0 引言
我国是矿井火灾最严重的国家，全国煤矿中有56%的矿井存在煤层自然发火的危险[1-2],煤的低温氧化导致煤炭自燃的发生[3-5]。煤炭自燃是一种非常复杂的物理、化学变化过程，在煤的氧化过程中会产生多种气体，且不同气体产生的最低温度、生成量因煤质不同而异[6-9]。刘乔等[10]通过对某煤矿上下煤样在程序升温条件下自然发火指标气体的变化规律进行研究，确定了测试煤样由低温氧化阶段到快速氧化阶段的临界温度和自然发火预测预报的指标气体。 邬剑明等[11]通过对平朔矿区4个煤层煤样进行程序升温试验，得出了平朔矿区煤炭自燃的标志气体应以CO，C2H4为主，H2为辅。由于采空区煤炭自燃一般发生在自燃“三带”中的自燃带，所以，采空区“三带”的正确划分是确定自然发火危险区域的关键[12]。宋万新等[13]根据化学动力学原理，通过理论推导，提出了基于氧气体积分数的高瓦斯采空区自燃“三带”的划分标准。余明高等[14]利用Matlab得出了采空区自燃“三带”的分布范围，确定了采空区自然发火的危险区域。因此，研究煤自燃过程中生成的指标气体随温度的变化规律，优选并确定煤自燃生成气体的主副指标，对预防煤矿早期自然发火具有重要的意义。本文针对青东煤矿1078工作面煤自然发火问题，通过实验室研究和现场测试相结合的方法，优选确定了自然发火标志性气体的主副指标，采用采空区氧气浓度变化规律和温度变化趋势2个指标划分了采空区自燃“三带”，从而为青东煤矿1078工作面自然发火治理提供了科学依据及理论指导。
1 青东煤矿1078工作面概况
青东煤矿位于安徽省濉溪县，主要含煤地层总厚为882.20 m，主采煤层为7,8,9,10四个煤层。10煤层煤厚为0～4.36 m，平均煤厚为2.40 m，变异系数为40%，可采性指数为82%。该煤层结构简单，属较稳定煤层。10煤层属Ⅱ类自燃煤层，有自然发火倾向性，煤层自然发火期为60 d,有煤尘爆炸性危险,无煤与瓦斯突出危险。1078工作面倾斜宽度为117～236 m，煤层厚度为1.8～4.2 m，平均煤厚为3.12 m，倾斜角为8°，采用走向长壁采煤方法。1078工作面如图1所示，在开采过程中由于产量需求变化，工作面长度由120 m变为230 m。
2 自然发火标志性气体优选
2.1 煤样制备
实验煤样取自青东煤矿1078工作面新暴露的煤壁，并现场封装运至实验室。在实验室内先剥去煤样表面氧化层，然后对其进行破碎并筛分出40～80目的颗粒50 g作为实验煤样。
图1 1078工作面
Fig.1 1078 working face
2.2 实验过程
程序升温及色谱分析系统如图2所示。将50 g粒度为40～80目的煤样置于煤样罐内，将煤样罐置于程序控温箱内，然后连接好进气气路、出气气路和温度探头(探头置于煤样罐的几何中心)，检查气路的气密性。用转子流量计将空气流量调节为50 mL/min，以进行低温氧化实验，设置温升速率为1.2 ℃/min。在30～300 ℃之间每隔10 ℃在管端通过50 mL气体采样器取气一次，把取得的气体送入经标气标定后的气相色谱仪中，对生成图像进行处理并计算出各个煤样出口处气体的浓度。
图2 程序升温及色谱分析系统
Fig.2 Temperature programming and chromatographic
analysis system
2.3 氧化气体产物实验结果及分析
煤样氧化过程中，主要研究了CO，C2H6，C2H4，C3H84等气体体积分数随温度的变化规律，如图3所示。在常温时，青东煤矿10煤层没有CO气体释放；在40 ℃时，煤氧化释放出CO气体；40～180 ℃，CO体积分数随着温度的升高稳步增加；在190 ℃以后，CO气体生成速率显著增大，释放量增加，煤氧化程度加剧，氧化速率迅速上升。因此，CO可以作为煤自燃的早期预报气体，一旦发现CO，就必须及时跟踪检测CO浓度变化趋势，若发现其浓度有显著上升趋势，即判定有自燃征兆并立即采取措施。在170 ℃时产生了C2H4气体，故在检测过程中若出现C2H4气体，则说明采空区已出现170 ℃以上的高温区，会加速煤自燃，应立即采取防治措施加以控制。
图3 CO，C2H6，C2H4，C3H8体积分数随温度变化曲线
Fig.3 Curves of CO, C2H6, C2H4and C3H8concentration
with temperature change
10煤层煤氧化生成气体的烯烷比、链烷比分别如图4、图5所示。由图4、图5可知，温度为170～300 ℃时，青东煤矿10煤层煤低温氧化过程中的烯烷比(C2H4/C2H6)在0.24～1.32之间，且在此过程中烯烷比随着温度的升高而逐渐增大。说明当烯烷比大于0.24时煤中温度已达到170 ℃；链烷比(C3H8/CH4)在0.11～0.41之间，且温度为190～300 ℃时，链烷比随着温度的升高而逐渐增大，说明当链烷比大于0.11时煤中温度已达到190℃。
根据实验结果分析可知，应以CO和C2H4气体作为青东煤矿10煤层的主要标志性气体，烯烷比(C2H4/C2H6)和链烷比(C3H8/CH4)作为青东煤矿10煤层氧化自燃标志气体的辅助指标。
图4 10煤层煤氧化生成气体的烯烷比(C2H4/C2H6)
Fig.4 The olefin-alkyl ratio of coal of
10 coal seam to oxidizing gas
图5 10煤层煤氧化生成气体的链烷比(C3H8/CH4)
Fig.5 The chain and alkane ratio of coal of
