陳 洋，王 偉，3

（1.中煤科工集團(tuán)沈陽(yáng)研究院有限公司，遼寧 撫順 113122；2.煤礦安全技術(shù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，遼寧 撫順 113122；3.煤炭科學(xué)研究總院 研究生院，北京 100013）

煤自燃火災(zāi)是制約煤礦安全生產(chǎn)的主要災(zāi)害之一，防止治理礦井火災(zāi)的基礎(chǔ)工作是對(duì)其進(jìn)行預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)[1]?！睹旱V安全規(guī)程》多處條款對(duì)礦井火災(zāi)預(yù)報(bào)及監(jiān)測(cè)進(jìn)行了相關(guān)規(guī)定，如自然發(fā)火危險(xiǎn)的礦井應(yīng)定期檢查CO和其他有害氣體情況；建立煤礦自然發(fā)火監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，確定煤層自然發(fā)火標(biāo)志氣體及臨界值；火區(qū)封閉、管理及啟封等過(guò)程中，應(yīng)分析火區(qū)內(nèi)溫度和氣體成分等[2]。為此，系統(tǒng)總結(jié)了目前我國(guó)礦井自燃火災(zāi)的預(yù)報(bào)方法，介紹了礦井自燃火災(zāi)監(jiān)測(cè)先進(jìn)適用技術(shù)，對(duì)相關(guān)技術(shù)的發(fā)展動(dòng)向進(jìn)行展望，為火災(zāi)防治技術(shù)的發(fā)展提供借鑒和指導(dǎo)。

1 采空區(qū)自燃火災(zāi)特點(diǎn)

煤礦自燃火災(zāi)存在著嚴(yán)重的危害，如：壓滯煤炭資源，影響采掘接續(xù)；燒毀煤炭資源及設(shè)備，導(dǎo)致財(cái)產(chǎn)損失；破壞井上下環(huán)境，造成環(huán)境污染；引發(fā)次生災(zāi)害，導(dǎo)致人員傷亡。我國(guó)采空區(qū)自燃火災(zāi)具有如下特點(diǎn)：

1）煤炭主產(chǎn)區(qū)受自燃火災(zāi)影響嚴(yán)重。容易自燃、自燃煤層在我國(guó)煤炭?jī)?chǔ)量中占有相當(dāng)大的比例[3-4]，據(jù)相關(guān)資料統(tǒng)計(jì)，我國(guó)受到自然發(fā)火威脅的大中型礦區(qū)超過(guò)100個(gè)，其中超過(guò)一半的煤層具有自然發(fā)火傾向。以國(guó)家能源集團(tuán)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(zāi)害威脅，其中，易自然發(fā)火礦井占77.6%。

2）煤礦火災(zāi)種類繁多，采空區(qū)自燃火災(zāi)比重大。全國(guó)共有煤礦約11 000個(gè)，傳統(tǒng)礦區(qū)百萬(wàn)噸發(fā)火率高達(dá)7.47；煤礦火災(zāi)的60%為采空區(qū)自然發(fā)火，約30%為巷道煤柱著火，剩余10%火災(zāi)發(fā)生在其他地區(qū)。中厚以下煤層采空區(qū)自燃次數(shù)占采空區(qū)發(fā)火總數(shù)的16%，厚煤層和特厚煤層的采空區(qū)自燃火災(zāi)次數(shù)占采空區(qū)發(fā)火總數(shù)的84%。

3）自燃火災(zāi)引發(fā)次生災(zāi)害事故嚴(yán)重。因火災(zāi)引發(fā)的煤塵、瓦斯爆炸等次生災(zāi)害同樣較為嚴(yán)重。2012—2015年，我國(guó)共發(fā)生重大以上瓦斯爆炸事故19起，其中9起由火區(qū)（煤炭自燃）引發(fā)。如2013年吉林通化八寶煤礦，采空區(qū)自燃引發(fā)瓦斯爆炸，火區(qū)治理及密閉施工期間發(fā)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(qū)引發(fā)瓦斯爆炸，死亡17人。

