采空区自燃火灾预报方法与监测新技术

陈 洋，王 伟，3

（1.中煤科工集团沈阳研究院有限公司，辽宁 抚顺 113122；2.煤矿安全技术国家重点实验室，辽宁 抚顺 113122；3.煤炭科学研究总院 研究生院，北京 100013）

煤自燃火灾是制约煤矿安全生产的主要灾害之一，防止治理矿井火灾的基础工作是对其进行预测预报[1]。《煤矿安全规程》多处条款对矿井火灾预报及监测进行了相关规定，如自然发火危险的矿井应定期检查CO和其他有害气体情况；建立煤矿自然发火监测系统，确定煤层自然发火标志气体及临界值；火区封闭、管理及启封等过程中，应分析火区内温度和气体成分等[2]。为此，系统总结了目前我国矿井自燃火灾的预报方法，介绍了矿井自燃火灾监测先进适用技术，对相关技术的发展动向进行展望，为火灾防治技术的发展提供借鉴和指导。

1 采空区自燃火灾特点

煤矿自燃火灾存在着严重的危害，如：压滞煤炭资源，影响采掘接续；烧毁煤炭资源及设备，导致财产损失；破坏井上下环境，造成环境污染；引发次生灾害，导致人员伤亡。我国采空区自燃火灾具有如下特点：

1）煤炭主产区受自燃火灾影响严重。容易自燃、自燃煤层在我国煤炭储量中占有相当大的比例[3-4]，据相关资料统计，我国受到自然发火威胁的大中型矿区超过100个，其中超过一半的煤层具有自然发火倾向。以国家能源集团为例，74座井工矿井煤炭开采面临水、火、瓦斯、冲击地压等多种灾害威胁，其中，易自然发火矿井占77.6%。

2）煤矿火灾种类繁多，采空区自燃火灾比重大。全国共有煤矿约11 000个，传统矿区百万吨发火率高达7.47；煤矿火灾的60%为采空区自然发火，约30%为巷道煤柱着火，剩余10%火灾发生在其他地区。中厚以下煤层采空区自燃次数占采空区发火总数的16%，厚煤层和特厚煤层的采空区自燃火灾次数占采空区发火总数的84%。

3）自燃火灾引发次生灾害事故严重。因火灾引发的煤尘、瓦斯爆炸等次生灾害同样较为严重。2012—2015年，我国共发生重大以上瓦斯爆炸事故19起，其中9起由火区（煤炭自燃）引发。如2013年吉林通化八宝煤矿，采空区自燃引发瓦斯爆炸，火区治理及密闭施工期间发生二次爆炸，共死亡53人。2014年7月5日，新疆大黄山煤矿封闭自燃火区引发瓦斯爆炸，死亡17人。

4）煤田火灾十分严重。我国每年由于煤田火区燃烧产生温室气体大于1 200万t/a，占全球碳排放量的2%～3%[5]。分布范围主要集中于我国西北部省份，煤田火灾存在着面积广、温度高、储热量大、火源隐蔽、火风压大、地表漏风复杂、易复燃、治理难度大的特征。

2 自燃火灾预报方法

2.1 气体指标法

根据煤矿井下部分气体成分及其浓度变化情况对煤炭自燃情况进行判别，是目前煤自燃预测预报应用最广泛的方法[6-7]。

由于自然发火而产生或因自然发火而变化的，能够在一定程度上表征自然发火状态和发展趋势的火灾气体，称为煤自然发火标志气体。煤自然发火标志气体指标是指能够反映自然发火状况的各标志气体体积分数及其比值。气相色谱分析过程中第1次出现相应标志气体的煤样温度，称为标志气体临界温度。

2.1.1 CO气体及其派生指标

不同变质程度煤样氧化气体产物CO发生速率随煤温的变化特征如图1。

由图1可以得出，同一温度点，CO发生速率随着煤的变质程度加深而降低；高发生速率分带内，褐煤、长焰煤、气煤等变质程度较低的煤则集中；低发生速率分带内，焦煤、瘦煤、贫煤、无烟煤变质程度较高的比较集中。

图1 CO发生速率与煤温关系Fig.1 Relationship between CO generation rate and coal temperature

不同变质程度煤样CO出现的临界温度值（CO发生量为5×10-6时的温度值）见表1。

表1 不同变质程度煤样CO的临界温度值Table 1 Critical temperature of CO in coal samples with different metamorphic degrees

