巷道高冒封闭火区燃烧状态及表面温度场演变规律

谭波^{1, 2}，朱红青^{1, 2}，王海燕²，徐纪元²，邹俊²，牛会永³，杨成轶²，于树江²

(1. 中国矿业大学 煤炭资源与安全开采国家重点实验室，北京，100083；

2. 中国矿业大学(北京) 资源与安全工程学院，北京，100083；

3. 湖南科技大学 能源与安全工程学院，湖南 湘潭，411201)

摘要：受早期小窑私挖乱采的影响，整合矿井往往面临废旧巷道或采空区遗煤多、漏风严重且复杂，煤自燃危险性大的难题，为了判断巷道高冒封闭火区的燃烧状态及其火区发展趋势，采用煤自燃低温氧化试验研究山西朔州某矿4+9号煤层火灾指标气体及其变化规律，现场收集火区内气体初步判断火区燃烧状态，最后利用红外热成像仪圈划火区表面温度区域，定位巷道顶煤火区表面高温点并分析火区巷道表面温度场变化趋势。研究结果表明：在煤低温氧化进程中CO，C₂H₆和C₂H₄等指标气体将在特定的温度等条件下自发产生，利用指标气体出现温度和随温度变化趋势，可以初步判断火区燃烧状态及发展方向；通过巷道表面温度场能够圈划浅部隐蔽火区大致范围，验证火区燃烧状态，判断火区发展趋势，预测煤自燃的危险性，能为火区危险性预报和治理提供可靠依据。研究成果对隐蔽火源燃烧状态和发展方向分析具有一定参考价值，能够为具有类似条件的矿区防灭火工作提供借鉴。

关键词：封闭火区；高冒区；燃烧状态；表面温度场；红外热成像仪；气体分析法

中图分类号：TD75⁺2             文献标志码：A         文章编号：1672-7207(2014)03-0946-06

Combustion state and surface temperature field evolution of closed firing zone in top-coal caving region of coal drift

TAN Bo^{1, 2}, ZHU Hongqing^{1, 2}, WANG Haiyang², XU Jiyuan², ZOU Jun², NIU Huiyong³, YANG Chengyi², YU Shujiang²

(1. State Key Laboratory of Coal Resources and Safe Mining, China University of Mining and Technology, Beijing 100083, China;

2. Faculty of Resources and Safety Engineering,China University of Mining and Technology (Beijing), Beijing 100083, China;

3. School of Energy and Safety Engineering, Hunan University of Technology, Xiangtan 411201, China)

Abstract: Considering that the integrated coal mines are faced with the problems of large amount of residual coal, serious air leakage and high risk of coal self-ignition for the effect of indiscriminate exploitation, the index gases and their changes with the increase of temperature of No.4+9 Coal seam in Suozhou, Shangxi Province, were studied by temperature programmed experiment in order to determine the combustion state and development trend of fire zone. Then the combustion state was preliminarily judged by testing gas collected in the fire zone. Finally the surface temperature was measured by infrared thermal imager, positioning the surface high temperature point of fire zone on the roof of the roadway and analyzing the changing trend of the temperature field. The results show that CO, C₂H₆, C₂H₄ and other index gases arise at the specific temperature in the low-temperature oxidation of coal. The initial fire burning state and development direction can be determined by using the trend and temperature of index gases. The range of shallow hidden fire can be drawn, and the fire burning state can be verified. The development trends of fire can be judged, and the risk of coal spontaneous combustion can be predicted by the surface temperature field of roadway. It can provide reliable basis for forecasting and controlling fire danger. It is helpful to analyze the hidden fire, and has reference for other mines with similar conditions.

Key words: closed fire zone; top-coal caving region; combustion state; surface temperature field; infrared thermal imager; gas analysis method

