0 引言
矿井火灾严重制约着煤炭工业的健康发展，一直威胁着矿井生产安全[1-3]，而煤炭自燃又是矿井火灾的最主要诱因，尤其随着综合机械化放顶采煤开采、孤岛工作面开采、特厚煤层分层开采等，煤层自然发火问题将越来越严重[4-6]，煤层自然发火预测预报成为预防煤层自燃的关键环节。国内外矿井因为采煤工作面一氧化碳生成量大、灵敏度高，常将其作为预测预报煤层自然发火的主要指标，但由于一氧化碳相对单一，容易受风流大小、巷道断面、地质等条件影响[7-8]，容易对自然发火情况造成误判。为此很多学者也进行了多方面研究，目前，煤层自然发火预测预报方法主要有气体分析法[9-12]、测温法[13]、红外探测法[14]、示踪气体法[15]、气味检测法[16-17]等，但方法在煤矿现场的适用性和可操作性存在诸多限制。
泊江海子矿、唐家会矿、色连二号矿3对矿井为淮矿西部煤矿投资管理有限公司(简称“西部公司”)下属公司(泊江海子和色连二号矿含煤地层为侏罗系，唐家会矿含煤地层为石炭二叠系)，各矿主采煤层均为容易自燃煤层，具有自然发火期短、耗氧性强、CO生成率高等特点，矿井已多次出现自然隐患。因此，研究建立适合西部公司煤矿的自燃预测预报体系，对煤自燃隐患进行快速、准确识别，为采取针对性的防控措施提供依据，研究成果对有效提高防火预报效率及防控煤层自燃有着重要意义。
1 矿区概况
1.1 煤矿基本情况
唐家会井田位于准格尔煤田中部，主采煤层平均厚度18.73 m，煤种为长焰煤；泊江海子矿、色连二号矿隶属东胜煤田，主采煤层平均厚度2.1～7.0 m，煤类以不黏煤为主，夹有少量长焰煤。各煤层自燃倾向性均为Ⅰ类，最短自然发火期20～35 d。
1.2 矿区煤自然发火防治重点与难点
唐家会矿采用综采放顶煤开采工艺，工作面初采、临时停采期间不完全放顶煤，邻近终采线附近不放顶煤，导致大量松散煤体在采空区堆积，防火重点是始采、终采不放顶煤区域。泊江海子矿、色连二号矿为近距离煤层群开采，防火重点是始采线、采空区“O形圈”区域及邻近采空区。
2 煤自燃预测预报体系的建立
2.1 矿区煤自燃的特点
2.1.1 自然发火试验、煤体自然发火数学模型
利用西安科技大学XK-Ⅶ型煤自然发火试验台对唐家会矿6煤、色连二矿2-2中煤的煤样自燃全过程进行了模拟，检测试验过程中煤样温度及生成气体变化，为自然发火预测预报奠定了理论基础。该试验台由炉体、气路及控制检测3个部分组成(图1)，总装煤量约1 950 kg，炉体不同位置设有取气管，共布置40个气体采样点和131个测温探头。各煤层煤样试验条件详见表1。
图1 煤自然发火试验台结构示意
Fig.1 Structure diagram of coal spontaneous combustion laboratory
2.1.2 煤自燃的特征分析
试验过程中炉内最高煤温从常温升至170 ℃，煤样升温过程中检测到CO、C2H6、C2H4等气体，气体浓度随温度变化如图2、图3、图4所示。
表1 各煤层试验条件
Table 1 Experimental conditions for coal seams
煤样平均粒径d50/mm试验煤高/cm煤质量/kg煤样体积/cm3块煤密度/(g·cm-3)煤样密度/(g·cm-3)空隙率/%供风量/(m3·h-1)起始温度/℃6煤3.25185219820912401.401.05120.24910.1～0.827.32-2中煤3.64170131319216801.400.68340.51190.1～1.625.0
图2 煤样升温过程中CO变化趋势
Fig.2 CO change trend in coal sample of heating process
图3 煤样升温过程中C2H6变化趋势
Fig.3 C2H6 change trend in coal sample of heating process
图4 煤样升温过程中C2H4变化趋势
Fig.4 C2H4 change trend in coal sample of heating process
由图2可知，6、2-2中煤煤样初始氧化状态就有CO产生，但浓度较小、较稳定。随温度升高，CO生成量逐渐增大，且呈指数上升。
由图3、图4可知，煤样升温至约30 ℃时，6煤生成C2H6，升温至46.8 ℃时，出现C2H4，2-2中煤C2H4和C2H6基本同时出现，煤温分别为43.8、49 ℃。可知，C2H6、C2H4只有煤氧化达到特定温度才产生。
2.2 自然发火标志气体优选
2.2.1 自燃标志性气体的可行性分析
根据6、2-2中煤自然发火试验结果，CO贯穿整个煤体氧化过程，且煤体氧化加速时有突增现象，而C2H6、C2H4在特定温度条件下产生，因此。检测到这些气体时可反演煤体氧化达到的温度，CO、C2H6、C2H4作为煤自然发火的标志性气体是可行的[18]。