由表1可以看出，变质程度高的焦煤、瘦煤、贫煤、无烟煤临界温度超过80℃；变质程度低的褐煤、长焰煤、气煤、肥煤临界温度低于66℃。

煤的吸附气体中不存在CO，因其灵敏性常作为检测煤早期自燃的产物。CO持续出现且体积分数连续升高，表明煤已蓄热，浓度越高，自燃程度越深，直至明火出现。煤层低温氧化各个过程都可能产生CO，因此单纯使用CO对煤自然发火进程进行判断比较困难，应当在使用CO的前提下，探讨C2H2、C2H6共同作为辅助指标的可能性。

2.1.2 烯烃及φ（C2H4）/φ（C2H6）指标

井下煤氧化分解会产生烯烃气体，当监测到相关气体出现时，煤已进入释放氧化气体阶段。烯烃主要指C2H4和C3H6。C2H4、C3H6的发生速率和煤温成正比，但不同的煤种位于不同的速率分带内。

C2H4发生速率与煤温关系如图2。低发生速率分带内分布有瘦煤、焦煤、无烟煤、贫煤，而高发生速率分带内分布有长焰煤、气煤、褐煤；但无烟煤的C2H4发生速率呈现出不规律特征，故无烟煤自然发火标志气体不应选择烯烃。

图2 C2H 4发生速率与煤温关系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）的值和煤温成正比，达到第1次峰值后，比值与煤温呈负相关关系，发展到激烈氧化阶段时，第2次峰值出现，φ（C2H4）/φ（C2H6）与煤温关系如图3。

图3 φ（C2H4）/φ（C2H 6）与煤温关系Fig.3 Relationship betweenφ（C2H4）/φ（C2H 6）and coal temperature

不同煤样C2H4和C3H6出现的临界温度值见表2。

由表2可以看出，加速氧化阶段的煤温下限值即烯烃气体的临界温度值，C2H4比C3H6出现的临界温度稍低；烯烃气体一经发现，则煤温大于等于其临界温度；煤变质程度较高时，C2H4、C3H6的临界温度基本没有区别。

表2 不同煤样C2H4、C3H6的临界温度值Table 2 Critical temperature values of C2H 4 and C3H6 in different coal samples

2.1.3 炔烃气体及链烷比指标

1）炔烃仅指C2H2气体。C2H2出现在煤氧化的燃烧阶段，其临界温度值较高，当C2H2被监测到时，说明监测区内已经出现明火。

2）链烷比是指长链烷烃与CH4、C2H6的比值，链烷比与煤温的相关关系和烯烷比类似。但链烷比因煤本身吸附的烷烃量的不同和吸附烷烃的释放时间的不同在煤矿现场应用过程中受到了一定的限制。

从缓慢氧化、加速氧化到激烈氧化，煤自然发火不同的阶段的防灭火措施不尽相同。因此作为煤自然发火的预测预报应该根据实际情况优选适合于适宜的综合标志气体指标，即建立标志气体指标体系。

2.2 测温法

最可靠、最直观的判断煤自燃发展阶段的参数就是温度。测温法通过温度传感器的使用，对监测点的温度进行测定，从而确定自燃危险性。其中一种使用监测点的温度作为判断依据，另一种使用监测点的温度变化特征作为判断依据。

温度传感器主要有激光、红外线、光纤、热敏材料、集成温度传感器、半导体测温元件、测温电阻、热电偶等。其中成本低、操作方便的热敏材料、半导体测温元件、测温电阻、热电偶得到普遍使用。

测温法的应用有一定的局限性，主要表现为点接触、预测范围小；安装、维护工作量大；温度传感器品种单一、稳定性差、使用寿命往往较短，测量精度有待进一步提高；测温仪表、导线因垮落或底板裂变破坏、折断；此外煤体较差的热传导特性导致其散热区域有限，个别情况下火源附近1 m内的传感器也无法探得高温火源点。

3 自燃火灾监测先进适用技术

束管监测系统是应用比较广泛的一种监测技术，首先用地面抽气泵抽取气样，然后由气样分选器对气样进行分选，最后使用色谱仪分析气样。随着矿井井型的加大和煤炭科技的进步，新的监测手段不断产生。