在煤自燃预测预报中，必须根据煤炭自燃过程中出现的征兆、观测结果预测和推断煤炭自燃发展的趋势、位置，并给出必要的提示和警报^[1-2]。煤炭自燃预报与探测的方法很多，这些方法可以分为三大类：(1) 从测定自燃危险区域的温度出发；(2) 利用火区磁场和电场变化，在地面布设各种测网，观测研究区异常，确定地下煤火边界和中心，即为物探法；(3) 通过仪器捕捉火区异常化学成分释放析出或人为引入化学物质，利用火区对该物质的特殊反应来圈定地下火区范围，即为化探法^[1-2]。比较常用的几种方法有钻探法、直接法、人体感官预测法、测温法、气体分析法、物探法^[2]。国内外研究者在井下火源探测与燃烧状态分析中进行了大量研究，如：周心权等^[1-2]基于指标气体研究了火区燃烧状态与煤自燃预警；徐精彩等^[3-4]利用数值模拟方法研究了井下高冒火区温度场；程卫民等^[5-8]研究了红热成像仪在煤矿中应用。从研究现状看，人们针对基于气体分析方法、红热成像仪测温法等综合研究方法探测井下巷道高冒封闭火区的相关研究较少，为此，本文作者以山西省朔州某矿煤层高冒封闭火区为研究对象，采用经验法、人体感官预测法、指标气体气体分析法^[9-14]以及红热成像仪测温法等综合预报方法，利用人工取样，根据气体成分，初步确定火区温度内部温度范围；利用红外热成像仪圈划火区表面温度区域，分析定位巷道顶煤火区表面高温点，分析火区巷道表面温度场变化趋势，以便为分析隐蔽火源燃烧状态提供参考。

1  火区概况及研究思路

1.1  火区概况

山西省朔州某矿4+9号煤层为易自燃煤层。该矿全面采用综合机械化开采技术，2013-04-23在9209进风巷掘进过程中，仍发现了煤炭自燃的迹象，着火区域示意图如图1所示。第2次揭露旧巷时，上部漏顶并有煤屑掉落，煤屑呈暗红色，温度高达110 ℃左右。通过球胆取样化验，检测出CO严重超标，体积分数达2.625×10^-3。该矿系资源整合矿井，最早开采时间可追溯到20世纪五六十年代，其开采过程先后涉及巷采、炮采以及综采等多种采煤方法。基于该特殊背景，该矿存在以下几个特点：(1) 4+9号煤层上方，巷道错综复杂，采空区分布较多，巷道内遗煤较多；(2) 4+ 9号煤层埋藏深度较浅，分布在其内部的老旧巷道通过上部裂隙与地面贯通的可能性比较大，老旧巷道或采空区内的遗煤较多，漏风严重，若这些老巷的蓄热条件较好，则极易发生煤炭自燃，对下部煤层的开采危害很大。

图1  山西朔州某矿9029进风巷着火示意图

Fig. 1  Schematic diagram of fire zone of 9029 roadway in one mine of Suozhou, Shanxi Province

2013-05-20，该矿也采取了喷浆封闭的治理措施， 9029机巷内CO体积分数得到控制，但密闭与喷浆表面温度持续升高，自燃危险增加。这主要是因为该矿老旧巷道和采空区分布复杂，漏风通道复杂，火区还存在持续供氧。由于老巷矿图、矿井通风网络图资料缺失，无法确定老巷的分布状况，难以掌握漏风规律。火区喷浆封闭后，火区变成隐蔽火源，火区燃烧状态及燃烧方向无法确定，为此，利用气体分析方法判断火源燃烧状态。但是，由于火区采用混凝土喷浆，打钻测温、采集气体存在一定难度，现采集与火区周围巷道内气体，分析火区燃烧状态，利用红外热像仪探测巷道表面温度场分布推断火区蔓延及发展特点。

1.2  研究思路

首先，采用煤自燃低温氧化实验获得4+9煤层火灾指标气体及其变化规律；其次，现场收集火区下方巷道内气体，利用便携式气相色谱仪或便携CO检测仪，分析巷道内气体成分，初步判断火区燃烧状态；最后，利用红外热成像仪圈划和火区表面温度区域，定位巷道顶煤火区喷浆区域表面高温点和分析其表面温度场变化趋势，总结表面温度场变化规律。

2  高冒隐蔽火区燃烧状态初步判断

2.1  火区位置煤样自燃程序实验与结果分析

煤样的采集及制备根据GB/T 482—2008煤层煤样采取方法^[17]采取火区位置新鲜煤样，并密封运至实验室。按照GB 474—2008煤样的制备方法^[18]要求，将煤样破碎并筛分。按照参考文献[2]中实验方法进行煤自燃程序实验，实验结果见图2和图3。

