CN109184800B - 一种煤自燃预警分级方法及预警方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及煤矿安全领域，具体涉及一种煤自燃预警分级方法及预警方法，所述煤为容易自燃煤，煤自燃预警分为六个等级，分别为灰色预警、蓝色预警、黄色预警、橙色预警、红色预警和黑色预警，预警方法：采集O₂，CO，CO₂，CH₄，C₂H₄和C₂H₆浓度数据；判断预警级别，设定预警阈值为R₀，煤自燃预警阈值可以用以下的数学式来进行表示：R₀＝{[O₂]＞18％∩[CO]＞50ppm}∪{[O₂]∈(15％，18％)∩[CO]＞100ppm}∪{[O₂]∈(12％，15％)∩[CO]＞150ppm}∪{[O₂]＜12％∩[CO]＞200ppm}，据不同阈值发布预警并采取措施。本发明更准确、灵敏的指示煤自燃过程，预防性更佳。

Description

一种煤自燃预警分级方法及预警方法

技术领域

本发明涉及煤矿安全技术领域，具体涉及一种煤自燃预警分级方法及预警方法。

背景技术

矿井煤自燃是煤矿五大灾害之一。截至2015年底，我国共有煤矿9 000个左右，自燃和容易自燃煤层占90％以上，我国煤炭约90％是通过井工开采生产的。在矿井火灾中，85％～90％以上是因为煤自燃引起的。分布在全国25个主要产煤省区的130余个大中型矿区均不同程度地受到煤自燃的威胁。近年来，随着科技的进步和装备的升级，煤自燃引起的事故逐年减少，但我国煤炭火灾防治形势依然严峻。煤自燃不但造成直接的损失，在井下狭小空间内容易引起瓦斯煤尘等事故。2014年6月3日16时58分，重庆能源投资集团南桐矿业公司砚石台煤矿井下4406S2采煤工作面发生一起因采空区自燃引起瓦斯爆炸的重大瓦斯事故，煤自燃造成的危害严重威胁着井下人员的生命安全。

随着我国经济的发展，矿井开采力度将进一步加大，机械化程度和监测技术的提高，高产高效矿开采强度进一步增加，近年来越来越多关于近距离煤层群开采，小煤柱开采、孤岛工作面开采等一系列复杂环境条件下的矿井煤自燃问题严重阻碍了矿井安全生产。主要表现在(1)具有自燃危险的煤矿比重大，覆盖面广，煤自燃指标不一致；(2)高瓦斯易自燃煤层防灭火压力大，很多矿井自燃指标体系不完善；(3)近距离煤层群开采，开采下层煤时，上层采空区气体对下层煤正常开采时的影响；(4)综采放顶煤技术的大力推广，采空区遗煤量大，自燃危险性高，氧化自燃程度难以判断；(5)老火区启封时火区内温度只能通过气体指标来反映，气体指标不明确，判定比较困难；(6)小煤柱开采，孤岛工作面开采，工作面采空区漏风复杂，影响煤自燃指标气体，加大了煤自燃预报难度。因此，做好煤自燃预警，针对煤自燃预防工作和煤自燃治理工作及时作出正确的决策，对矿井安全生产和矿工人身安全意义重大。

为了预防煤自燃，《煤矿安全规程》第261条、265条和275条规定中针对容易自燃和自燃煤层做出了必须建立自燃检测系统、煤自燃指标体系，健全煤自燃预报制度，同时针对不同的征兆采取不同的措施。在第261条、265条和275条规定中“标志气体及临界值”、“自燃发火征兆”和“火灾”很难明确和判定，导致预报预警指标不明确、不统一，阻碍了煤自燃的主动防控。

煤自燃预警是在掌握煤自燃基本规律和煤自燃危险性的前提下，利用煤自燃预报技术，结合煤自燃规律，判断煤自燃程度，预先报警，使煤自燃得到及时防治。测温法和标志气体分析法是矿井开采煤自燃预测、预报和预警最常用的两种方法。测温法是根据煤自燃升温放热导致煤体温度升高的特征信息，利用温度直接反应煤体自燃程度的方法，该方法是煤自燃预警最直接的方法。由于煤是热的不良导体，大范围煤体测温比较困难，煤矿主要通过标志气体分析法进行煤自燃预警，该方法的可靠性和可行性得到了广泛认可，目前被普遍应用。基于测温法和标志气体分析法，煤自燃预警技术关键问题为：(1)煤自燃气体指标确定。煤自燃过程中产生的气体能够反映煤体温度变化，煤自燃气体指标是能够精确反映煤体温度的指标，是煤自燃预警的基础，确定煤自燃指标可通过实验测试、现场工业试验和模型建立等方法进行。(2)煤自燃监测技术。通过温度传感器和气体传感器将与煤自燃相关的温度和气体特征信息提取出来，为判别煤自燃程度提供依据。

煤自燃预警指标：Deng Jun等研究了煤自燃发火全过程模拟实验中温度、气体比、耗氧速率和热强度的变化，得出了煤在70℃以下时，煤自燃发火温度随时间缓慢增加，耗氧率和热强度随着温度的升高而缓慢增加，在温度超过100℃时加速，冷却速率随着温度的降低而降低。当煤的温度从452.7℃降至250℃时，冷却速率迅速下降，而在250℃以下，冷却速度缓慢下降。研究了CO₂和CO的变化趋势，分析了CH₄、C₂H₆和C₂H₄/C₂H₆在自燃发火过程中与煤温的关系，得出在一定的温度范围内煤炭无氧冷却气体比率可以用来预测煤的温度。XieZhongpeng根据采煤工作面压力能量分布和标志气体检测,分析了南庄煤矿工作面内的密闭漏风状况和O₂、CO₂、C₂H₄、C₂H₆、CO、C₂H₄、C₃H₈等标志气体浓度变化，发现4601, 8808车道封闭墙内煤体破碎带自燃危险区域及其形态。针对采空区剩余煤自燃的特点，从加强通风管理、加强瓦斯和温度检测、三相泡沫灌注等方面研制了一套综合防治煤自燃的系统。LiuWei等结合空气渗流、氧传递、热转移和放热反应，建立了长壁采空区CO的生成与运移全耦合模型。根据煤的最小自发热温度与CO浓度增长关系计算出预警阈值，为工作面采空区自燃火灾的提供了早期预警定量方法。朱令起、罗海珠等采用煤低温氧化实验，针对无烟煤、气肥煤、气煤和褐煤进行了分析，明确了煤自燃过程中气体产生规律，考察了气体特征及产生率等参数，将煤体低温氧化过程划分了三个阶段，分析了氧化特征和温度范围，为煤自燃预警提供了依据。许延辉等确定了CO浓度范围与煤体氧化自燃程度的对应关系，同时结合C₂H₆、C₃H₈来预报煤自燃程度。王福生等建立了煤氧化自燃温度范围气体指标与煤温的对应函数关系。何萍等建立了各类指标气体与煤温、煤阶、煤岩类型之间的数量关系。许宁，张江石等通过实验测试和现场实验相结合，分析了黄骅港三期筒仓所储6种煤在自燃过程中气体生成规律，确定了煤自燃临界温度，并将煤低温氧化自燃划分为4个阶段，并对4个阶段的煤体状态进行了详细分析，同时确定了一氧化碳、乙烯、乙烷，乙烯与乙烷的比值和CO浓度与氧气消耗浓度的比值作为筒仓内煤体自燃的气体预警指标。为筒仓煤自燃预防提供了理论依据。刘志强采用实验测试与现场试验相结合，发现煤自燃发火过程中产生的一氧化碳、乙烯和二氧化碳等气体生成随氧气浓度的降低出现“滞后效应”，利用一氧化碳和二氧化碳指数判断了煤氧化阶段，确定了煤自燃预警区间值，采用现场实测数据验证了预警区间的准确性，将预警区间值应用于煤矿现场用于煤自燃防治。谭波等采用煤自燃程序升温实验测试，根据气体生成规律将煤自燃过程进行阶段划分，利用单一气体指标和复合气体指标针对不同变质程度的三个煤样各阶段特征进行了分析，从不同变质煤的灰分、挥发分的角度分析了各特征的差异，明确了煤自燃复合气体指标的可靠性。