10 coal seam to oxidize gas
3 青东煤矿1078工作面采空区自燃“三带”划分
3.1 自燃“三带”划分依据
在如何划分自燃“三带”上，目前尚无统一的指标参数[15]。根据氧气体积分数划分采空区“三带”是目前常采用的方法。当氧气体积分数大于18%时为散热带，虽然具备充足的供氧条件，但由于漏风量大,热量不易集聚，煤的氧化过程处于缓慢阶段；当氧气体积分数大于6%、小于18%时为自燃带，此阶段有充足的供氧条件，漏风量小，所以，有很好的蓄热条件，煤的氧化持续进行，最终导致煤自燃；当氧气体积分数小于6%时为窒息带，由于缺氧，煤的自燃无法持续进行。温度趋势变化可以作为划分“三带”的辅助指标，因为温度变化趋势在一定程度上可以说明采空区浮煤氧化蓄热的过程，当温度变化为明显的上升趋势时认为该区域为自燃带。
3.2 观测点的布置
在长度为230 m的工作面进行现场试验，采用埋设抽气管路(120 m)的方法，通过管路抽取采空区气样，送入气相色谱仪进行分析，得出采空区各种气体浓度变化规律，并通过埋设的温度传感器AD590测定采空区温度变化情况，从而研究分析出采空区热量变化与分布规律，确定综采工作面自燃“三带”的分布范围。抽气管和温度传感器AD590的布置采用工作面进回风巷道分别埋管的方式。由于现场条件的限制，在靠近工作面的两巷道中共设置4个测点，测点设置如图6所示。各测点设置位置如下：1号测点设置在风巷与工作面的交界处；2号测点沿风巷布置，距离1号测点12 m处；3号测点设置在机巷与工作面的交界处；4号测点沿机巷布置，距离3号测点28 m处。
图6 测点设置
Fig.6 Mapping point layout
3.3 采空区温度及氧气变化规律分析及“三带”划分
采空区各测点温度变化曲线如图7所示，从图7分析可知：
(1) 机巷和风巷各测点的温度在分别距工作面0～35 m和0～15 m范围内呈现下降趋势，风巷各测点在15～70 m范围内，机巷各测点在35～80 m范围内温度均呈现出明显的上升趋势；风巷各测点在大于70 m范围内，机巷各测点在大于80 m范围内温度呈现出下降趋势，并逐渐趋于稳定。
(2) 各测点最高温度分别如下：1号测点最高温度为29.6 ℃(距工作面39 m)；2号测点最高温度为29.2 ℃(距工作面56 m)；3号测点最高温度为28.6 ℃(距工作面102 m)；4号测点最高温度为27.1 ℃(距工作面80 m)。在距工作面70 m以外，采空区内温度处于相对较低的范围内。通过4个测点温度变化趋势可以初步判定1078工作面采空区自燃“三带”的范围：自工作面向采空区方向，0～35 m为散热带，35～80 m为自燃带，80 m以外为窒息带。
图7 各测点温度变化曲线
Fig.7 Temperature change curve of each test point
采空区各测点氧气体积分数变化曲线如图8所示，从图8分析可知：
(1) 工作面推进至25～29 m后，风巷各测点氧气体积分数降低至18%左右，而机巷各测点由于处于进风端，采空区漏风更为严重，故工作面推进至38 m后机巷4号测点的氧气体积分数才降低至18%。各测点氧气体积分数降低至18%的位置如下：1号测点为25 m处、2号测点为29 m处、4号测点为38 m处。而3号测点在测试期间(0～120 m)氧气体积分数始终维持在20%左右，分析认为可能是由于测点位置矸石较多，导致氧气消耗较少，并且在测试期间偶尔有少量的水从3号气体管路中抽出，因此水分的存在隔绝了采空区内气体的流动通道，使得3号测点周围的氧气体积分数难以下降。3号测点和4号测点温度变化规律相同，随着工作面的推进，测点温度先下降后上升，最后趋于稳定。3号测点氧气体积分数始终较高的另一个原因可能是3号测点相对应的埋管在采空区受到外力破坏，导致气管漏气。
图8 各测点氧气体积分数变化曲线
Fig.8 Change curve of oxygen concentration of
each test point
(2) 各测点进入窒息区域(氧气体积分数低于6%)的位置如下：1号测点为距工作面78 m处，氧气体积分数为5.79%；2号测点为距工作面76 m处，氧气体积分数为5.93%；4号测点为距工作面79 m处，氧气体积分数为5.91%。
由实测的温度变化趋势初步判定的自燃“三带”范围与采空区氧气浓度的分布规律分析划定的“三带”范围相近，按氧气浓度变化趋势大致划分的采空区自燃“三带”范围见表1。实测采空区自燃“三带”范围如图9所示。
表1 各测点自燃“三带”范围
Table 1 The spontaneous combustion "three zone"
range of each test point m
图9 采空区自燃“三带”范围划分结果
Fig.9 Division results of spontaneous combustion
"three zones" range in goaf
4 结论
(1) 通过煤低温氧化实验得出CO和C2H4气体可作为青东煤矿10煤层煤氧化自燃的主要标志性气体，烯烷比和链烷比作为青东煤矿10煤层煤氧化自燃标志气体的辅助指标。
(2) 现场实测获得了工作面推进过程中采空区温度及气体变化特征，根据实测结果划分了采空区自燃“三带”：距工作面0～31 m处为散热带，31～78 m处为自燃带，78 m以外为窒息带。该研究成果为青东煤矿火灾防治工作提供了依据。
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