图2  CO和CO₂体积分数与温度的关系

Fig. 2 Relationship among volume fraction of CO and CO₂ and temperature

图3  CH₄, C₂H₄和C₂H₆体积分数与温度关系

Fig. 3  Relationship among volume fraction of CH₄, C₂H₄, C₂H₆ and temperature

从图2和图3可以得出：CO，CO₂和C₂H₄这3种气体体积分数始终随温度的升高而增大；气体出现的初始温度不同，CO和CO₂从30 ℃左右就开始出现，CH₄气体出现于40 ℃之后，而C₂H₄和C₂H₆分别在 110 ℃和80 ℃之后开始出现；在升温前期CO体积分数较低且增加较为缓慢，当温度达到60~70 ℃时其体积分数与产生速率将大幅度增大。

结合实际情况，CO₂和CH₄这2种气体实际中易受外部环境的影响^[8]，不宜作为指标性气体，而CO，C₂H₄和C₂H₆这3种气体则较敏感，可以作为指标性气体。可以通过检测3种气体体积分数，判断火区的大概温度，通过CO的持续观测判断火区发展变化情况。

2.2  气体现场监测与分析

为了对火区的温度进行预判，某一时刻对发火区域一定范围内的气体进行采集，并应用气相色谱仪进行分析。通过现场监测发现：

(1) 在老巷火区下方9209机巷和9211风巷的对应区域可以检测到少量的CO，体积分数未超过10×10^-6。CO来源主要有2个：一是随漏风漏入的老巷火区煤自燃产生的CO，二是井下防爆车辆尾气中的CO。

(2) 各监测点检测到的CO体积分数存在差异，这主要各测点距离漏风总汇的远近和巷道风量稀释所致。

(3) 西回风巷口检测到的CO体积分数高达138× 10^-6，同时也检测到存在C₂H₆，体积分数为82×10^-6。这主要由于西回风巷口与9209机巷上部老巷火区相贯通，该处为上部空区漏风处。

(4) 除西回风巷口(监测点1)外，监测到C₂H₆，其他各处监测点未能检测到C₂H₄和C₂H₆等气体，这主要由于C₂H₄和C₂H₆等气体被巷道气流稀释后无法检测到。

根据以上情况判断，由于在火区漏风气体中监测出了C₂H₆而没有检测到C₂H₄，说明火区最高温度应该为80~110 ℃。

为了进一部分分析1 d中CO变化情况，共设置3个CO监测点即西回风巷口(监测点1)、西回风巷口上风侧(监测点2)和西回风巷口下风侧(监测点3) 3处，具体布置如图1所示，监测结果如图4所示。

图4  各测点CO体积分数变化趋势

Fig. 4  Volume fraction of CO on monitoring sites

监测点2处1 d内CO体积分数基本保持不变，且体积分数很低。可以判断9209机巷上部老巷火区未影响该区域以西区域，少量CO可能由回采工作产生；15:20时刻CO体积分数明显增大，可能是工作面防爆车所致。

监测点1西回风巷口的CO体积分数1 d内满足先升高再降低后升高的规律；中午前体积分数较低，中午左右体积分数急剧增高后降低，在下午后半段又开始升高；而监测点3则由于回风经该巷口后CO体积分数有所升高，升高幅度与该巷口排出的CO有关。造成巷口1 d内CO体积分数变化的原因主要有2个：

(1) 由1 d内气压的变化造成，气压的降低或升高都会对对老巷火区漏风和CO的涌出造成影响。

(2) 1 d内矿井通风变化的影响。

这2个主要因素相互作用，影响较复杂，必须采取必要的抑制和灭火措施。

3  巷道表面温度场演变规律

2013-07-24进入9029风巷，当步入喷浆末端100 m范围内时，该处巷道内空气温度比其他区域温度高，巷道内散发出一股难闻气味，初步判断该区域存在煤自燃问题。因为煤氧化过程放出热量，这些热量被风流带入巷道，使得巷道内温度空气温度升高；同时，煤低温氧化时生成大量碳氢化合物，碳氢化合物大多数有异味。

3.1  火区范围的圈划

利用红外热像仪对9029进风巷巷道表面温度场进行观察，发现巷道高温区域位于喷浆段北侧巷道顶部，长为60.0 m，宽为3.5 m，如图5所示。高温区域内巷道左边1.7 m高处往上温度较高，用手触摸感觉到明显发热。