2.2.2 气体指标的确定
虽然已选择CO、C2H6、C2H4作为煤自燃标志性气体，但受现场实际条件限制，CO易受风量、采空区漏风、注氮等影响，C2H6、C2H4产生初期浓度小，取样不容易检测到，且随煤温升高，尤其温度达到100 ℃以后，C2H4和C2H6浓度陡增。为消除上述影响，根据现场观测数据，首选气体浓度比值Δφ(CO)/Δφ(O2)指标，结合CO和O2对煤体自然发火开展预测预报，以C2H4和C2H6作为自然发火后期的辅助指标气体，对煤体氧化程度及温度进行进一步判断。
2.3 自燃预测预报技术
2.3.1 “三位一体”预测预报方法
建立预测预报体系，采用定期取样分析、监控系统连续监测和人工日常巡检“三位一体”的检测方法进行煤层自然发火监测[19]。
1)人工检测。受当地气候影响，大气压、昼夜温差较大，井下采空区与地面有时存在沟通裂隙，为减小影响，保证气体检测、取样的准确性，检测或取样做到定时、定点。具体测点设置为：每20架架间，每10架架后，支架顶梁上方，进、回风巷端头隔墙内，回风隅角，回风流，采空区。检测时间为：夜班2:00—3:00，早班12:00—13:00，中班19:00—20:00。
2)取样分析。采煤工作面、回风流、回风隅角及每20架架间每班人工检测，对采空区束管防火观测点、回风隅角、回风流、架间异常点φ(CO)>100×10-6生产班取样色谱分析，对采空区密闭墙、掘进工作面高冒点、小煤柱防火观测点每周取样色谱分析。检测、化验气体数据异常时，采用热成像仪(红外测温仪)对异常区进行温度监测。
3)监控系统连续监测。利用工作面回风隅角、回风流等传感器24 h连续监测CO、O2、T(温度)等指标变化情况。
2.3.2 基于指标分析的火灾识别技术
在现场人工检测、色谱分析、温度监测相结合的基础上，每天安排专人绘制φ(CO)-φ(O2)、Δφ(CO)/Δφ(O2)等指标动态变化曲线图，关注C2H6、C2H4等气体产生情况，多指标动态分析工作面防火情况，对自然发火隐患开展预报预警工作。
2.4 煤自燃的分级预警及防控体系
2.4.1 分级预警指标
依据煤自燃阶段精细划分方法，结合《煤矿安全规程》关于煤自燃监测、标志气体、临界值、发火征兆及火灾的要求和依据，通过试验和现场数据，确定了煤自燃温度的5个气体指标(CO、O2、Δφ(CO)/Δφ(O2)、C2H4、C2H6)及分级预警的温度范围和气体指标临界值，实现煤自燃四级预警，具体见表2。
表2 易自燃煤层分级预警温度范围及气体指标临界值
Table 2 Graded warning temperature range and critical value of gas index of spontaneous-combustion coal seam
阶段温度范围/℃评价指标潜伏阶段30～40R0={φ(O2)>18%且φ(CO)>50×10-6}或{φ(O2)∈(15%,18%)且φ(CO)>100×10-6}或{φ(O2)∈(12%,15%)且φ(CO)>150×10-6}或{φ(O2)<12%且φ(CO)>200×10-6}氧化阶段30～40R1=R0∩{100×Δφ(CO)/Δφ(O2)>0.2～0.3}∪{φ(C2H6)>0)}自热阶段50～60R2=R0∩{100×Δφ(CO)/Δφ(O2)>0.4～0.5}∪{φ(C2H6)>0或φ(C2H4)>0)}临界阶段70～80R3=R0∩{100×Δφ(CO)/Δφ(O2)>0.6～0.8}
注：R0～R3为不同阶段的气体指标值域。
2.4.2 基于预警指标分析的防控方法
依据采空区自燃“三带”和危险区域[20]判定得出工作面最小推进度Vmin，考虑2倍系数的安全推进速度Va(Va=2Vmin)，结合实际推进速度V及煤自燃四级预警，提出了“动态推进、端头封堵、注氮降氧、灌浆抑温、分段隔离”等技术手段相互协同的采空区煤自燃主动分级防控方法(表3)。
表3 煤自燃主动分级协同防控方法
Table 3 Cooperative control method of coal spontaneous combustion
主动分级指标协同防控方法潜伏阶段加强预测预报氧化阶段注氮降氧V
3 自燃火灾预测预报及治理技术应用
唐家会煤矿某综放工作面2017年4月2日临时停采，5月14日恢复生产，总计停采43 d，停采后采取了进回风端头施工封堵、悬挂风障、工作面控风、采空区注氮、高位钻孔灌浆、喷洒阻化剂等一系列防火措施，措施效果分析如下。
3.1 深部采空区防火情况分析