王福生等采用灰色关联分析对煤体不同温度段指标气体进行了优选，建立了指标气体与煤温的函数关系。徐杨采用自组织特征映射神经网络(SOFM)对采空区煤自燃进行了识别分类，建立了BP神经网络模型，样本数据越多，判断越准确。赵敏等基于模糊聚类算法，提出了遗煤火灾检测的聚类分析方法。程文东等基于模糊聚类算法分析采空区自燃“三带”划分，并对不同测点数据进行分类。秦书玉等提出采用关联分析法弥补模糊聚类分析，完善了模糊聚类分析预报煤自燃的方法。王国旗等采用煤自燃发火实验台，针对10个煤样进行实验测试研究，分别对煤自燃发火实验最短发火期、耗氧速率、一氧化碳和二氧化碳产生率等参数进行了分析。张辛亥等等建立了前向多层人工神经网络模型，实现煤自燃早期预警。高原用支持向量机(SVM)预测技术预测分析采空区遗煤自燃特性。孟倩等采用径向基函数作为SVM核函数，提出了一种SVM参数优化的变步长搜索方法，可较好地判定煤自燃发火程度。

煤自燃监测技术：Lalatendu Muduli提出了一种基于模糊逻辑的煤矿井下火灾监测系统，利用matlab中的模糊逻辑工具箱对系统进行了广泛的仿真,对火灾危害更可靠、更灵敏,提高了决策过程的可靠性，缓解了矿井火灾隐患。Liang Zhuang,Wang Ji-Ren分析了煤氧接触后发生氧化反应，不仅煤质发生变化，而且还会出现一些化学现象和外部特征。通过对这些特征的观察和分析，综合分析其特点和不同发展阶段的差异，预测了煤炭自燃的潜在危险性，同时根据指标气体的临界值，系统地介绍了井下煤自燃隐患一氧化碳监测方法，经检测气体成分，温度和红外辐射的检测分析，为煤炭自燃预报提供了指导。

A.Adamus等为了预警煤矸石自燃，绘制了地表温度分布图，定位了地表异常区。开发了基于表面温度监测的煤矸堆自燃监测集成方法，实现了以下四个主要步骤，包括实地调查程序，数据预处理程序，数据耦合，和三维可视化。最后，建立了三维温度分布模型，根据不同的温度等级将观测区域划分为三类。这种新方法可能有助于提前监测和确定潜在危险区，及早预警并防止自燃。

邓军、文虎、王伟峰等针对矿井工作面采空区煤自燃，基于自发后向拉曼散射的分布式温度测量技术，研制了本安型分布式光纤测温装置，提出了针对采空区煤自燃的检测预警技术，实现了煤自燃分级预警和煤自燃高温位置的判定。马旭，张连锋,侯玉亭等根据兖州矿区实际情况，提出了无线自组网三维空间线形节点部署策略，研制出煤自燃传感器于一体的矿用传感器和监测基站，开发出监测预警软件，实现了煤自燃预警，完善了煤自燃预警技术。王宇等提出了一种基于机器视觉的多传感器融合的煤矿自燃火灾智能预警系统。该系统可实时进行煤自燃可疑区域的图像采集、分析处理，同时将温、湿度和光感传感器采集的信息融合，传输至总控制中心，实现了煤自燃监测预警功能。蔡周全等针对我国矿井束管监测系统普遍存在的可靠性差、采样分析滞后等问题造成煤自燃漏报、误报等状况，提出解决方案。通过煤自燃程序升温实验测试，利用特里克特比率剔除无效气样，结合实际情况，设置了煤自燃预警值，确定了煤自燃预警系统指标，建立了煤自燃预警体系，提出了早期预警点、中期预警点和报警点所对应的预、报警指标、煤温和氧化阶段，开发出了基于束管系统的煤自燃预警系统。罗伟采取煤自燃程序升温实验，对三种不同变质程度的煤样进行实验测试，通过单一气体指标和复合气体指标对煤自燃过程进行阶段划分，并对各阶段特征进行了详细分析，确定选择一氧化碳和乙烯作为煤自燃指标气体，同时将甲烷、乙烷、乙烯与乙烷的比值、一氧化碳量与氧气消耗量的比值和氧气作为煤自燃辅助预警指标。吉才睿，邢震，张箫剑，余庆等通过分布式光纤监测技术，对采空区气体和温度进行实时监测，通过地面中心站数据分析中心分析并进行煤自燃预测预报。程佰旺、张江石等采用煤自燃发火模拟实验测试，针对色连二矿2^-2煤自燃特点和气体生成规律进行了分析，确定了煤在150℃时能够在贫氧 (氧浓度在3％～5％)条件下继续氧化升温，确定了50℃之前乙烷和乙烯气体可以作为煤低温氧化指标气体，CO/ΔO₂值可以作为采空区遗煤氧化的预警指标。李岸然通过PLC模块对原煤仓煤自燃危险区域进行了连续观测，结合CO浓度和烟气信号，采用惰化防火装置实现了原煤仓煤自燃预警和防治。