4）煤田火災(zāi)十分嚴(yán)重。我國(guó)每年由于煤田火區(qū)燃燒產(chǎn)生溫室氣體大于1 200萬(wàn)t/a，占全球碳排放量的2%～3%[5]。分布范圍主要集中于我國(guó)西北部省份，煤田火災(zāi)存在著面積廣、溫度高、儲(chǔ)熱量大、火源隱蔽、火風(fēng)壓大、地表漏風(fēng)復(fù)雜、易復(fù)燃、治理難度大的特征。

2 自燃火災(zāi)預(yù)報(bào)方法

2.1 氣體指標(biāo)法

根據(jù)煤礦井下部分氣體成分及其濃度變化情況對(duì)煤炭自燃情況進(jìn)行判別，是目前煤自燃預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)應(yīng)用最廣泛的方法[6-7]。

由于自然發(fā)火而產(chǎn)生或因自然發(fā)火而變化的，能夠在一定程度上表征自然發(fā)火狀態(tài)和發(fā)展趨勢(shì)的火災(zāi)氣體，稱為煤自然發(fā)火標(biāo)志氣體。煤自然發(fā)火標(biāo)志氣體指標(biāo)是指能夠反映自然發(fā)火狀況的各標(biāo)志氣體體積分?jǐn)?shù)及其比值。氣相色譜分析過(guò)程中第1次出現(xiàn)相應(yīng)標(biāo)志氣體的煤樣溫度，稱為標(biāo)志氣體臨界溫度。

2.1.1 CO氣體及其派生指標(biāo)

不同變質(zhì)程度煤樣氧化氣體產(chǎn)物CO發(fā)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(diǎn)，CO發(fā)生速率隨著煤的變質(zhì)程度加深而降低；高發(fā)生速率分帶內(nèi)，褐煤、長(zhǎng)焰煤、氣煤等變質(zhì)程度較低的煤則集中；低發(fā)生速率分帶內(nèi)，焦煤、瘦煤、貧煤、無(wú)煙煤變質(zhì)程度較高的比較集中。

圖1 CO發(fā)生速率與煤溫關(guān)系Fig.1 Relationship between CO generation rate and coal temperature

不同變質(zhì)程度煤樣CO出現(xiàn)的臨界溫度值（CO發(fā)生量為5×10-6時(shí)的溫度值）見表1。

表1 不同變質(zhì)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(zhì)程度高的焦煤、瘦煤、貧煤、無(wú)煙煤臨界溫度超過(guò)80℃；變質(zhì)程度低的褐煤、長(zhǎng)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(cè)煤早期自燃的產(chǎn)物。CO持續(xù)出現(xiàn)且體積分?jǐn)?shù)連續(xù)升高，表明煤已蓄熱，濃度越高，自燃程度越深，直至明火出現(xiàn)。煤層低溫氧化各個(gè)過(guò)程都可能產(chǎn)生CO，因此單純使用CO對(duì)煤自然發(fā)火進(jìn)程進(jìn)行判斷比較困難，應(yīng)當(dāng)在使用CO的前提下，探討C2H2、C2H6共同作為輔助指標(biāo)的可能性。

2.1.2 烯烴及φ（C2H4）/φ（C2H6）指標(biāo)

井下煤氧化分解會(huì)產(chǎn)生烯烴氣體，當(dāng)監(jiān)測(cè)到相關(guān)氣體出現(xiàn)時(shí)，煤已進(jìn)入釋放氧化氣體階段。烯烴主要指C2H4和C3H6。C2H4、C3H6的發(fā)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(nèi)。

C2H4發(fā)生速率與煤溫關(guān)系如圖2。低發(fā)生速率分帶內(nèi)分布有瘦煤、焦煤、無(wú)煙煤、貧煤，而高發(fā)生速率分帶內(nèi)分布有長(zhǎng)焰煤、氣煤、褐煤；但無(wú)煙煤的C2H4發(fā)生速率呈現(xiàn)出不規(guī)律特征，故無(wú)煙煤自然發(fā)火標(biāo)志氣體不應(yīng)選擇烯烴。