采取综合防火措施后，回风隅角、采空区束管观测点的气体浓度及火灾系数100×Δφ(CO)/Δφ(O2)均趋于稳定(图5—图9)。回风隅角CO体积分数基本在20×10-6以下，氧气体积分数在18%～19%，火灾系数稳定在0.05左右。回风巷采空区束管观测点(距工作面约66 m)CO体积分数在10×10-6以下，O2体积分数在2%以下，火灾系数趋于0，但后期检测到乙烷，体积分数在1.5×10-6～2.0×10-6(图9)，根据自然发火试验结果，采空区局部温度应在30 ℃以上，但未检测到乙烯。可见，采取的防火措施有效抑制了架后深部采空区遗煤氧化。
3.2 工作面内防火情况分析
工作面停采40 d后，在第60、85、110(停放采煤机位置)、120、130号支架附近均检测到了高浓度的CO，60号架间CO达180×10-6，110号支架顶板CO达到225×10-6。尤其85号架顶CO体积分数在工作面停采3 d后升至420×10-6，火灾系数增至0.56(表4)。根据自然发火试验结果及煤层分级预警指标分析，采空区煤体氧化已达临界阶段，温度在60～70 ℃。分析原因是由于停采前工作面没有完全放顶煤，架后存在宽10 m、高8～15 m的松散煤体，停采后架后自燃环境处于静止状态，符合巷道自燃特点，支架顶部、后部松散煤体整体氧化，致使气体浓度逐渐升高。但未检测到乙烷、乙烯等指标气体，这是由于工作面配风量大，气体稀释后浓度降至可分析浓度范围以下。
图5 回风隅角气体浓度变化
Fig.5 Variation of gas concentration of return airway corner
图6 回风隅角火灾系数变化
Fig.6 Change of fire resistance coefficient of return airway corner
图7 回风巷采空区束管观测点气体变化
Fig.7 Gas change at the observation point of tube in goaf of return airway
图8 回风巷采空区束管观测点火灾系数变化
Fig.8 Change of fire coefficient of beam tube observation point in goaf of return airway
图9 回风巷采空区束管观测点乙烷浓度变化
Fig.9 Variation of ethane concentration of beam tube in observation point in goaf of return airway
工作面85号支架后部CO体积分数呈现突增现象，但氧气体积分数仍在10.4%～16.9%，存在极大的自燃隐患。按煤的自燃规律，5～7 d后即可能出现明火，根据煤自燃主动分级协同防控方法，5月14日采取快速推采防火措施后，工作面气体及火灾系数恢复正常。
表4 85号支架顶部观测点气体及火灾系数变化
Table 4 Changes in gas and fire coefficient at the top of No. 85 bracket
日期(月-日)φ(CO)/10-6φ(O2)/%100×Δφ(CO)/Δφ(O2)色谱分析人工检测色谱分析人工检测色谱分析人工检测05-11中29523412.3016.90.340.5705-12夜29520012.9515.00.370.3305-12早24832513.0110.40.310.3105-13早36442014.4613.40.560.55
4 结论
1)通过煤层自然发火试验及现场实践，建立了西部煤矿易自燃煤层自然发火预测预报指标体系及分级防控方法，有效提高了防火预报的准确性和措施的针对性。
2)CO在煤体初始氧化阶段便产生，随着氧化加速有逐步增大趋势，其结合O2及Δφ(CO)/Δφ(O2)能相对准确的判定煤体氧化程度，而C2H4和C2H6在特定温度下生成，其可以对氧化煤体达到的温度进行反演。因此，优选CO、O2及Δφ(CO)/Δφ(O2)作为第一指标，辅以C2H6、C2H4对煤层自然发火情况开展预测预报。
3)建立了以CO、O2、Δφ(CO)/Δφ(O2)、C2H4、C2H6等为指标的分级预警体系，提出了“动态推进、端头封堵、注氮降氧、灌浆抑温、分段隔离”等技术手段相互协同的煤自燃分级防控方法，在唐家会矿某工作面防火中取得了良好应用。
4)执行人工日常巡检、定期取样分析、监控系统连续监测“三位一体”的预测预报方法，同时采用CO、O2、Δφ(CO)/Δφ(O2)、C2H4、C2H6等多指标动态分析煤体自然发火情况，能及时、快速、准确识别自燃隐患，提高预测预报效率。但同时还应考虑风量等因素对防火指标的影响。
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