图5 巷道高冒区及高温点位置示意图

Fig. 5  Sketch map of fire zone of roadway and high temperature area

3.2  高温点定位分析

从全局红外图像看，巷道顶部最高温度点G₁位于巷道中心线位置，略偏东。2013-07-25对整个高温区域进行局部观察发现，巷道表面存在3个局部高温点：

第1个高温点G₁位于喷浆段最北侧，距离喷浆末端16 m左右，最高温度达到50 ℃左右。

第2个高温点G₂位于巷道东侧、第1个高温点G₁南侧，该处存在1个凹陷，凹陷内最高温度达34 ℃。

第3个高温点G₃位于巷道西侧、风筒上方、第2高温点G₂南侧，该处最高温度达到32 ℃。从现场看，该处风筒往外漏风，且漏风风量较大。

总之，高温区域内存在3个较为独立高温点：第1个高温点和第2高点的影响区域存在重合区域，第3个高温点相对独立。

3.3  火区发展趋势分析

为了研究火区发展趋势，于2013-07-23至2013-07-27以及2013-08-31对高温区域进行观察，并于2013-07-25T9:00—13:00进行3次连续观察。2013-07-25和2013-08-31的观察结果分别如图6和图7所示。

从表1可以看出，G₁最高温度变化明显，已达到66.55 ℃；G₂与G₃最高温度较7月份监测结果变化不大，且G₂最高温度值为34.38 ℃，较之前最高温度37.59 ℃略有下降。据此可以判断：

(1) 高温区域最高温度点由50 ℃升高至66 ℃，温度升高较明显，超出煤层自燃潜伏期临界点(60 ℃)进入自热期，这说明煤自燃得到进一步得到发展，危险性增加。

(2) 从高温点位置看，G₁高温点位置变化并不是特别大，但是还是往东侧偏移了一段距离，说明高温点右侧存在浮煤支持自燃。

(3) 2013-07-25，喷浆北侧末端边缘处，温度高于周围温度，说明热量扩散到该处。

自2013-08-31后，该处温度与周围温度保持一致，为常温，这可能是因为巷道风速降低致使热量扩散较弱，或是因为封闭区域内老巷风流方向改变。

由于浅部隐蔽火区内部煤自燃，温度主要通过热传导方式，传递到巷道表面，因此，巷道表面高温区域主要是由于封闭区域松散煤柱、遗煤等造成。可见：可根据巷道表面温度场可以初步判断火区大致范围；利用红外热像仪测定表面温度场高温点，可以初步判断火区内部煤自燃点的数目，大致确定火区自燃煤柱分布。由于封闭火区漏风速度有限，对火区扩散影响较有限，所以，通过巷道表面温度演变能够间接反映火区温度和火区发展规律。

图6  2013-07-27高温点区域红外图像

Fig. 8 Thermographs of zone of high temperature on 24 July, 2013

图7  2013-08-31高温点区域红外图像

Fig.7  Thermographs of zone of high temperature on 31 August, 2013

表1  局部高温点6 d内最高温度变化

                    Table 1  The maximum temperature change of local high temperature point in 6 d                 ℃

4  结论

(1) 在煤低温氧化进程中CO，C₂H₆和C₂H₄等指标气体将在特定的温度等条件下自发产生，利用指标气体出现温度和随温度变化趋势，可以初步判断火区火区发展变化情况。

(2) 由于气压和通风相互作用影响较为复杂，造成CO上午体积分数较低，中午左右体积分数急剧增高，然后降低；在下午后半段又开始升高。这种不断变化的情况对火区的发展有促进作用，需采取必要的抑制和灭火措施。

(3) 通过热成像仪探测浅部隐蔽火区巷道表面温度场，能够圈划火区大致范围，大致定位高温点位置，验证火区燃烧状态，判断火区发展趋势，预测煤自燃的危险性，能为火区危险性预报和治理提供可靠依据。

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GB/T 474—2008, Method for preparation of coal sample[S].

(编辑  陈灿华)

收稿日期：2013-08-10；修回日期：2013-10-21

基金项目：国家自然科学基金资助项目(51074168，51274099，U1261214)；中国矿业大学煤炭资源与安全开采国家重点实验室开放课题(SKLCRSM10KFB14)

通信作者：谭波(1981-)，男，湖南株洲人，博士研究生，讲师，从事矿井火灾防治理论、矿井通风研究；电话：010-62339024；E-mail: tanbo709@126.com