通过总结和分析发现国内外专家学者在煤自燃过程的特性、煤自燃过程阶段特征、煤自燃指标和煤自燃预警技术等方面进行了大量研究，取得了许多成果，为煤自燃理论及煤自燃防治工作提供了强有力的支撑。但是目前仍存在以下几个方面的问题：仍缺少适用于煤矿现场的煤自燃指标，容易自燃煤层煤自燃预警技术仍需完善。

发明内容

本发明的目的是克服上述缺陷，提供一种煤自燃预警分级方法及预警方法，适于煤矿现场预警。

本发明的技术方案：一种煤自燃预警分级方法，所述煤为容易自燃煤，所述煤自燃预警划分为六个等级，煤自燃氧化阶段，温度<30～40℃，气体指标：当O₂浓度为12％～15％时， CO<200ppm；当O₂浓度为15％～18％时，CO<100ppm；当O₂浓度为18％～20％时，CO<50ppm， (CO×100)/ΔO₂为0.3～0.4；煤自燃自热阶段，温度>40～50℃，气体指标：当O₂浓度为 12％～15％时，CO＞200ppm或者当O₂浓度为15％～18％时，CO＞100ppm或者当O₂浓度为18％～20％时，CO＞50ppm，(CO×100)/ΔO₂为0.4～0.5；煤自燃临界阶段，温度>60～70℃，气体指标：当O₂浓度为12％～15％时，CO＞200ppm或者当O₂浓度为15％～18％时，CO＞100ppm或者当O₂浓度为18％～20％时，CO＞50ppm，(CO×100)/ΔO₂为0.5～0.6；煤自燃热解阶段，温度>80～110℃，气体指标：(CO×100)/ΔO₂﹥0.6，C₂H₄﹥0；煤自燃裂变阶段，温度>130～160℃，气体指标：(CO×100)/ΔO₂﹥0.6，C₂H₄﹥0，C₂H₆/C₂H₄极大；煤自燃燃烧阶段，温度>210～350℃，出现明火或明烟。

本发明还提供了一种煤自燃预警分级方法，所述煤为容易自燃煤，所述煤自燃预警划分为六个等级，设定预警阈值为R₀，煤自燃预警阈值可以用以下的数学式来进行表示：

R₀＝{[O₂]>18％∩[CO]>50ppm}∪{[O₂]∈(15％，18％)∩[CO]>100ppm}∪{[O₂]∈(12％， 15％)∩[CO]>150ppm}∪{[O₂]<12％∩[CO]>200ppm}，

煤自燃氧化阶段，温度<30～40℃，R₁＝R₀∩{100×Δ[CO]/Δ[O₂]<0.3}；煤自燃自热阶段，温度>40～50℃，R₂＝R₀∩{0.3<100×Δ[CO]/Δ[O₂]<0.4}；煤自燃临界阶段，温度>60～70℃，R₃＝R₀∩{0.4<100×Δ[CO]/Δ[O₂]<0.5}；煤自燃热解阶段，温度>80～110℃，R₄＝R₃∩{[C₂H₄]>0}；煤自燃裂变阶段，温度>130～160℃，R₅＝R₄∩{k＝[C₂H₄]/[C₂H₆]_max}；煤自燃燃烧阶段，温度>210～350℃，R₆＝R₅∩{{[C₂H₂]>0}∩{明烟、明火}}，其中，[O₂]、[CO]、[C₂H₄]、[C₂H₂]和[C₂H₆]为气体对应的体积浓度值。

进一步的，所述煤自燃氧化阶段对应灰色预警，所述煤自燃自热阶段对应蓝色预警，所述煤自燃临界阶段对应黄色预警，所述煤自燃热解阶段对应橙色预警，所述煤自燃裂变阶段对应红色预警，所述煤自燃燃烧阶段对应黑色预警。

本发明还提供了一种煤自燃预警方法，包括：

步骤1，数据采集，数据采集器采集O₂，CO，CO₂，CH₄，C₂H₂，C₂H₄和C₂H₆浓度数据，发送到控制器；

步骤2，控制器首先根据步骤接收到的数据判断是否有C₂H₂气体，若有，且出现明火或者明烟，则发出黑色警报；若没有C₂H₂气体，执行步骤3；

步骤3，控制器判断是否有C₂H₄气体，若有，则根据前面所述的分级方法计算为R₅还是R₄，R₅则发出红色警报，R₄则发出橙色警报；若没有C₂H₄气体执行步骤4；

步骤4，控制器根据前面所述分级方法计算，气体指标结果为R₁、R₂还是R₃，R₁则发出灰色警报，R₂则发出蓝色警报，R₃则发出黄色警报。

进一步的，灰色预警采用灰色指示灯，蓝色预警采用蓝色指示灯，黄色预警采用黄色指示灯，橙色预警采用橙色指示灯，红色预警采用红色指示灯，黑色预警采用黑色指示灯，发出预警时，点亮指示灯；

