郭 軍，金 彥，王 帆，楊盼盼，孫明福

(1.西安科技大學(xué) 安全科學(xué)與工程學(xué)院，陜西 西安 710054； 2.靖遠(yuǎn)煤電股份有限公司 紅會(huì)一礦，甘肅 白銀 730614；3.靖遠(yuǎn)煤電股份有限公司 王家山煤礦，甘肅 白銀 730614)

0 引言

我國(guó)能源結(jié)構(gòu)正處于新型環(huán)保能源快速發(fā)展階段，煤炭等不可再生資源未來(lái)可能被逐漸替代，但是短期內(nèi)以煤炭為供能主體的能源消耗結(jié)構(gòu)不會(huì)改變，煤炭資源仍將占有很大的市場(chǎng)比重[1-2]。截至2019年底，全國(guó)煤礦開(kāi)采企業(yè)共計(jì)4 253家[3]，大部分煤炭資源開(kāi)采區(qū)域由易自燃和自燃煤層占據(jù)，煤自燃災(zāi)害威脅著我國(guó)煤炭行業(yè)的快速發(fā)展[4]。煤層自然發(fā)火程度的精確判定、早期預(yù)測(cè)能夠有效地指導(dǎo)現(xiàn)場(chǎng)開(kāi)展防滅火工作，及時(shí)控制煤體自然發(fā)火隱患發(fā)展，保障井下工作者的人身安全及煤炭資源綠色開(kāi)采[5]。

近年來(lái)，煤自燃災(zāi)害預(yù)警防控一直是行業(yè)領(lǐng)域內(nèi)的熱點(diǎn)課題，眾多學(xué)者針對(duì)煤體自然發(fā)火進(jìn)程特征指標(biāo)開(kāi)展了大量研究。文獻(xiàn)[6]針對(duì)煤體自然發(fā)火反應(yīng)進(jìn)程設(shè)計(jì)了大型自然發(fā)火試驗(yàn)臺(tái)，試驗(yàn)?zāi)M了煤層煤自然發(fā)火全過(guò)程，結(jié)合數(shù)據(jù)分析了煤體自燃特征溫度區(qū)間同對(duì)應(yīng)指標(biāo)氣體之間的關(guān)聯(lián)性。而文獻(xiàn)[7]則從微觀角度理論闡述了煤體自燃發(fā)展進(jìn)程中的特性反應(yīng)序列，為特征指標(biāo)產(chǎn)物的確定提供了理論依據(jù)?；谇叭嗽诤暧^/微觀煤自燃機(jī)理方面的研究成果，文獻(xiàn)[8]將煤體自燃反應(yīng)進(jìn)一步劃分為“潛伏期、蓄熱期、解附期、活躍期和缺氧期”5個(gè)預(yù)警等級(jí)，文獻(xiàn)[9-11]結(jié)合了各類分析、測(cè)試手段進(jìn)行了煤體自然發(fā)火進(jìn)程預(yù)警指標(biāo)的優(yōu)選，為本文特征區(qū)間內(nèi)的閾值指標(biāo)選定提供了理論依據(jù)。

在文獻(xiàn)[12-13]的研究基礎(chǔ)上，本文利用復(fù)合氣體比值指標(biāo)拓展預(yù)警指標(biāo)，利用Logistic擬合函數(shù)處理數(shù)據(jù)增加隱患預(yù)警精度，結(jié)合“潛伏、氧化、自熱、臨界、熱解、裂變、燃燒”7階段精細(xì)劃分理論與方法，以王家山礦為例構(gòu)建煤體自然發(fā)火多級(jí)預(yù)警體系進(jìn)行煤自燃發(fā)展進(jìn)程判定。預(yù)警體系的構(gòu)建旨在監(jiān)測(cè)井下氣體，精確判定隱患等級(jí)及防控措施的快速實(shí)施，保障煤炭資源的綠色開(kāi)采。

1 煤樣參數(shù)測(cè)定

1.1 試驗(yàn)樣品制備

從王家山礦二層煤綜采面現(xiàn)場(chǎng)采集新鮮煤樣50 kg。在實(shí)驗(yàn)室取未被氧化的煤芯，并使用破碎機(jī)進(jìn)行煤樣破碎，以0.9，3，5，7，10 mm為粒徑臨界值進(jìn)行煤樣篩分，按原煤中篩分出的5類煤體顆粒均勻混合成試驗(yàn)煤樣備用。

1.2 試驗(yàn)裝置

煤自燃隱患發(fā)展過(guò)程中氣態(tài)產(chǎn)物組分、煤溫等宏觀特征參數(shù)通過(guò)自然發(fā)火試驗(yàn)與程序升溫試驗(yàn)收集，為構(gòu)建預(yù)警體系提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。具體測(cè)試系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 試驗(yàn)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意Fig.1 Schematic diagram of test system structure

