0 引 言
煤自燃隐患所诱发的矿井火灾一直是制约煤炭工业发展的主要灾害之一。就我国煤炭工业而言，绝大部分的开采矿区都由自燃和易自燃煤层占据[1]。全国多个矿区均在一定程度上受到煤层自然发火隐患的威胁，井下煤炭资源开采和作业人员的生命安全难以得到切实的保障[2]。虽然科技的发展使得煤自燃事故的发生频率逐渐下降，但是我国煤火灾害防治的形势依旧严峻。煤自燃作为一个复杂的煤氧复合反应，不同反应阶段内的煤体活性基团反应主体不同，导致释放的气体种类、体积分数等存在差异，煤火灾害防治措施也相应不同[3]。因此煤层自然发火分级预警技术成为了井下煤火隐患防控的重要一环。目前，煤层自燃预警技术大多是通过气体指标分析、温度探测、高位元素气体示踪等方法进行发火进程预报[4]。近年来，伴随近距离煤层开采技术应用、小煤柱开采、综采放顶技术推广等因素，使得井下环境愈发复杂，煤层火灾隐患覆盖面广。并且现有的煤层自燃指标体系没有统一标准，甚至部分矿区预警指标体系不完备，难以准确判断煤层自然发火进程，煤层火灾事故时有发生。针对煤层火灾事故发生的特点，众多学者进行了相应研究，西安科技大学首次建立了国内最大的自然发火试验平台，进行了煤自然发火相关参数变化的研究，针对煤自燃发生的特性参数深入研究[4]；为明确指标气体同煤温波动之间的关联性，文献[5]根据易燃煤层工作面氧化自然发火特性参数进行了深入研究，分析了煤自燃指标气体同煤温波动之间的关联性，为不同预警阶段的预警指标气体优选提供了依据；文献[6]提出从能量传动角度来分析煤层火灾发展的趋势，为煤层发火预警体系的建立提供了理论依据；文献[7-8]在煤自燃进程指标气体生成规律的研究中发现，低温氧化阶段，微观煤分子中的芳核结构十分稳定，接触氧气时，氧原子主要的攻击对象是支链脂肪族结构，通过氧化物的形式进入煤体，进而生成各类气体，为煤火灾害的初期预测、防控提供了理论支持。笔者采集了工作面新鲜煤样，并采用大型自然发火试验收集煤自燃气体的产生规律参数，确定煤层自然发火进程中的分级特征温度点、判定指标气体及相应的预警指标阈值。建立了完备的煤层自燃分级预警体系，结合现场工作面发火实例应用，验证了该体系对于矿井煤层火灾进程预测预报的可行性。对于煤层自燃隐患辨识、煤火灾害发展进程预测及主动煤火灾害防控具有一定的理论指导意义。
1 煤层自然发火试验
1)试验装置。试验所采用的是XK-Ⅶ型煤自然发火试验台。炉体的主体结构呈内径为120 cm的圆柱体，通过保温层与外部监控层进行炉体内部环境的检测与调控，创造一个接近真实井下环境的蓄热条件，通过内置气体传输设备，保证试验过程中生成气体的流动均匀及气样的提取分析。
2)试验条件及过程。从某矿工作面内的易自燃煤层进行煤样采集，使用颚式破碎机进行现场煤样粉碎，混合成1 700 kg试验煤样装入试验台中，密封卸煤口，随后进行试验设备气密性及运转情况检测，试验时通入空气流量0.1～1.5 m3/h，进而进行该矿煤样自然发火特性参数试验测试。试验过程煤样自然氧化生成的气体经炉体顶盖空间由出口排出炉体。试验过程中，炉内最高煤温将达到170 ℃，温度每升高10 ℃采集1次气样进行色谱分析，记录不同温度下的气体种类和体积分数数据。具体试验条件如下：
平均粒径D50/mm3.05试验煤高/cm185质量/kg1 700.60煤样体积/cm32 091 240块煤密度/(g·cm-3)1.32孔隙率0.383 9供风量/(m3·h-1)0.1～1.5
通过收集到的试验数据进行实际井下煤层自然发火进程的宏观特性表征参数推断，为易燃煤层自然发火进程分级预警体系的建立提供数据支持。
2 试验结果与分级预警
传统的煤自燃预测预报分级标准是将煤自燃隐患孕育的特征过程大致分为潜伏阶段、自热阶段和燃烧阶段3个阶段[9-10]。通过分析特征数据点位进行特征温度区间划分，进而确定发火进程危险等级、指标气体、各级阈值，从而建立完备的易燃煤层自然发火分级预警体系。
2.1 煤层发火进程区间划分
煤自燃进程预测预报时，CO一直是常用的指标气体之一，其存在贯穿整个煤层自然发火过程。因此首先考虑通过CO、CO2体积分数波动情况进行煤层自然发火初期过程的划分，自然发火试验过程收集的CO、CO2体积分数如图1所示。
图1 CO、CO2体积分数与煤温关系