其中橙色预警、红色预警和黑色预警，发出预警时点亮指示灯，并发出警报声。

进一步的，发出灰色预警时，正常推采；发出橙色预警处置时，采取快速推采、端头封堵和注氮的措施，发出红色预警时，采取主动安全封闭的措施。

所述“极大”为数值曲线的峰值，“极小”为数值曲线的谷值。

本发明优点：

1、本发明是适于煤矿现场环境的预警技术。

2、本发明预警分级根据煤自燃阶段划分，更加科学，可以更加准确的预防煤自燃情况的发生。

3、本发明采用的预警指标，可以更准确、灵敏的指示煤自燃过程，预防性更佳，预警效率更高。

4、本发明的预警分级更加细化，能够在保证生产安全可靠的同时，实现煤矿资源的最大化利用。

附图说明

图1是小风量常温恒温条件不同供风量与氧浓度关系图；

图2是小风量常温恒温条件不同供风量与CO气体浓度关系图；

图3是变风量条件CO浓度与温度关系图；

图4是变风量条件低温阶段CO浓度与温度关系图；

图5是变风量条件煤样CO₂浓度与温度关系曲线图；

图6是变风量条件不同供风量与CO气体浓度关系图；

图7为变风量条件不同供风量与氧浓度关系图；

图8为自燃发火氧化气体比值与温度关系图；

图9为程序升温氧化气体比值与温度关系图；

图10为东滩矿煤热解气体与温度关系图；

图11为东滩矿煤低温段热解气体与温度关系图；

图12为CH₄与温度关系图；

图13为C₂H₄与温度关系图；

图14为C₂H₆与温度的关系图；

图15为东滩矿煤自燃发火全过程CH₄/C₂H₆和C₂H₄/C₂H₆与煤温的关系图；

图16为CH₄/C₂H₆与煤温的关系图；

图17为C₂H₄/C₂H₆与煤温的关系图；

图18为煤自燃发火全过程气体比值与煤温关系图；

图19为O₂、CO和CO₂与煤温关系图；

图20为工作面采空区束管采样点布置示意图；

图21为大佛寺矿40110工作面90号架O₂、CO和CO₂与距工作面距离关系图；

图22为大佛寺矿40110工作面采空区70#支架测点气体及比值与工作面距离关系图，其中a为CO，b为O₂，c为CO/ΔO₂；

图23为大佛寺矿40110工作面采空区117#支架测点气体及比值与工作面距离关系图，其中a为CO，b为O₂，c为CO/ΔO₂；

图24为大佛寺矿煤样TG-DTG曲线图；

图25为煤温与时间关系曲线图；

图26为CO与煤温关系曲线图；

图27为CO₂与煤温关系曲线图；

图28为煤自燃分级预警与特征温度和阶段关系图；

图29为大佛寺矿40110工作面束管监测布点位置示意图；

图30为星村矿103综放面采空区埋管监测点布置及隐患位置示意图；

图31为密闭附近煤氧化自燃区域示意图。

具体实施方式

下面结合具体实施例，进一步阐述本发明。应理解，这些实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围。此外应理解，在阅读了本发明讲授的内容之后，本领域技术人员可以对本发明作各种修改或改动，这些等价形式同样落于本申请所附权利要求书所限定的范围。本发明研究对象为容易自燃煤。

1煤自燃预警指标优选

煤自燃气体指标漂移性好，能够真实反映煤体氧化自燃过程中各阶段的温度而被国内外广泛应用。目前常用的煤自燃气体指标主要分为氧化气体和热解气体，氧化气体主要为 CO和CO₂，与煤氧复合和煤温相关；热解气体有CH₄、C₂H₆、C₃H₈、C₂H₄和C₂H₂。在煤自燃早期预报研究中可选为煤自燃程度判定表征参数的气体浓度比值有：CO/CH₄、CO/O₂、 CO₂/CO、CH₄/C₂H₆、C₂H₄/C₂H₆，通过实验测试，结合煤矿实际情况，对各种单一指标及指标比值进行分析，确定煤自燃通用指标。

1.1煤自燃氧化气体分析

1.1.1氧气和二氧化碳气体分析

在煤自燃防治领域，CO作为煤自燃指标而被广泛采用，从煤自燃发火实验测试和煤自燃程序升温实验测试中可知，实验测试初期就存在CO气体，而从煤分子结构、煤氧复合的化学吸附和反应过程可知，常温下煤与氧发生反应生成CO气体，这与煤矿实际开采情况相符。采用程序升温实验装置，设计小风量常温恒温条件下和变风量条件下，煤氧化产生CO和CO₂气体情况。

1)小风量常温恒温条件下煤氧化产生气体分析

(1)实验条件

将原煤样(采自大佛寺矿)在空气中破碎并筛分出粒度为0～0.9mm、0.9～3mm、3～5mm、5～7mm和7～10mm的5种粒度。取每种粒度煤样各200g，组成混合煤样1kg，利用煤自燃程序升温实验装置，保持实验炉外程序升温箱温度为30℃。设计实验条件为：控制空气流量从3ml/min逐渐降到1ml/min，测试小风量条件下煤样的氧浓度与CO气体产生情况。实验过程中由于风量较小，为了保证足够的取气量，控制取气间隔时间为30min，实验测试时间为10小时。

(2)测试结果分析

①实验测试消耗O₂分析

通过在此之前的变通风量实验，得到常温下供风量越大，煤样中氧浓度越高，CO产生量越小。由于前期实验风量总体较大(30～120ml/min)，煤体中氧浓度最低达到19％左右，为了得到低氧浓度下的CO气体情况，设计了小风量实验，实验中控制风量在3～1ml/min。实验过程中氧浓度变化曲线如图1所示。

实验从3ml/min的流量开始，实验初始阶段氧浓度在17.22％。保持风量不变的情况下，经过一段时间的恒温过程，氧浓度逐渐降低，说明小风量下大佛寺煤样能够进行氧化反应，在不改变风量的条件下漏风强度保持不变，大佛寺煤氧复合作用增强，后期由于外界环境温度不变，抑制了煤氧复合作用的热量积聚，不能维持煤体的进一步升温氧化，因此耗氧逐渐稳定。随着风量从3ml/min开始降低，氧浓度逐渐下降，在1ml/min风量条件下，氧浓度稳定在14.5％左右。

在7h以后，为了进一步降低氧浓度，采取先在实验炉内以1ml/min流量供风10min，然后实验炉的进出口封堵，半小时氧化后供风1ml/min，进行取气测试，测试氧浓度最低为13.34％，表明大佛寺煤样常温13％-14％氧浓度下依然能够进行氧化。

②CO气体产生量分析

CO气体作为煤氧复合作用的产物，一定程度上能够表征煤氧化自燃的程度。通过对小风量下煤样中CO气体产生量试验，可以得到工作面正常生产期间风流中CO浓度的情况，实验曲线如图2所示。

在小风量条件下，随着供风量的降低，大佛寺煤样中CO气体浓度增加，在3ml/min风量下，CO气体浓度可达到330ppm，此时氧浓度为15.7％，经过后期封闭氧化，实验炉内氧浓度降到13.34％时，CO浓度达到476.5ppm，表明常温下大佛寺煤样小风量下能够氧化，在通风不畅的条件下，氧浓度能够降低至13.34％，同时有继续下降的趋势，CO浓度进一步上升趋势。这也表明对于大佛寺煤矿，采空区漏风量较小区域常温下能够进行氧化，局部区域在低氧浓度下CO浓度会很高。

③其它气体产生情况

CH₄和C₂H₆气体在初始阶段就存在，属于大佛寺煤样的赋存气体，CO₂气体作为氧化过程的产生气体，在降低风量过程中CO₂气体降低，说明大佛寺煤样中同样赋存有一定量的CO₂气体，因此上述气体不能单独作为大佛寺煤样自燃的指标气体。

2)变风量条件下煤氧化生成气体分析

(1)实验条件

2015年4月23日凌晨，在大佛寺煤矿采取煤样样品，2015年4月23日上午将原煤样在空气中破碎并筛分出粒度为0～0.9mm、0.9～3mm、3～5mm、5～7mm和7～10mm的5种粒度，4月23日下午开始实验测试。设计实验条件如下：

①取每种粒度煤样各200g组成混合煤样1kg，以及3～5mm粒度的1kg煤样分别装在实验炉内，将实验炉放置在程序升温箱中进行煤样的程序升温实验，实验升温过程中控制空气流量为120ml/min，通过程序升温箱的温度调节控制样品的升温速率为0.33℃/min。

