的相关指标参数做出分析预测。它需要根据一定数量的资料统计，因此可靠度比较高。其缺点是很难对其它类型自然发火进行预测，在各个时间段内所做的统计也存在着一定的误差，只能简单判断出自然发火的范围。

2.4 数学模型预测法

数学模型预测法需要构建出发火的数学模型，要对矿井煤炭自然发火的过程进行数值解算，从而求出不同边界下矿井煤炭自然发火的危险程度。其通常可以利用计算机，结合数学模型以及监测设备等程序，迅速地实时模拟自然发火的过程。

2.5 检测矿井空气成分

气体成分分析法：气体分析法[3]一般利用煤炭在自然过程中的产物，例如所释放出的气体的浓度大小等相关参数，从而及时对矿井内煤是否有自然发火的发生做出判断。其指标性的气体主要有以下两种：一种是根据一些指标性气体直接来预测预报，另一种是根据一些气体的组成成分的变化规律进行预测预报。通常情况下，矿井风流中CO2、CO以及O2的浓度是随着风量的变化而变化的，采用CO绝对量作为预报的指标，可以避免风量变化对预报的影响，CO绝对量通常称作发火系数，用H表示，即H=QCCO，式中:Q—观测点的风量；CCO—观测点风流中CO的浓度。此式适用于入风侧气样中不含有CO的条件下，否则，H值应为入、排风侧气样中CO绝对量之差。由于H值受煤种、井下气体成分和着火范围大小等因素的影响，矿井应在实际中统计出适合于本矿的标志性气体临界值。

气味检测法：气味检测法一般是采用气味传感器来实现，利用此传感器并且结合人工神经网络的相关理论来辨识各种各样的气味，从而对矿井的自然发火及时作出预报工作。此方法可以对煤炭氧化时所放出的气体味道进行跟踪捕捉。

2.6 测温法

通常所说的测温法[4]指的是根据温度传感器来测定高温地点的温度从而确定出其发火的危险等级。此法一般是在钻孔内装有温度探测器，最后利用测出的温度值及相关信号的变化规律来确定是否会发生火灾。它是探寻煤炭是否自燃及高温火源的根本方法，然而对于矿井巷道中散落的煤体中温度的测定方法还没有及时地解决。当今应用最广泛的预测方法就是结合测温仪表与传感器为一体的测温法。

2.7 煤矿火灾监测监控系统

束管监测系统：束管监测系统通常是根据抽取的相关气体的特性以及相关气体的变化情况来预测预报，在矿井的实际生产中，一般将一氧化碳等气体看作气体的标志性代表，并结合相关的烷烃气体一起检测。

矿井火灾监测与监控系统：煤矿安全监测监控系统对矿井环境进行全覆盖检测，通过安全监控系统对相关参数的分析比较可以及时地发出警报信号，断电并且闭锁，从而防止事故的发生。

3 预测预报技术评价

3.1 试验条件

自燃倾向性预测法对实验相关要求比较苛刻，要在同一条件下对不同情况的煤样的发火程度进行比对分析，其结果并不够准确，仅仅可以粗略地估计其危险等级。对矿井煤炭自燃倾向性进行合理的鉴定就要求我们对其一系列的过程进行探讨，选出可以直接体现出煤炭自燃特性的具体指标，最终使其鉴定方法可以直观体现出煤炭氧化的难易情况。

3.2 经验因素

统计法：经验统计预测法的缺点是个人的主观性太强，且数学模型预测法对于边界条件进行了一定的简化，这些情况都将影响结论的准确性。针对这些问题，可做如下改进，在定性分析中大量使用数学知识进行计算，将定性与定量分析结合起来，使得预测结果更加科学、准确。

人体感知法：这种火灾的预报技术，依靠人体的直观感觉预报带有很大的主观随意性，只有自燃达到一定程度人体才会有明显的感觉，所以不能把人的直观感觉作为煤自燃早期识别的唯一根据，应使用仪器进行定量分析。

3.3 测试手段

测温法：在煤炭自热阶段，测温法可以较早地预报自燃火灾的发生，但现有的人工测温法，由于测温法是点接触，安装、维护工作量大，不能提供实时监测和预警。

气味检测法：矿井煤炭在自燃的过程中在各个阶段都将会出现不同类型的指标性气体，而在不同阶段所采用的气体种类要根据实验进行测定。对于气味检测法一般要通过矿井的相关生产条件来决定，当气味传感器用于矿井内部时，需要长时间对井下巷道中气味的变化情况进行监测，从而发现在此情况下气体的变化规律。因此，对矿井煤炭自燃中的指标性气体选取时要先进行实验验证，从而结合各种不同的气体进行预测预报。

3.4 实时性

矿井束管监测系统对于井下气体的检测非常有效，但是它也存在着一些缺点，例如监测数据滞后、选择标志性气体的针对性不够、难以直接做出煤自燃程度等级划分等不足之处仍需改进。

4 结语

矿井初期对火灾的预测预报对于矿井的安全生产起着非常重要的作用，当前的预测技术对于矿井的自燃有着一定的预防作用，但对于生产能力大的矿井而言仍然难以满足。各种预测预报方法都有其自身优、缺点和使用范围，对自然发火程度较低的矿，可以使用粗略的预测预报方法，如自燃倾向性预测法，综合因素评判法等，而自然发火严重的矿，需选用较为可靠的预测预报技术，以实验为基础，合理的标志性气体分析，可靠的监测监控系统都是必不可少的。多种方法可结合使用，最终使用何种方法应根据矿山具体情况而定。总之，提高预测预报准确率，提前采取防火措施，确保煤矿生产安全才是终极目标。