圖2 C2H 4發(fā)生速率與煤溫關(guān)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(dá)到第1次峰值后，比值與煤溫呈負(fù)相關(guān)關(guān)系，發(fā)展到激烈氧化階段時(shí)，第2次峰值出現(xiàn)，φ（C2H4）/φ（C2H6）與煤溫關(guān)系如圖3。

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

不同煤樣C2H4和C3H6出現(xiàn)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(xiàn)的臨界溫度稍低；烯烴氣體一經(jīng)發(fā)現(xiàn)，則煤溫大于等于其臨界溫度；煤變質(zhì)程度較高時(shí)，C2H4、C3H6的臨界溫度基本沒(méi)有區(qū)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(biāo)

1）炔烴僅指C2H2氣體。C2H2出現(xiàn)在煤氧化的燃燒階段，其臨界溫度值較高，當(dāng)C2H2被監(jiān)測(cè)到時(shí)，說(shuō)明監(jiān)測(cè)區(qū)內(nèi)已經(jīng)出現(xiàn)明火。

2）鏈烷比是指長(zhǎng)鏈烷烴與CH4、C2H6的比值，鏈烷比與煤溫的相關(guān)關(guān)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(shí)間的不同在煤礦現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用過(guò)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(fā)火不同的階段的防滅火措施不盡相同。因此作為煤自然發(fā)火的預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)應(yīng)該根據(jù)實(shí)際情況優(yōu)選適合于適宜的綜合標(biāo)志氣體指標(biāo)，即建立標(biāo)志氣體指標(biāo)體系。

2.2 測(cè)溫法

最可靠、最直觀的判斷煤自燃發(fā)展階段的參數(shù)就是溫度。測(cè)溫法通過(guò)溫度傳感器的使用，對(duì)監(jiān)測(cè)點(diǎn)的溫度進(jìn)行測(cè)定，從而確定自燃危險(xiǎn)性。其中一種使用監(jiān)測(cè)點(diǎn)的溫度作為判斷依據(jù)，另一種使用監(jiān)測(cè)點(diǎn)的溫度變化特征作為判斷依據(jù)。

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(dǎo)體測(cè)溫元件、測(cè)溫電阻、熱電偶等。其中成本低、操作方便的熱敏材料、半導(dǎo)體測(cè)溫元件、測(cè)溫電阻、熱電偶得到普遍使用。

測(cè)溫法的應(yīng)用有一定的局限性，主要表現(xiàn)為點(diǎn)接觸、預(yù)測(cè)范圍??；安裝、維護(hù)工作量大；溫度傳感器品種單一、穩(wěn)定性差、使用壽命往往較短，測(cè)量精度有待進(jìn)一步提高；測(cè)溫儀表、導(dǎo)線因垮落或底板裂變破壞、折斷；此外煤體較差的熱傳導(dǎo)特性導(dǎo)致其散熱區(qū)域有限，個(gè)別情況下火源附近1 m內(nèi)的傳感器也無(wú)法探得高溫火源點(diǎn)。

3 自燃火災(zāi)監(jiān)測(cè)先進(jìn)適用技術(shù)

束管監(jiān)測(cè)系統(tǒng)是應(yīng)用比較廣泛的一種監(jiān)測(cè)技術(shù)，首先用地面抽氣泵抽取氣樣，然后由氣樣分選器對(duì)氣樣進(jìn)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(jìn)步，新的監(jiān)測(cè)手段不斷產(chǎn)生。

3.1 自燃火災(zāi)光譜在線原位監(jiān)測(cè)