②取每种粒度煤样各200g，组成混合煤样1kg，保持保持程序升温箱温度为30℃，控制空气流量从30ml/min升到120ml/min，测试30℃温度30、60、90、120ml/min四种供风量条件下煤样的气体产生情况。

(2)试验结果与分析

在程序升温实验测试过程中，产生CO气体与温度关系如图3和图4所示；CO₂气体浓度变化情况如图5所示。

实验前期(煤温小于60℃～70℃)氧化及气体产生速度较慢，后期(煤温大于100℃～110℃) 氧化及气体产生速度较快。综合分析实验结果，得到了大佛寺矿煤样在不同环境温度影响下气体变化情况。

从图3和图4可以看出，煤样在升温实验初始阶段检测到少量的CO气体，表明大佛寺矿煤样在常温下可以进行煤氧复合反应，在60℃～70℃的温度范围内煤氧复合作用开始加强，达到了氧化自燃的临界温度，表现为CO气体产生量开始明显增加，当温度大于100℃后CO 气体急剧增加，此时达到了其氧化自燃的干裂温度。总体上，在整个升温过程中CO浓度伴随着温度的升高呈指数规律增长。

从图5可以看出，实验初始阶段检测到较高浓度的CO₂气体，同时随着温度的升高而增加，60℃以前，CO₂的浓度增加缓慢，60℃以后，CO₂气体开始明显增加。在100～110℃以后，CO₂气体浓度迅速增大，说明此时煤样内已经发生了剧烈的氧化反应，煤氧复合作用强度增加。

在常温恒温条件下对大佛寺矿煤样进行变通风量实验，研究在不同风量下煤氧化风流中气体浓度情况，实验从30ml/min的供风量开始，待气体检测相对稳定后增加风量，依次增加为60、90及120ml/min，测试不同风量条件下风流中气体的变化情况。

①CO变化情况

CO气体通常作为煤自燃的指标气体，一定程度上能够表征煤氧化自燃的程度。通过对常温条件下不同供风量下煤样中CO气体产生量试验，可以得到工作面正常生产期间中风量对风流中CO浓度的影响规律，试验中CO气体的变化情况如图6所示。

实验结果表明常温下供风量越小，风流中CO浓度越高。随着供风量的增加，CO气体浓度降低，且降低速度越小。在常温状态下煤氧复合作用较弱，耗氧速率总体较低，CO气体产生量主要受风量影响，通风量越大，漏风强度越大，风流中CO浓度越低。因此，CO 气体单独作煤自燃指标气体是有一定局限性的，应考虑风量因素的影响，或者采用多指标气体预测预报煤自燃。

②O₂变化情况

在常温条件下不同供风量对大佛寺矿煤样气体情况影响的实验中，从30ml/min的供风量开始增加，逐渐增加至120ml/min，不同风量条件下风流中氧浓度的变化如图7所示。

实验结果表明常温下供风量越大，煤样中氧浓度越高。由于实验中只对供风量进行了改变，未改变风量中的氧浓度配比，因此不同供风量引起的只是单位时间内的供氧量，供风量越小，煤氧化耗氧量占总供氧量的比例越大，表现出风流中的氧浓度越低，同时漏风强度小，带走氧浓度的速度越慢；风量越大漏风强度越大，耗氧比例占总氧量越低，表现出风流中氧浓度越高。

通过小风量和变风量气体变化分析，煤低温氧化过程中CO浓度与O₂浓度负相关，大佛寺矿煤样常温恒温条件下，13％-14％氧浓度下依然能够进行氧化，煤体在常温恒温条件下与氧气接触，生成的CO气体严重影响了现场煤自燃监测工作，所以CO气体浓度必须要以 O₂浓度为基础。根据以上分析，提出可将煤正常氧化生成CO期间，将O₂浓度划分为几个浓度段，可以估算不同氧气浓度段的CO气体浓度，进一步考察在不同氧气浓度段的CO气体浓度，寻找对应关系，解决CO气体浓度作为最敏感而易测得的气体而无法准确预报煤自燃程度的问题。

3)煤自燃发火过程实验测试

经过对东滩矿和大佛寺矿两对矿井煤样自燃发火实验测试过程气体产生情况分析，CO 和CO₂气体从实验初始就存在，随着煤温升高气体浓度呈上升趋势，但是通过对比分析，单一的CO和CO₂气体不能准确反映煤体温度。

通过以上分析，CO与O₂在煤自燃过程产生气体中负相关性较好，CO和CO₂单一气体很难准确反映煤体温度。

1.1.2氧化气体比值分析

通过分析，CO和CO₂单一气体浓度很难准确反映煤体温度，煤自燃过程阶段划分中发现CO/ΔO₂比值与煤温对应关系较好，下面通过对煤自燃发火和自燃程序升温实验测试进一步研究CO₂/CO、CO/ΔO₂和CO₂/ΔO₂比值与煤温的对应关系。

1)实验测试氧化气体比值分析

从附图8和附图9可知，CO/ΔO₂与煤温对应关系良好，煤自燃程序升温测试比煤自燃发火测试中CO/ΔO₂指标更明确。

通过分析，CO/ΔO₂指标能够很好反映煤体自燃程度，可以作为煤自燃指标。

1.2煤自燃热解气体分析

煤自燃热解气体有CH₄、C₂H₆、C₃H₈、C₂H₄、C₂H₂，通过实验测试，分析各热解气体与煤温的对应关系。

根据实验测试数据分析，C₃H₈和C₂H₂气体在煤自燃发火过程低温阶段(常温至170℃) 和煤自燃程序升温实验测试(温度范围为常温至170℃)未检测出，所以不能作为煤氧化自燃指标，重点分析CH₄、C₂H₆和C₂H₄。

1.2.1煤自燃热解气体分析

(1)东滩矿煤自燃发火全过程实验测试热解气体分析

根据东滩矿煤样自燃发火全过程实验测试结果，画出了煤自燃发火全过程和低温阶段热解气体和煤温关系图，CH₄、C₂H₆和C₂H₄气体与温度关系见图10和图11。

从图10和图11可知，CH₄、C₂H₆和C₂H₄气体与煤温关系不是很明确，CH₄和C₂H₆从煤样实验测试初期就存在，C₂H₄在温度达到一定值时出现，为了进一步分析CH₄、C₂H₆和 C₂H₄气体与温度关系，利用煤自燃程序升温实验测试进行分析。