3.1 自燃火灾光谱在线原位监测

针对色谱束管监测系统难以满足火灾监测预警的需要，研发了红外光谱束管监测系统。发明了本安型、宽量程（相对于分辨率的104级）、高精度（检测线达1×10-7）井下原位在线光谱束管监测成套技术，克服了传统色谱束管系统无法下井的缺陷，创新性地将气体分析仪移入井下近工作面端待监测点，大大缩短了束管采气距离，集成了光纤环网传输技术，成套系统具备了原位在线监测（分析周期≤5 s）、数据实时上传（上传周期≤2 s）、井上下设备无人值守、自动控制及报警功能。配套发明了煤矿井下束管管路监测系统及监测方法，开发了样品预处理装置，实现了管路内气体压力、流量的实时监测和异常点快速定位[8-9]。

矿用红外光谱束管监测系统主要用于煤矿井下，通过对不同区域的实时在线监测，得到CH4、CO、CO2、C2H4和O2等气体体积分数，是用于矿井井下采空区自然发火监测监控的成套技术设备。在井下靠近正常回采工作面或已封闭的工作面采空区附近选择合适地点构筑硐室，安置光谱检测装置及其辅助设备，如束管、光纤等，待测气体由负压抽气泵送进检测装置，经光谱仪分析后输出结果，可实现实时、在线监测。

3.2 分布式光纤测温技术

光的拉曼散射效应是分布式光纤测温技术的基本原理，通过光时域反射技术进行定位[10-12]，测温系统由测温光缆和光纤解调主机组成。

相较于传统测温技术，分布式光纤测温定位精度高、测温范围广、传输距离远、连续监测、本质安全。

使用该技术监测采空区内因火灾时，随工作面推进在采空区内布置测温光缆，高温点和自然发火隐患一旦出现，分布式在线监测随即实现。

3.3 自然发火气-温联合预警技术

自然发火气-温联合预警是结合测温法和气体分析法的监测技术。

研制了井下红外气体分析仪，将单点分析时间缩短至5 min以内，同时效率提高10倍以上。该分析仪通过光纤进行井下和地面的数据传输，使采空区自燃危险的超前预警、快速检测得以实现，解决了传统束管监测系统维护困难、易积水、时效性差、管线长等问题。研发了采空区无线自组网高密度温度监测系统，实时监测温度、准确定位异常区。该系统使测温误差减小至1℃以内，高温点定位误差在1 m以内，无线温度传输距离提高至5 m，解决了点、线式采空区温度检测精度低、范围小的问题。

3.4 矿井漏风测定新技术

矿井漏风是引起采空区自燃火灾的重要因素，漏风通道及漏风量检测是必要的。而现在的漏风检测多为定性监测，准确率不高，定量检测也是井下人工采气送至井上色谱分析。人工采气球胆吸附、气样泄漏、背景气体混入，而目前可以分析SF6的色谱仪较少，需配备ECD专用色谱，定期标校，受操作人员水平影响严重。

针对上述弊端，利用光谱分析技术，研制了本质安全型便携式井下漏风分析仪，井下原位测试、就地分析，定量分析、量程范围大、检出限低，可以进行漏风定量计算，漏风通道查找。

4 结 语

在自燃火灾预测预报及监测监控方面，目前还存在一些难题，如煤自燃火灾发生、发展、致灾基础理论研究不够深入、煤矿火灾一体化监测预警机制尚不完善等。基于此，拟在如下领域开展研究：

1）随着高产高效集约化矿井建设，出现了新的威胁因素，如煤层群开采浅部小窑和上组煤采空区自燃，出现了CO气体本底含量异常等特殊生产技术条件下的预测预报指标和煤的二次氧化自燃特性等新的难题。因此，应进一步研究煤自然发火的宏观热力学特征；研究煤层自燃前兆信息演化特征与预警理论；建立CO气体本底含量异常等特殊生产技术条件下的预测预报指标；综合考虑煤的聚集区和成煤期的区别，基于煤层赋存条件、煤质特征及分布规律等，建立相应的区域性指标体系，预报自然发火；研究多层次、多学科的动态预测模型，更好的预测煤自然发火危险性。

2）目前，我国煤矿缺乏内外因火灾一体化预警系统，无法实现矿井动态安全信息的连续采集、在线辨识、智能分析，集煤矿火灾早期监测、火灾预警与专家决策分析系统为一体的煤矿火灾一体化预警与高效预防技术体系尚未建立。为此，应基于多传感器序列研制矿井火灾早期检测系统，实现系统智能化、高集成化，并与煤自然发火动态早期预测预报技术体系相配套。与此同时，为了预防煤矿火灾、继发性灾害，应在矿井网络系统的基础上，研发快速应变技术与装备，构建煤矿火灾专家决策分析系统。