煤礦自然發火預測預報技術

張 鵬

(山西晉城煤業集團寺河煤礦二號井，山西 晉城 048019)

0 引言

我國煤礦火災事故比較嚴重，礦井的自然發火所占的比重將在80%以上，而對于國內重點的煤礦企業，有自燃危險的礦井約占50%，而煤層的自燃傾向性就更為嚴重[1]，因此，對礦井自燃火災的提前預防是當前一項緊迫的任務。早期對煤礦自然發火做出預測預報，有利于防止災害繼續發展，毀壞設備和資源，釀成煤礦重大惡性事故，是保證煤礦安全生產行之有效的技術措施。

1 煤礦自然發火預測方法

我國現有煤礦自然發火預測技術主要依賴于煤的物理化學特性結合光譜分析技術、統計學技術展開預測工作。

1.1 自燃傾向性預測法

煤自燃傾向性[2]是指煤自身吸氧蓄熱發生著火的特性。煤層開拓之前可能產生自然發火的程度，是煤的內在屬性之一。外在環境不影響煤的自燃傾向性，但不同煤的物理化學特性，如煤化程度、水分和煤的孔隙特性等對其有影響。煤自燃傾向性測試方法有很多，有關人士對其進行了分類，主要有吸附氧測試法、交叉點溫度法等。

對于上述的相關方法，我國通常利用色譜吸氧鑒定法對煤層的自燃傾向性進行鑒定，主要使用的檢測儀器設備是ZR-1型測定儀，它可以測出煤炭在30℃常壓下的吸氧量，最后利用每克干煤吸氧的多少，將其自燃情況分為容易自燃、自燃、不易自燃3個級別。

1.2 其它自然發火預測方法

礦井的自然發火預測除了采用自燃傾向性這種方法以外，還有經驗統計預測法等。

2 煤礦自然發火預報技術

火災預測預報的方法很多，歸納起來可以分為人的直觀感覺識別、用儀器儀表檢測礦井空氣成分或用計算機監控系統測定礦井空氣成分和檢測煤的溫度等方法。

2.1 以人體的感知預報自然發火

根據我們人體自身的生理現象來感覺礦井火災的方法主要有以下幾種：①嗅覺。當礦井內的可燃物質受到高溫分解后，會出現一系列火災氣體，煤在熱解過程中釋放出烴類化合物，巷道中會出現煤油以及煤焦油等氣味；②視覺。煤在自燃氧化過程中生成和蒸發出一些水分，巷道內空氣溫度增加，表現為煤壁“出汗”，自然發火到一定程度時，會出現明火等；③觸覺。煤在自燃的過程當中會釋放出能量，從而使得周圍空氣的溫度增高，并且還會伴隨著出現一氧化碳等有毒有害氣體，導致工人出現四肢無力等病理現象。

2.2 綜合因素評判預測法

綜合因素預測法通常指的是對礦井內部煤炭的影響因素綜合地進行評分來預測自然發火，其因素主要有礦井環境溫度、通風情況以及管理情況等。此方法對所有的影響因素都按權重作出了說明，很好地避免了人主觀的影響，使得最終的預測更加準確，它是一種簡單且相對精確的預測方法。

2.3 經驗統計預測法

此方法主要是根據現有的自然發火事故來做出統計分析，對各個開采煤層中具有自然發火情況的相關指標參數做出分析預測。它需要根據一定數量的資料統計，因此可靠度比較高。其缺點是很難對其它類型自然發火進行預測，在各個時間段內所做的統計也存在著一定的誤差，只能簡單判斷出自然發火的范圍。

2.4 數學模型預測法

數學模型預測法需要構建出發火的數學模型，要對礦井煤炭自然發火的過程進行數值解算，從而求出不同邊界下礦井煤炭自然發火的危險程度。其通常可以利用計算機，結合數學模型以及監測設備等程序，迅速地實時模擬自然發火的過程。

2.5 檢測礦井空氣成分

氣體成分分析法：氣體分析法[3]一般利用煤炭在自然過程中的產物，例如所釋放出的氣體的濃度大小等相關參數，從而及時對礦井內煤是否有自然發火的發生做出判斷。其指標性的氣體主要有以下兩種：一種是根據一些指標性氣體直接來預測預報，另一種是根據一些氣體的組成成分的變化規律進行預測預報。通常情況下，礦井風流中CO2、CO以及O2的濃度是隨著風量的變化而變化的，采用CO絕對量作為預報的指標，可以避免風量變化對預報的影響，CO絕對量通常稱作發火系數，用H表示，即H=QCCO，式中:Q—觀測點的風量；CCO—觀測點風流中CO的濃度。此式適用于入風側氣樣中不含有CO的條件下，否則，H值應為入、排風側氣樣中CO絕對量之差。由于H值受煤種、井下氣體成分和著火范圍大小等因素的影響，礦井應在實際中統計出適合于本礦的標志性氣體臨界值。