(2)煤自燃程序升温实验测试热解气体分析

根据大佛寺矿、下沟矿、泊江海子矿、色连二矿、补连塔矿5个矿煤样自燃程序升温实验数据分析，画出了CH₄、C₂H₆和C₂H₄与温度关系曲线图，见图12～图14，看图可知，CH₄和C₂H₆与煤温对应关系不明确，而5个煤样C₂H₄气体出现温度达到80～110℃时，当C₂H₄的出现标志着煤温已经达到干裂温度了。C₂H₄可以作为煤氧化自燃的指标。通过东滩矿煤样程序升温实验测试可知，C₂H₂是煤自燃达到燃点温度附近的标志性气体。

1.2.2热解气体比值分析

烷烯比作为煤自燃指标经常被现场应用，下面对CH₄/C₂H₆和C₂H₄/C₂H₆指标进行分析。根据东滩矿煤自燃发火全过程实验测试结果数据分析，画出了CH₄/C₂H₆和C₂H₄/C₂H₆与煤温的关系图，见图15，根据大佛寺矿、下沟矿、泊江海子矿、色连二矿、补连塔矿5个矿煤样自燃程序升温实验数据分析，画出了CH₄/C₂H₆和C₂H₄/C₂H₆与煤温的关系曲线，见图 16和图17。从图15～图17可知，CH₄/C₂H₆与煤温关系不明显，C₂H₄/C₂H₆与煤温的关系趋势不明显，但是通过图15可以看出对于东滩矿煤样，当温度达到140～160℃时C₂H₄/C₂H₆值极大。通过图17可知，对于大佛寺矿煤样当温度达到145～155℃时C₂H₄/C₂H₆值极大；对于下沟矿煤样当温度达到135～145℃时C₂H₄/C₂H₆值极大；对于泊江海子矿煤样当温度达到140～150℃时C₂H₄/C₂H₆值极大；对于色连二矿煤样当温度达到155～165℃时C₂H₄/C₂H₆值极大；对于补连塔矿煤样当温度达到130～140℃时C₂H₄/C₂H₆值极大。

通过东滩矿、大佛寺矿、下沟矿、泊江海子矿、色连二矿和补连塔矿煤样实验测试，分析了氧化气体和热解气体、氧化气体比值和热解气体比值与煤温的对应关系，确定了煤自燃指标为CO、O₂、CO/ΔO₂、C₂H₄、C₂H₄/C₂H₆和C₂H₂。

2容易自燃煤自燃预警指标量化

煤自燃指标的确定，为煤自燃程度判定提供了可靠的依据。根据第四章确定的CO、O₂、 CO/ΔO₂、C₂H₄、C₂H₄/C₂H₆和C₂H₂六个指标，针对容易自燃煤层，通过实验测试，结合煤矿现场试验，将实验数据与现场试验数据对接，量化煤自燃指标。

2.1实验测试数据分析

根据之前的实验测试可知，CO或者O₂不能单独作为煤自燃指标判别煤自燃程度，选取东滩煤矿和大佛寺矿工作面煤样进行煤自燃发火实验测试，分析CO与O₂的相关性，将CO浓度值以O₂浓度为基础来反映煤自燃程度重点对CO/ΔO₂指标值进行分析。

2.1.1东滩矿煤自燃发火实验测试

根据东滩矿煤自燃发火全过程气体表征参数和煤自燃特征温度，结合煤自燃过程阶段划分，划出气体比值与温度的关系曲线，如图18，确定了煤自燃指标值。

从图18可知，在35～40℃，为瓦斯脱附温度，CO₂/CO极大，CO/△O₂值小于5，55～60℃， CO/CH₄，CO/△O₂为5～10，75～80℃，CO/△O₂为10～35，105～115℃，CO/△O₂值在35附近，140～150℃，CO/△O₂值为34～60，220～240℃，CO/△O₂值大于60，CO/△O₂指标值对应特征温度及温度范围关系见表2.1。

表2.1东滩矿CO/△O₂指标值对应特征温度及温度范围关系表

2.1.2大佛寺矿煤实验测试

采用相同的分析方法，通过大佛寺矿煤自燃发火测试和煤自燃程序升温实验，对CO/△O₂指标进行量化，同时对CO和O₂值进行分析。

(1)煤自燃发火实验测试分析

煤自燃发火模拟实验自燃升温过程中，实验炉顶层取气点各种指标气体浓度与其对应的炉内最高温度有一定的对应关系。通过实验结果分析，大佛寺煤样临界温度为60～70℃，当近似工作面采空区煤体粒度分布的煤样装入实验炉内，主要由于破碎煤体导致的CO气体浓度对气体指标研究产生了一定影响。为了消除CO气体浓度在模拟实验低温氧化阶段对指标研究的影响，对其进行了数据处理，将CO起始浓度以0ppm进行处理，画出了单一气体指标与复合气体指标与煤温的关系曲线，见图19。

通过对实验炉顶层取气点自燃指标气体分析，可以看出，在煤自燃发火低温氧化阶段， CO、O₂气体浓度随着煤温的升高都有明显的变化趋势。通过对低温氧化阶段数据分析，结合采空区煤自燃指标气体特点，临界温度60～70℃，各表征参数范围见表2.2。

表2.2煤自燃发火实验临界温度CO表征参数表

(2)程序升温实验测试

根据大佛寺矿程序升温实验测试结果，CO/△O₂与煤温关系见表2.3。

表2.3大佛寺矿煤样程序升温自燃指标与温度关系表

从表2.2和表2.3可知，CO/△O₂值在临界温度60℃附近达到30左右，对应关系良好，通过表2.2可以推断，不同O₂浓度条件下CO浓度可以反映煤低温氧化程度，下面通过现场试验进一步分析量化CO与O₂正常氧化状态下的对应关系。

2.2大佛寺矿40110工作面现场试验

大佛寺煤矿为高瓦斯矿井，煤层容易自燃，近距离煤层群开采，瓦斯治理与煤自燃防治工作交织在一起，相互影响。40110工作面所采煤层为4号煤层，煤层厚度6.69～13.35m，平均厚度9.5m，预留1.5m底煤，其中割煤高度3.2m，放煤厚度平均4.8m，采放比为1:1.5。

40110工作面基本参数：工作面三巷布置(进风巷、回风巷和灌浆巷)，两进一回，回风巷和灌浆巷间煤柱30m，工作面宽约180m，长2000m～2600m，月推进速度180m～240m，回采率95％。矿井沿回采工作面倾向在50^#架、70^#架、90^#架、117^#架及回风隅角分别布置束管采样点，随着工作面的推采，每70m按上述位置重新埋设采样点，每天巡检1次。束管采样点布置如图20所示。