1.3 試驗(yàn)條件及過(guò)程

1)自然發(fā)火試驗(yàn)。檢查爐體氣密性及儀器線程運(yùn)轉(zhuǎn)正常后，將1 kg煤樣置于爐體中。通入適量預(yù)熱的干空氣后，設(shè)定裝置空氣流量0.1 m3/h，當(dāng)監(jiān)測(cè)溫度自由上升至25 ℃后，開(kāi)始監(jiān)測(cè)煤樣氧化氣體產(chǎn)物濃度的變化規(guī)律，待煤溫升至約175 ℃后結(jié)束試驗(yàn)。

2)程序升溫試驗(yàn)。連通箱體氣路部分，將裝有1 kg煤樣的罐體置于爐內(nèi)，通入預(yù)熱的干空氣后，設(shè)定空氣流量為7.2 m3/h、升溫速率0.3 ℃/min。當(dāng)爐內(nèi)溫度達(dá)到30 ℃時(shí)，按照10 ℃為間隔收集罐體中的氣體，直至溫度達(dá)到180 ℃左右時(shí)停止試驗(yàn)。

3)試驗(yàn)過(guò)程中收集的氣體按照變量指標(biāo)維度(溫度或時(shí)間)通入色譜儀中進(jìn)行分析并記錄數(shù)據(jù)。

具體的試驗(yàn)條件如表1所示。

表1 試驗(yàn)條件Table 1 Test conditions

2 數(shù)據(jù)分析及處理

2.1 基礎(chǔ)指標(biāo)氣體數(shù)據(jù)分析

不同試驗(yàn)煤樣的氣態(tài)產(chǎn)物濃度隨煤溫的變化趨勢(shì)曲線如圖2所示。其中，各類氣態(tài)產(chǎn)物的體積分?jǐn)?shù)均隨煤溫的升高表現(xiàn)出明顯的上升趨勢(shì)。

圖2 煤樣標(biāo)志性氣體指標(biāo)變化曲線Fig.2 Change curves of iconic gas indexes of coal samples

經(jīng)數(shù)據(jù)整合反映的特征溫度點(diǎn)位可以初步將煤樣自燃反應(yīng)進(jìn)程劃分為3個(gè)階段：穩(wěn)定階段(25～60 ℃)、波動(dòng)階段(70～100 ℃)、劇烈反應(yīng)階段(100～180 ℃)。具體分析如下：

1)O2體積分?jǐn)?shù)。2種測(cè)試反應(yīng)的O2體積分?jǐn)?shù)數(shù)據(jù)在50～70 ℃及70～100 ℃ 2處溫度區(qū)間內(nèi)表現(xiàn)出高度一致性的變化趨勢(shì)。結(jié)合耗氧速率曲線與理論煤氧復(fù)合三步反應(yīng)可以合理地推斷該煤樣自燃反應(yīng)進(jìn)程的2個(gè)特征溫度區(qū)間：氧化階段(30～50 ℃)、臨界階段(70～100 ℃)[14]。

2)碳氧化物體積分?jǐn)?shù)?？紤]到CO2產(chǎn)生量受煤體結(jié)構(gòu)特性、煤體自身吸附量、煤自燃階段性反應(yīng)等因素的影響，導(dǎo)致煤體解附、活性基團(tuán)反應(yīng)都會(huì)引起CO2體積分?jǐn)?shù)激增，并且2組試驗(yàn)間存在的加熱速率差異導(dǎo)致CO2指標(biāo)數(shù)據(jù)差異過(guò)大。因此，碳氧化物的氣體指標(biāo)閾值以CO數(shù)據(jù)為準(zhǔn)，推測(cè)60 ℃左右出現(xiàn)的特征點(diǎn)位意味著煤自燃快速反應(yīng)的起點(diǎn)，而60 ℃之前的CO體積數(shù)據(jù)能夠聯(lián)動(dòng)O2體積分?jǐn)?shù)進(jìn)行初期的煤自燃隱患發(fā)展預(yù)測(cè)[15]。

3)碳?xì)浠矬w積分?jǐn)?shù)。從圖2(c)中可以確定，王家山煤樣中賦存有一定量的CH4氣體，但考慮到實(shí)際井下環(huán)境影響導(dǎo)致CH4與CO2存在相同的預(yù)警缺陷。因此，在進(jìn)行隱患等級(jí)判定時(shí)并不考慮采用CH4氣體數(shù)據(jù)[13]。C2H4，C2H6雖然在穩(wěn)定階段內(nèi)的體積分?jǐn)?shù)增長(zhǎng)量較小，但在測(cè)試過(guò)程中具有明顯異于其他指標(biāo)的初始產(chǎn)生點(diǎn)位(50～70 ℃)，而100 ℃左右二者生成速率的快速增大則是煤體自燃反應(yīng)進(jìn)入熱解階段(100～150 ℃)的標(biāo)志[16]。