氣味檢測法：氣味檢測法一般是采用氣味傳感器來實現，利用此傳感器并且結合人工神經網絡的相關理論來辨識各種各樣的氣味，從而對礦井的自然發火及時作出預報工作。此方法可以對煤炭氧化時所放出的氣體味道進行跟蹤捕捉。

2.6 測溫法

通常所說的測溫法[4]指的是根據溫度傳感器來測定高溫地點的溫度從而確定出其發火的危險等級。此法一般是在鉆孔內裝有溫度探測器，最后利用測出的溫度值及相關信號的變化規律來確定是否會發生火災。它是探尋煤炭是否自燃及高溫火源的根本方法，然而對于礦井巷道中散落的煤體中溫度的測定方法還沒有及時地解決。當今應用最廣泛的預測方法就是結合測溫儀表與傳感器為一體的測溫法。

2.7 煤礦火災監測監控系統

束管監測系統：束管監測系統通常是根據抽取的相關氣體的特性以及相關氣體的變化情況來預測預報，在礦井的實際生產中，一般將一氧化碳等氣體看作氣體的標志性代表，并結合相關的烷烴氣體一起檢測。

礦井火災監測與監控系統：煤礦安全監測監控系統對礦井環境進行全覆蓋檢測，通過安全監控系統對相關參數的分析比較可以及時地發出警報信號，斷電并且閉鎖，從而防止事故的發生。

3 預測預報技術評價

3.1 試驗條件

自燃傾向性預測法對實驗相關要求比較苛刻，要在同一條件下對不同情況的煤樣的發火程度進行比對分析，其結果并不夠準確，僅僅可以粗略地估計其危險等級。對礦井煤炭自燃傾向性進行合理的鑒定就要求我們對其一系列的過程進行探討，選出可以直接體現出煤炭自燃特性的具體指標，最終使其鑒定方法可以直觀體現出煤炭氧化的難易情況。

3.2 經驗因素

統計法：經驗統計預測法的缺點是個人的主觀性太強，且數學模型預測法對于邊界條件進行了一定的簡化，這些情況都將影響結論的準確性。針對這些問題，可做如下改進，在定性分析中大量使用數學知識進行計算，將定性與定量分析結合起來，使得預測結果更加科學、準確。

人體感知法：這種火災的預報技術，依靠人體的直觀感覺預報帶有很大的主觀隨意性，只有自燃達到一定程度人體才會有明顯的感覺，所以不能把人的直觀感覺作為煤自燃早期識別的唯一根據，應使用儀器進行定量分析。

3.3 測試手段

測溫法：在煤炭自熱階段，測溫法可以較早地預報自燃火災的發生，但現有的人工測溫法，由于測溫法是點接觸，安裝、維護工作量大，不能提供實時監測和預警。

氣味檢測法：礦井煤炭在自燃的過程中在各個階段都將會出現不同類型的指標性氣體，而在不同階段所采用的氣體種類要根據實驗進行測定。對于氣味檢測法一般要通過礦井的相關生產條件來決定，當氣味傳感器用于礦井內部時，需要長時間對井下巷道中氣味的變化情況進行監測，從而發現在此情況下氣體的變化規律。因此，對礦井煤炭自燃中的指標性氣體選取時要先進行實驗驗證，從而結合各種不同的氣體進行預測預報。

3.4 實時性

礦井束管監測系統對于井下氣體的檢測非常有效，但是它也存在著一些缺點，例如監測數據滯后、選擇標志性氣體的針對性不夠、難以直接做出煤自燃程度等級劃分等不足之處仍需改進。

4 結語

礦井初期對火災的預測預報對于礦井的安全生產起著非常重要的作用，當前的預測技術對于礦井的自燃有著一定的預防作用，但對于生產能力大的礦井而言仍然難以滿足。各種預測預報方法都有其自身優、缺點和使用范圍，對自然發火程度較低的礦，可以使用粗略的預測預報方法，如自燃傾向性預測法，綜合因素評判法等，而自然發火嚴重的礦，需選用較為可靠的預測預報技術，以實驗為基礎，合理的標志性氣體分析，可靠的監測監控系統都是必不可少的。多種方法可結合使用，最終使用何種方法應根據礦山具體情況而定。總之，提高預測預報準確率，提前采取防火措施，確保煤礦生產安全才是終極目標。