(1)90号架气体分析

对选取的判定煤自燃程度的表征参数进行分析，随着工作面推进，观测点指标气体，气体与表征参数曲线图如下：自2012年12月28日0点班至2012年12月17日8点班，工作面推进86米，期间90#架子测点O₂、CO、CO₂浓度变化曲线分别见图21。

通过图21可知，40110工作面在正常回采过程中，随着工作面的顺利推进，两端头漏风封堵工作的开展，新鲜风流进入采空区深部阻力增大，采空区O₂浓度逐渐下降；采空区CO气体浓度随着氧气浓度的下降而逐渐上升，上升至40ppm后逐渐下降；CO₂(在观测期间，最远距离工作面86m)随着回采的推进逐渐上升。

为了消除风量的影响，对40110工作面采空区90#支架测点(CO×100)/ΔO₂比值变化情况进行了分析。正常回采过程中，(CO×100)/ΔO₂比值随着工作面正常推进而逐渐降低。

正常回采过程中指标值如表2.4。

表2.4大佛寺煤矿40110工作面正常回采中采空区指标参考值表

(2)70号架气体分析

大佛寺煤矿自11月28日至12月19日推进93米，对气体观测数据见图22，进行了分析。

结合现场实际情况，采空区并未出现自燃现象，通过观测数据收集整理，综合分析正常回采过程中各表征参数早期预报指标值相互关系如表2.5。

表2.5 12月份正常回采中采空区指标气体异常时表征参数表

(3)117号架气体分析

117号架后气体检测见图23。结合现场实际情况，采空区并未出现自燃现象，通过观测数据收集整理，综合分析正常回采过程中各表征参数早期预报指标值相互关系如表2.6。

表2.6 3月份正常回采中采空区指标气体异常时表征参数表

2.2.1大佛寺矿40110采空区遗煤氧化指标量化分析

结合煤自燃发火实验测试研究，对比40110工作面正常回采期间一次正常数据及两次异常数据条件下采空区早期预报表征参数，见表2.7。

表2.7模拟实验、正常回采中采空区指标气体异常时表征参数对比表

通过煤自燃发火实验研究数据分析，临界温度60～70℃时，当O₂浓度为12％～15％时， CO<1400ppm，当O₂浓度为15％～18％时，CO<250ppm；同时(CO×100)/ΔO₂<1.1，说明采空区松散煤体低温氧化还未达到临界温度值，并未产生自燃现象，现场所认为的CO气体浓度高是采空区遗留的松散媒体氧化产生的。

随着工作面的推进，采空区测点处的氧气浓度总趋势为降低。随着工作面推进，采空区的氧气浓度一直持续下降，之后将维持在8％左右。在此阶段内注氮、灌浆以及主水等防灭火措施都已实施。从表2.6可以看出，CO气体作为采空区自燃指标气体是毋庸置疑的，由于CH₄在工作面正常回采期间变化趋势相似，所以不能作为煤自燃指标，而(CO×100)/CH₄、 C₂H₆/CO和(CO×100)/ΔO₂比值在采空区CO气体异常中变化明显，可作为重要的指标，配合CO指标，作为大佛寺煤矿采空区自燃多指标早期预报表征参数。

对比煤自燃发火实验自燃表征参数及现场观测数据，大佛寺煤矿40110工作面正常回采期间采空区煤温处于氧化和自热阶段。

现场试验结合实验研究，大佛寺煤矿采空区遗煤自燃早期预报指标为CO、O₂、CO/ΔO₂，正常开采条件下指标参数参考值见表2.8。

表2.8大佛寺矿正常回采中采空区煤自燃早期预报表征参数参考值表

2.2.2大佛寺矿煤自燃指标及临界值

根据煤自燃特征温度研究结果，大佛寺矿煤自燃临界温度为60～70℃，100℃左右出现少量的C₂H₄气体；根据煤自燃程序升温过程阶段气体表征分析，CO/ΔO₂与煤温对应关系；现场数据分析，验证了不同氧浓度与CO气体浓度的负相关性，确定了不同氧浓度下CO浓度的临界值，为现场生产提供了有力依据。大佛寺矿煤自燃指标及临界值见表2.9大佛寺矿煤自燃指标及临界值表。

表2.9大佛寺矿煤自燃指标及临界值表

从表2.9可知，大佛寺矿煤自燃指标及临界值根据煤自燃程序升温试验、煤自燃发火试验和煤矿现场正常回采期间的正常数据和异常数据综合研究分析而得到的。煤自燃指标主要为CO、O₂、C₂H₄、C₂H₄/C₂H₆、CO/ΔO₂和C₂H₂，通过合理组合和定量分析，确定了煤氧化自燃从氧化阶段至裂变阶段的自燃阶段条件。

2.3容易自燃煤预警气体指标

煤自燃预警是在掌握煤自燃危险性基本规律的前提下，利用煤自燃预报技术实时判断煤自燃状态，根据煤自燃发展程度，结合煤自燃规律给出不同级别的预先报警，以便在火灾形成或者扩大之前采取有效措施进行处理。借鉴重大气象灾害预警和城市突发公共事件应急预警内容，结合煤自燃特征温度和煤自燃指标，针对《煤矿安全规程》中防灭火部分提出的“临界值”、“征兆”和“火灾”，划分预警等级，确定气体指标和临界值。

2.3.1煤自燃预警等级确定

通过对煤样的热重分析、自燃发火测试和煤自燃程序升温试验，图24～图25画出了煤在自燃过程中的失重曲线、温度变化曲线和气体变化曲线。从图中可以看出，在自燃的初始阶段，化学反应速率较低，各参数的变化也较为平缓，但当氧化进行到一定程度后，化学反应速率加快，同时温度，失重速率和指标气体的变化也都相应加快，最终导致煤自燃发生。

从图26～图27还可以看出，在氧化过程中各项煤自燃参数都表现出明显的非线性特征，利用煤自燃指标与自燃阶段和特征温度的关系，准确判断煤自燃的阶段，根据不同阶段分级预警，为煤自燃的科学防治提供可靠的理论依据。

针对《煤矿安全规程》中提到的煤自燃“临界值”、“征兆”和“火灾”，根据煤自燃特征温度和阶段划分研究结果，确定将容易自燃煤自燃预警划分为六个等级，分别为灰色预警、蓝色预警、黄色预警、橙色预警、红色预警和黑色预警。煤自燃临界状态对应蓝色/黄色预警；煤自燃征兆对应橙色/红色预警；火灾对应黑色预警。预警等级对应的煤自燃阶段和温度范围见下表2.10。