2.2 指標(biāo)氣體數(shù)據(jù)比值

為了有效消除漏風(fēng)對(duì)煤自燃指標(biāo)氣體的影響，可通過(guò)分析氣體指標(biāo)間的相對(duì)變化趨勢(shì)來(lái)實(shí)現(xiàn)煤自燃進(jìn)程階段的精細(xì)劃分。因此，根據(jù)已有的研究成果選定使用格雷姆火災(zāi)系數(shù)(φ(CO)/φ(O2))及烷烯比(φ(C2H4)/φ(C2H6))進(jìn)行數(shù)據(jù)處理分析，氣體指標(biāo)比值數(shù)據(jù)計(jì)算結(jié)果如圖3所示[17-19]。

圖3 氣體指標(biāo)比值數(shù)據(jù)曲線Fig.3 Date curves of gas index ratios

1)φ(CO)/φ(O2)比值在60～80 ℃的快速上升和100～180 ℃驟增的現(xiàn)象很好地契合了前文的分析結(jié)果。2個(gè)階段內(nèi)的格雷姆系數(shù)值分別對(duì)應(yīng)煤體氧化階段及波動(dòng)階段內(nèi)的煤體自然發(fā)火概率[20]，但是在高溫階段內(nèi)的數(shù)值結(jié)果偏差過(guò)大，因此可主要采用格雷姆系數(shù)進(jìn)行低溫階段煤自燃隱患的風(fēng)險(xiǎn)預(yù)警。

2)φ(C2H4)/φ(C2H6)比值不僅具有單因素指標(biāo)的特征點(diǎn)位，并且該比值指標(biāo)具有良好的規(guī)律性，能夠?yàn)槊鹤匀茧[患高溫階段的反應(yīng)預(yù)測(cè)提供數(shù)據(jù)支持。該指標(biāo)的數(shù)值越大，意味著煤體反應(yīng)活性越強(qiáng)烈，大量的不飽和烴類化合物得不到完全反應(yīng)，標(biāo)志著煤自燃反應(yīng)進(jìn)程處于裂變反應(yīng)階段(煤溫高于150 ℃)[21]。

2.3 指標(biāo)數(shù)據(jù)擬合

綜上，各類指標(biāo)氣體的體積分?jǐn)?shù)在各階段內(nèi)隨煤體溫度的變化規(guī)律大致相同。因此，各類指標(biāo)數(shù)據(jù)的起始點(diǎn)位、突變點(diǎn)位、拐點(diǎn)等都將為預(yù)警指標(biāo)體系中各等級(jí)的閾值確定提供數(shù)據(jù)支持。但由于試驗(yàn)誤差的存在，煤體特征溫度點(diǎn)位所對(duì)應(yīng)的指標(biāo)氣體體積分?jǐn)?shù)有待進(jìn)一步擬合確定。任萬(wàn)興等[13]在大樣本數(shù)據(jù)(88組煤樣)基礎(chǔ)上研究了多種函數(shù)構(gòu)建氣體—溫度數(shù)學(xué)模型以預(yù)測(cè)煤自燃隱患，最終確定Logistic回歸函數(shù)在煤自燃預(yù)警指標(biāo)的數(shù)據(jù)處理中最為優(yōu)異。因此，本文采用Logistic函數(shù)進(jìn)行選定的指標(biāo)氣體數(shù)據(jù)擬合。

Logistic函數(shù)的本構(gòu)方程式如式(1)：

(1)

式中：A1為函數(shù)模型所對(duì)應(yīng)的數(shù)據(jù)最小值；A2為函數(shù)模型所對(duì)應(yīng)的數(shù)據(jù)最大值；y為曲線縱坐標(biāo)；x為曲線橫坐標(biāo)；x0為曲線拐點(diǎn)所對(duì)應(yīng)的橫坐標(biāo)；p為曲線拐點(diǎn)處與斜率有關(guān)的相關(guān)變量。

基于Logistic函數(shù)的數(shù)據(jù)擬合曲線如圖4所示，擬合數(shù)據(jù)將為王家山礦煤自燃隱患預(yù)警指標(biāo)體系的指標(biāo)閾值確定提供數(shù)據(jù)支持。

3 煤自燃隱患預(yù)警指標(biāo)體系構(gòu)建

結(jié)合前文的數(shù)據(jù)處理結(jié)果(圖4)，王家山礦煤自然發(fā)火分級(jí)預(yù)警體系將在“潛伏、氧化、自熱、臨界、熱解、裂變、燃燒”7階段精細(xì)劃分理論與方法的基礎(chǔ)上進(jìn)行相關(guān)等級(jí)內(nèi)的指標(biāo)閾值確定。將指標(biāo)按照分析結(jié)果匯集于圖5進(jìn)行相關(guān)閾值的確定，具體的煤自然發(fā)火分級(jí)預(yù)警體系賦值如表2所示。