針對(duì)色譜束管監(jiān)測(cè)系統(tǒng)難以滿足火災(zāi)監(jiān)測(cè)預(yù)警的需要，研發(fā)了紅外光譜束管監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。發(fā)明了本安型、寬量程（相對(duì)于分辨率的104級(jí)）、高精度（檢測(cè)線達(dá)1×10-7）井下原位在線光譜束管監(jiān)測(cè)成套技術(shù)，克服了傳統(tǒng)色譜束管系統(tǒng)無(wú)法下井的缺陷，創(chuàng)新性地將氣體分析儀移入井下近工作面端待監(jiān)測(cè)點(diǎn)，大大縮短了束管采氣距離，集成了光纖環(huán)網(wǎng)傳輸技術(shù)，成套系統(tǒng)具備了原位在線監(jiān)測(cè)（分析周期≤5 s）、數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)上傳（上傳周期≤2 s）、井上下設(shè)備無(wú)人值守、自動(dòng)控制及報(bào)警功能。配套發(fā)明了煤礦井下束管管路監(jiān)測(cè)系統(tǒng)及監(jiān)測(cè)方法，開發(fā)了樣品預(yù)處理裝置，實(shí)現(xiàn)了管路內(nèi)氣體壓力、流量的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和異常點(diǎn)快速定位[8-9]。

礦用紅外光譜束管監(jiān)測(cè)系統(tǒng)主要用于煤礦井下，通過(guò)對(duì)不同區(qū)域的實(shí)時(shí)在線監(jiān)測(cè)，得到CH4、CO、CO2、C2H4和O2等氣體體積分?jǐn)?shù)，是用于礦井井下采空區(qū)自然發(fā)火監(jiān)測(cè)監(jiān)控的成套技術(shù)設(shè)備。在井下靠近正?；夭晒ぷ髅婊蛞逊忾]的工作面采空區(qū)附近選擇合適地點(diǎn)構(gòu)筑硐室，安置光譜檢測(cè)裝置及其輔助設(shè)備，如束管、光纖等，待測(cè)氣體由負(fù)壓抽氣泵送進(jìn)檢測(cè)裝置，經(jīng)光譜儀分析后輸出結(jié)果，可實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)、在線監(jiān)測(cè)。

3.2 分布式光纖測(cè)溫技術(shù)

光的拉曼散射效應(yīng)是分布式光纖測(cè)溫技術(shù)的基本原理，通過(guò)光時(shí)域反射技術(shù)進(jìn)行定位[10-12]，測(cè)溫系統(tǒng)由測(cè)溫光纜和光纖解調(diào)主機(jī)組成。

相較于傳統(tǒng)測(cè)溫技術(shù)，分布式光纖測(cè)溫定位精度高、測(cè)溫范圍廣、傳輸距離遠(yuǎn)、連續(xù)監(jiān)測(cè)、本質(zhì)安全。

使用該技術(shù)監(jiān)測(cè)采空區(qū)內(nèi)因火災(zāi)時(shí)，隨工作面推進(jìn)在采空區(qū)內(nèi)布置測(cè)溫光纜，高溫點(diǎn)和自然發(fā)火隱患一旦出現(xiàn)，分布式在線監(jiān)測(cè)隨即實(shí)現(xiàn)。

3.3 自然發(fā)火氣-溫聯(lián)合預(yù)警技術(shù)

自然發(fā)火氣-溫聯(lián)合預(yù)警是結(jié)合測(cè)溫法和氣體分析法的監(jiān)測(cè)技術(shù)。

研制了井下紅外氣體分析儀，將單點(diǎn)分析時(shí)間縮短至5 min以內(nèi)，同時(shí)效率提高10倍以上。該分析儀通過(guò)光纖進(jìn)行井下和地面的數(shù)據(jù)傳輸，使采空區(qū)自燃危險(xiǎn)的超前預(yù)警、快速檢測(cè)得以實(shí)現(xiàn)，解決了傳統(tǒng)束管監(jiān)測(cè)系統(tǒng)維護(hù)困難、易積水、時(shí)效性差、管線長(zhǎng)等問(wèn)題。研發(fā)了采空區(qū)無(wú)線自組網(wǎng)高密度溫度監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)溫度、準(zhǔn)確定位異常區(qū)。該系統(tǒng)使測(cè)溫誤差減小至1℃以內(nèi)，高溫點(diǎn)定位誤差在1 m以內(nèi)，無(wú)線溫度傳輸距離提高至5 m，解決了點(diǎn)、線式采空區(qū)溫度檢測(cè)精度低、范圍小的問(wèn)題。