Fig.1 CO and CO2 generation as function of coal temperature
从图1中可以看出，自40 ℃开始，CO体积分数快速上升，符合煤体进入低温氧化阶段的特征[11]；同时可以反推40 ℃之前煤体应当处于物理吸附状态，部分水、赋存气解吸，CO2体积分数在40 ℃之前的平滑曲线也可以很好地证明这一点；60～90 ℃煤分子表面结构活性基团与氧原子接触反应，自燃进程达到煤氧复合反应自加速温度，图中CO曲线出现了明显的二次激增趋势[12]。
煤温达到100 ℃左右时，虽然CO体积分数快速下降，但是从CO2曲线可以看出体积分数迅速增加，此时煤分子中的非芳香结构支链和桥键与氧气发生反应生成CO2；130 ℃左右，CO2体积分数激增的现象表明此时煤体的温度接近热解温度，是即将进入活性反应阶段的标志[9,13-14]。
在煤自燃进程反应高温氧化阶段，煤分子结构中的各类基团吸收能量达到活跃状态，反应加剧，各类结构在不同程度上裂解、裂化，大量活性结构反应生成CH4、C2H4、C2H6等烷烃、烯烃类气体。由此可以选定CO和CO2作为煤层自然发火反应低温氧化阶段的标志性气体，而CH4、C2H4、C2H6等烷烃、烯烃类气体则是煤高温氧化阶段的标志，气体产物的变化能够反映煤体氧化程度，并用以推测煤体内部结构反应序列[10,15]。具体的烷、烃气体体积分数数据如图2所示。
图2 CH4、C2H4、C2H6体积分数与煤温关系
Fig.2 CH4、C2H4 and C2H6 generation as function of coal temperature
由图2可以看出：当煤温低于80 ℃时，CH4体积分数波动较为平缓。这是由于在煤体低温氧化蓄热阶段，煤分子间的范德华力逐渐减弱，CH4解除吸附状态进入空气中，相对增量较少。140 ℃之后煤氧复合反应加剧，CH4体积分数骤然升高。因此CH4体积分数快速激增的突变点可以作为煤层自燃反应进入裂变阶段的标志。而试验之初没有检测到C2H4存在，在约40 ℃时才出现少量的C2H4，可以将C2H4出现的特征点位作为煤体进入解附状态的判定。C2H6作为一种饱和化合物，可以像甲烷一样较稳定地赋存在煤层中，在未达到裂解温度之前由气体脱附作用而产生。但C2H6曲线的波动并不具有良好的规律性，因此C2H6并不适合单独作为气体预警指标[10,16-17]。
2.2 煤层发火特征温度点确定
对比分析试验数据，为了深入划分煤层自燃预警等级。考虑利用气体体积分数比值波动情况进行煤层自然发火进程各阶段主体反应特征温度点位的确定，进行煤层自然发火进程精确分级[4,18]。
据理论研究，煤层耗氧速度应与氧气体积分数成正比，可以通过煤氧复合产生的CO速率及对应的标准氧气体积分数波动，反映煤氧复合三步化学反应的进程，即Graham系数，G计算如下
G=φ(CO)/φ(O)2×100%
(1)
式中：G为Graham系数的计算值；φ(CO)、φ(O2)分别为风流中CO、O2体积分数的变化量绝对值，%。
依照算式可得G值变化情况如图3所示。
图3 试验G值与煤温对应关系
Fig.3 Relationship between G and coal temperature
由图3可以看出，G在煤自然发火反应升温过程中整体呈上升趋势。当煤温从常温升至60 ℃的过程中，φ(CO)/φ(O2)的值上升缓慢，说明在该阶段煤氧复合反应较弱。60 ℃后发生突变快速升高，此时接近临界温度，化学反应逐渐增强；煤温在90～140 ℃时，G波动平缓，此过程中CO和CO2的体积分数均呈增长趋势且增长的强度相差较小。当G大于0.02时，煤温已达到或高于临界温度，各类链结结构，断裂生成活性结构接触氧气快速反应；当G大于2时，煤温超过热解温度，邻近干裂温度，G呈现激增趋势，此时煤层火灾隐患危险性直线上升；从图中可以推断现场测得G约12时，就可以认为目标煤层即将进入完全燃烧阶段，应当采取最为极端的煤火灾害防控手段[4,19-22]。