圖4 基于Logistic的數(shù)據(jù)擬合曲線Fig.4 Fitted curves of data based on Logistic function

圖5 煤自然發(fā)火指標(biāo)氣體閾值曲線Fig.5 Threshold curves of index gases for coal spontaneous combustion

表2 煤自然發(fā)火分級(jí)預(yù)警體系Table 2 Classification warning system of coal spontaneous combustion

1)預(yù)警初值。以O(shè)2體積分?jǐn)?shù)為判定基礎(chǔ)，輔以穩(wěn)定的CO體積分?jǐn)?shù)用以確定煤體自燃反應(yīng)處于潛伏、氧化、自熱及臨界4個(gè)反應(yīng)特征階段的基礎(chǔ)指標(biāo)。即監(jiān)測(cè)數(shù)值若無(wú)法滿足初值條件則判定不存在煤自燃隱患或不處于下一級(jí)危險(xiǎn)等級(jí)。

2)低風(fēng)險(xiǎn)階段。該階段內(nèi)煤體自然發(fā)火主體反應(yīng)逐步從氧吸附狀態(tài)向臨界狀態(tài)發(fā)展，現(xiàn)場(chǎng)存在煤自燃風(fēng)險(xiǎn)。此時(shí)煤體自燃隱患風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)較低(O2∈(18%,19%)∩CO>0.02%)，若采取措施便能有效控制煤自燃隱患發(fā)展進(jìn)程。同時(shí)采用格雷姆系數(shù)穩(wěn)定值進(jìn)行低風(fēng)險(xiǎn)階段(氧化階段φ(CO)/φ(O2)>0.1、自熱階段φ(CO)/φ(O2)>0.5、臨界階段φ(CO)/φ(O2)>4)等級(jí)劃分與判定。

3)較大風(fēng)險(xiǎn)階段。此時(shí)煤體反應(yīng)可能越過(guò)臨界階段進(jìn)入熱解反應(yīng)階段，煤體反應(yīng)活性加劇，需要采取多種防滅火措施協(xié)同防治。因此，選擇以該階段內(nèi)的主體反應(yīng)產(chǎn)物—C2H4氣體指標(biāo)變化情況作為該階段的主要預(yù)警判定值(C2H4>0.000 6%)。

4)重大風(fēng)險(xiǎn)階段。此時(shí)煤體反應(yīng)進(jìn)入裂變階段(φ(C2H4)/φ(C2H6)>600)，是煤體即將進(jìn)入劇烈燃燒狀態(tài)的前兆階段，應(yīng)做好火區(qū)封閉的準(zhǔn)備工作，防止事故擴(kuò)大。烷烯比作為裂變階段主產(chǎn)物的生成量之比，能夠充分表明煤體在該階段內(nèi)的反應(yīng)活性，是即將發(fā)生煤火災(zāi)害的前兆指標(biāo)。

5)特大風(fēng)險(xiǎn)階段。肉眼可見(jiàn)的煙氣蔓延情況出現(xiàn)，標(biāo)志著煤火災(zāi)害事故的開(kāi)始。

4 結(jié)論

1)煤自燃進(jìn)程主要可劃分為穩(wěn)定階段、波動(dòng)階段及劇烈反應(yīng)階段，應(yīng)用Logistic函數(shù)擬合指標(biāo)氣體數(shù)據(jù)同煤溫的變化曲線能夠進(jìn)一步精確(擬合函數(shù)R2接近0.99)預(yù)警風(fēng)險(xiǎn)階段內(nèi)的判定閾值。

2)構(gòu)建了“潛伏(<30 ℃，O2-CO)；氧化(30～50 ℃，φ(CO)/φ(O2))；自熱(50～70 ℃，φ(CO)/φ(O2))；臨界(70～100 ℃，φ(CO)/φ(O2))；熱解(100～150 ℃，C2H4>0.000 6%)；裂變(150～210 ℃，φ(C2H4)/φ(C2H6) >600)；燃燒(>210 ℃)”共7個(gè)階段的煤自燃隱患分級(jí)預(yù)警體系，并確定了各階段內(nèi)的風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)及指標(biāo)閾值。

3)按照指標(biāo)氣體特征溫度點(diǎn)位將煤自燃分為5個(gè)風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)，即初始階段、低風(fēng)險(xiǎn)階段、較大風(fēng)險(xiǎn)階段、重大風(fēng)險(xiǎn)階段、特大風(fēng)險(xiǎn)階段。各風(fēng)險(xiǎn)階段內(nèi)還需研究確定具有針對(duì)性的隱患防治技術(shù)。