3.4 礦井漏風(fēng)測(cè)定新技術(shù)

礦井漏風(fēng)是引起采空區(qū)自燃火災(zāi)的重要因素，漏風(fēng)通道及漏風(fēng)量檢測(cè)是必要的。而現(xiàn)在的漏風(fēng)檢測(cè)多為定性監(jiān)測(cè)，準(zhǔn)確率不高，定量檢測(cè)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(biāo)校，受操作人員水平影響嚴(yán)重。

針對(duì)上述弊端，利用光譜分析技術(shù)，研制了本質(zhì)安全型便攜式井下漏風(fēng)分析儀，井下原位測(cè)試、就地分析，定量分析、量程范圍大、檢出限低，可以進(jìn)行漏風(fēng)定量計(jì)算，漏風(fēng)通道查找。

4 結(jié) 語(yǔ)

在自燃火災(zāi)預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)及監(jiān)測(cè)監(jiān)控方面，目前還存在一些難題，如煤自燃火災(zāi)發(fā)生、發(fā)展、致災(zāi)基礎(chǔ)理論研究不夠深入、煤礦火災(zāi)一體化監(jiān)測(cè)預(yù)警機(jī)制尚不完善等?；诖耍瑪M在如下領(lǐng)域開展研究：

1）隨著高產(chǎn)高效集約化礦井建設(shè)，出現(xiàn)了新的威脅因素，如煤層群開采淺部小窯和上組煤采空區(qū)自燃，出現(xiàn)了CO氣體本底含量異常等特殊生產(chǎn)技術(shù)條件下的預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)指標(biāo)和煤的二次氧化自燃特性等新的難題。因此，應(yīng)進(jìn)一步研究煤自然發(fā)火的宏觀熱力學(xué)特征；研究煤層自燃前兆信息演化特征與預(yù)警理論；建立CO氣體本底含量異常等特殊生產(chǎn)技術(shù)條件下的預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)指標(biāo)；綜合考慮煤的聚集區(qū)和成煤期的區(qū)別，基于煤層賦存條件、煤質(zhì)特征及分布規(guī)律等，建立相應(yīng)的區(qū)域性指標(biāo)體系，預(yù)報(bào)自然發(fā)火；研究多層次、多學(xué)科的動(dòng)態(tài)預(yù)測(cè)模型，更好的預(yù)測(cè)煤自然發(fā)火危險(xiǎn)性。

2）目前，我國(guó)煤礦缺乏內(nèi)外因火災(zāi)一體化預(yù)警系統(tǒng)，無(wú)法實(shí)現(xiàn)礦井動(dòng)態(tài)安全信息的連續(xù)采集、在線辨識(shí)、智能分析，集煤礦火災(zāi)早期監(jiān)測(cè)、火災(zāi)預(yù)警與專家決策分析系統(tǒng)為一體的煤礦火災(zāi)一體化預(yù)警與高效預(yù)防技術(shù)體系尚未建立。為此，應(yīng)基于多傳感器序列研制礦井火災(zāi)早期檢測(cè)系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)智能化、高集成化，并與煤自然發(fā)火動(dòng)態(tài)早期預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)技術(shù)體系相配套。與此同時(shí)，為了預(yù)防煤礦火災(zāi)、繼發(fā)性災(zāi)害，應(yīng)在礦井網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，研發(fā)快速應(yīng)變技術(shù)與裝備，構(gòu)建煤礦火災(zāi)專家決策分析系統(tǒng)。