气体复合指标曲线及试验分析如图4所示。当煤温低于40 ℃时，φ(CO2)/φ(CO)波动平滑，此时煤体反应活性低下，处于稳定状态[23-24]；40 ℃左右，φ(C2H4)/φ(C2H6)曲线出现起始点，φ(CO2)/φ(CO)骤然上升达到峰值，可以推断此时煤体升温导致范德华力削弱，物理吸附作用增强；60 ℃后，φ(CH4)/φ(C2H6)继续快速下跌，但是φ(C2H4)/φ(C2H6)保持相对稳定，此时煤体物理吸附即将达到饱和，化学反应启动，煤体反应活性逐渐加强[25]；80 ℃后，φ(C2H4)/φ(C2H6)曲线增大，显然是因为结构断裂速度过快，各活性基团结构反应不充分；110 ℃后，煤体自燃反应进入裂解阶段，煤体芳环支链结构等发生快速断裂，煤氧复合反应剧烈，煤自燃隐患危险性达到最大，并且φ(C2H4)/φ(C2H6)远高于φ(CH4)/φ(C2H6)和φ(CO2)/φ(CO)，全面燃烧即将发生[9,26-29]。
图4 试验复合指标比值与煤温关系
Fig.4 Experimental composite index ratio concentrations to coal temperature
对比φ(C2H4)/φ(C2H6)、φ(CH4)/φ(C2H6)、φ(CO2)/φ(CO)，确定波动趋势、拐点、峰值点等数据特征，能够在单因素指标划分煤层自然发火进程温度范围的基础上，进一步确定预警体系的特征温度点，具体见表1。
表1 煤自然发火特征温度划分区间
Table 1 Characteristic temperature intervals of coal spontaneous combustion
阶段温度/℃判定依据吸附温度 T1≥20～40φ(CH4)/φ(C2H6)极大,并且伴随跳崖式下跌;φ(CO2)/φ(CO)极小;CO2快速上升复合温度T2≥40～60φ(CO2)/φ(CO)极大;φ(CH4)/φ(C2H6)开始出现波动;G值缓慢增加临界温度T3≥60～90φ(CO2)/φ(CO)极大,但是逐渐减小;C2H4出现并持续升高;CO、CO2体积分数增速加快;O2体积分数降幅增大;G快速增加热解温度T4≥90～130φ(C2H4)/φ(C2H6)增大;CH4、C2H4、C2H6体积分数增速加快;耗氧速度剧增;φ(C2H4)/φ(C2H6)达到一次峰值裂变温度T5≥130～170CO、C2H4体积分数剧增;C2H4、CO、CH4体积分数、G及φ(C2H4)/φ(C2H6)急剧增加活性温度T6≥170～210φ(C2H4)/φ(C2H6)值极大;O2体积分数剧降燃烧温度T7≥210CO、CH4体积分数剧增
2.3 煤层自然发火分级预警体系建立
依据煤自燃阶段精细划分理论与方法，结合《煤矿安全规程》关于煤自燃监测、标志气体、临界值、发火征兆及火灾的管理规定。基于煤样自然发火试验，提出了适用于矿井的煤自燃分级预警指标体系，该指标体系主要包含可以表征煤自燃温度的气体指标(CO、G值、O2、C2H4、φ(C2H4)/φ(C2H6))，确定了易自燃煤层分级预警的温度范围和气体指标临界值，以期实现矿井煤层自然发火精准预警及煤火灾害主动防治，见表2。
表2 煤层自然发火分级预警体系及指标临界值
Table 2 Multi-stages warning system of coal seam and threshold values
预警等级特征温度/℃煤层温度/℃指标气体特征判定临界值备注预警初值—<30存在CO,但体积分数较平稳R0={φ(O2)>18%∩φ(CO)>50×10-6}∪{φ(O2)∈(15%,18%)∩φ(CO)>100×10-6}∪{φ(O2)∈(12%,15%)∩φ(CO)>150×10-6}∪{φ(O2)<12%∩φ(CO)>200×10-6}煤层自燃初期反应以CO体积分数波动为主要参照,考虑到氧气消耗水平影响,结合4个氧气体积分数指标下的CO稳定波动阈值可以进行初期预警灰色预警35[30,50)CO、CH4体积分数持续升高R1=R0∩{G>0.2～0.3}隐患潜伏期结束后,在第1阶段的基础上,考虑使用Graham系数进行辅助判定,排除风流量的影响蓝色预警—[50,70)CO体积分数持续升高R2=R1∩{G>0.4～0.5}∩{φ(C2H4)>0}在第2阶段的基础上,第3阶段引出了煤体自燃反应初期的突变指标气体C2H4用以辅助判定自然发火进程黄色预警67.2[70,100)CO体积分数增大;φ(CH4)/φ(C2H6)极小;R3=R2∩{G>0.6～0.7}∩{φ(C2H4)>1×10-6φ(C2H4)/φ(C2H6)}橙色预警119.9[100,150)φ(CO2)/φ(CO)迅速下降;φ(CH4)/φ(C2H6)逐渐平稳;φ(C2H4)/φ(C2H6)逐渐上升,R4=R3∩{G>2}红色预警150[150,210)φ(C2H4)/φ(C2H6)急剧增大;CO、CH4体积分数急剧增加R5=R4∩{k=[φ(C2H4)/φ(C2H6)]max}第6阶段预警特征极为明显,φ(C2H4)/φ(C2H6)数据持续增加直到峰值黑色预警210≥210R6=R5∩{k=φ(C2H2)>0}出现明火、烟气
3 现场应用
1)工作面概况。某矿工作面标高为+770—+800 m，走向长度1 048 m，倾斜宽度240 m。煤层倾角0°～6°，平均2°，煤厚16.8～21.7 m，平均厚度18.7 m。工作面采用“一面两巷”布置，2条巷道及开切眼均沿煤层底板布置，两巷道相互平行。工作面通风配量1 671 m3/min。
2)现场煤自燃程度预测。统计数据建立指标气体波动(图5)发现CO体积分数自2019-04-01开始出现上升趋势(4月1日前为正常观测值，低于预警初值)，但是比照煤自燃分级预警方法，结合CO、O2体积分数与火灾系数，发现4月7日前煤层未达到预警范围，是否存在煤层自燃隐患情况不明确；4月7日开始CO体积分数超过200×10-6，O2体积分数低于12%，G为0.19，说明此时煤层自燃达到1级灰色预警，进入低温氧化阶段；随后，CO体积分数与G持续上升，结合O2体积分数发现在4月7日—5月12日，煤层自燃进程一直处于灰色预警阶段；直至5月13日，CO体积分数降低至287×10-6，G达到0.5，煤自燃进入2级蓝色预警阶段，推测温度在50～60 ℃，煤层自然发火反应到达自热阶段，这一阶段持续到5月14日，至此确认目标位置存在自然发火隐患；此后开始采取相应的防控措施，根据每日监测数据显示,CO体积分数及火灾系数开始降低，在5月15日时由蓝色预警降低至灰色预警。根据分级预警协同防控措施方法，对采空区按照预警级别实施防灭火方案，具体要求见表3。
表3 分级预警协同防控措施
Table 3 Coordinated prevention and control measures under different warning levels
日期(月-日)预警状态温度/℃协同防控措施04-01—04-07正常<30～40动态推进04-07—05-12灰色预警>30～40动态推进∩{端头封堵∪注惰降氧}05-13—05-14蓝色预警>50～60动态推进∩{端头封堵∩注惰降氧}05-15—05-16灰色预警>30～40动态推进∩{端头封堵∪注惰降氧}
图5 工作面关键指标参数波动情况
Fig.5 Fluctuation of key index parameters in working face
3)效果分析。通过分析现场监测数据，结合煤自燃程度的分级与自燃主动分级协同防控方法，该矿工作面开展相应的防灭火工作，整个过程中现场CO体积分数与火灾系数呈现先增大后减小的趋势。煤层在4月7日出现低温氧化，5月13日进入自热阶段，随后在动态推进、封闭堵风、注惰降氧的防灭火措施下，5月13日后由蓝色预警降至灰色预警，煤层的自燃隐患得到有效缓解，防灭火工作取得了较好的效果。
4 结 论
1)在原有煤自燃三阶段划分理论基础上，通过试验数据和现场数据的分析确定了煤层自然发火过程当中的特征温度点：T0为20～40 ℃；T1为40～60 ℃；T2为60～90 ℃；T3为80～120 ℃；T4为110～150 ℃；T5为130～160 ℃；T6为150～250 ℃。
2)分析了众多表征煤自燃反应进程的指标气体及预警指标，通过对大量数据的分析，确定了精准表征煤自燃六级预警的指标：CO、CH4、C2H4、C2H6浓度、φ(CO2)/φ(CO)、Graham系数、链烷比等。建立了较为完备的煤层自然发火进程分级预警体系，定量确定了各级判定阈值。
3)实例应用检验了所构建预警体系的可靠性。通过对某矿采空区煤自燃程度及趋势的分析，确定煤自然发火分级预警级别，按照采空区煤自燃主动分级协同防控方法实施防灭火工作，结果表明本文构建的煤层自然发火分级预警体系能够有效指导实际工作面开展煤火防治工作。
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