表2.10容易自燃煤预警等级与阶段对应表

2.3.2煤自燃气体预警指标及临界值

根据五对矿井煤样自燃发火试验、煤自燃程序升温试验和大佛寺煤矿现场正常回采期间的正常数据和自燃发火自热期数据综合研究分析，大佛寺矿煤自燃指标为CO、O₂、C₂H₄、 CO/ΔO₂和C₂H₄/C₂H₆。

通过对大佛寺矿、下沟矿、泊江海子矿、色连二矿和补连塔矿煤自燃发火测试和煤自燃程序升温测试可知：

1)五个煤样自燃发火期相近，从19天至35天，主要为弱粘煤和长焰煤；

2)CO、O₂、C₂H₄和C₂H₆气体产生规律相同，产生量相近；

3)CO/ΔO₂值在五个煤样自燃阶段表征规律相同；

4)C₂H₄是煤自燃标志性气体，在五个煤样中出现在同一阶段温度范围；

6)C₂H₄/C₂H₆值在自燃发火和程序升温过程中规律形同；

7)五个煤样来自不同的矿井，指标排除了瓦斯、硫等因素的影响；

8)指标气体简单易测，计算方式简单。

通过以上分析，CO、O₂、C₂H₄、CO/ΔO₂和C₂H₄/C₂H₆确定为容易自燃煤自燃指标。根据容易自燃煤自燃预警分级、自燃阶段、预警指标、条件和指标参考值，结合大佛寺矿煤自燃指标临界值，确定预警等级与指标及参考值对应关系，见表2.11预警等级与煤自燃指标及参考值对应表。

表2.11预警等级与煤自燃指标及参考值对应表

2.4容易自燃煤自燃发火分级预警

为了预警指标易于数学表达和易于应用，确定预警指标的初值/阈值，进而确定各级预警的指标和临界值。

(1)预警初值/阈值

根据容易自燃煤自燃指标及临界值研究，确定预警阈值为R₀。根据容易自燃煤实验测试，结合现场试验，单一的CO气体浓度难以准确反应煤自燃程度，要充分发挥CO作为煤自燃指标气体的优势，提出将O₂浓度作为CO表征煤自燃程度的基础条件，用12％、15％和18％三个体积分数将氧气浓度划分为四个范围，通过不同氧气浓度范围内CO气体浓度的数值来反应煤体温度是可行了，煤自燃预警阈值可以用以下的数学式来进行表示：

R₀＝{[O₂]>18％∩[CO]>50ppm}∪{[O₂]∈(15％,18％)∩[CO]>100ppm}∪{[O₂]∈(12％,15％) ∩[CO]>150ppm}∪{[O₂]<12％∩[CO]>200ppm}

根据预警阈值，划分灰色预警、蓝色预警、黄色预警、橙色预警、红色预警和黑色预警，对应煤自燃阶段及预警值如下：

灰色预警(氧化阶段)：T_m<30～40℃R₁＝R₀∩{100×Δ[CO]/Δ[O₂]<0.3}，

蓝色预警(自热阶段)：T_m>40～50℃R₂＝R₀∩{0.3<100×Δ[CO]/Δ[O₂]<0.4}，

黄色预警(临界阶段)：T_m>60～70℃R₃＝R₀∩{0.4<100×Δ[CO]/Δ[O₂]<0.5}，

橙色预警(热解阶段)：T_m>80～110℃R₄＝R₃∩{[C₂H₄]>0}，

红色预警(裂变阶段)：T_m>130～160℃R₅＝R₄∩{k＝[C₂H₄]/[C₂H₆]_max}，

黑色预警(燃烧阶段)：T_m>210～350℃R₆＝R₅∩{{[C₂H₂]>0}∩{明烟、明火}}。

(2)煤自燃分级预警

根据容易自燃煤自燃预警阈值及分级指标，针对煤自燃特征温度，结合《煤矿安全规程》中煤自燃“临界值”、“征兆”和“火灾”所对应的煤自燃相关防控工作，煤自燃临界值应为临界温度值，处于自热阶段与临界阶段之间；煤自燃征兆处于热解阶段与裂变阶段之间；火灾应处于燃烧阶段。

煤自燃过程六个特征温度、七个阶段、预警分级和以上提到的煤自燃状态已经明确，画出温度与时间的关系曲线，同时标出特征温度、煤自燃过程各阶段和煤自燃状态，见下图28。

3现场应用

容易自燃煤层煤自燃分级预警随着研究工作的不断开展，逐渐在彬长矿区大佛寺煤矿、小庄煤矿、下沟煤矿和胡家河煤矿开始现场应用，同时也在星村煤矿、泊江海子矿和补连塔煤矿进行现场工业试验。通过大佛寺矿、星村矿和建新煤矿现场应用情况，进一步验证容易自燃煤层自燃分级预警的合理性和推广应用的可行性。

3.1大佛寺矿工作面煤自燃分级预警应用

(1)概况：大佛寺矿40110工作面主采4号煤，煤层平均厚度为9.5m，留底煤1.5m，割煤3.2m，采放比为1:1.5。工作面倾向为180m，走向长度为2600m，月推进度为180～240m。在架后布置束管测点进行现场试验测试，束管采样点布置示意图如图29所示。

(2)现场检测数据：2013年12月6日，通过束管监测得到一组数据如表3.1束管监测数据表。

表3.1大佛寺矿40110工作面采空区气体束管监测值表

(3)煤自燃分级预警方法分析：将数值代入分级预警阈值R₀：

R₀＝{[O2]∈(12％,15％)∩[CO]>150ppm}

{[O2]<12％∩[CO]>200ppm})

R₁＝R₀∩{100×Δ[CO]/Δ[O₂]<0.3}

根据分级预警临界值判断为灰色预警，根据灰色预警采取正常推采。经过10天的跟踪监测，工作面CO气体数据降低，看似异常的CO气体为采空区遗煤氧化产生。

3.2星村矿工作面煤自燃分级预警应用

(1)概况：星村103首采综放面平均煤厚7.26m，倾角为16～25°，平均21°；工作面采高2.3m，放煤高度4.96m，采放比2.16。工作面面长144m，走向长度350m。工作面切眼于10月26日贯通，至第二年1月20日，轨顺推进18m、运顺推进10m；至2月18日，轨顺推进67m，运顺推进46m。工作面监测点位置见表3.2，附图30。

表3.2监测点具体位置

(2)现场数据观测

通过现场监测点检测工作面采空区气体，整理如表3.3。

表3.3星村矿103工作面气体检测数据表

(3)煤自燃分级预警方法分析

从表3.3可知，序号1～7的数据中CO/ΔO₂最高为1.7，达到了橙色预警级。

橙色预警(热解)：Tm>80～110℃ R4＝R3∩{[C₂H₄]>0}

橙色预警处置：快速推采+端头封堵+注氮，推进度4.5m/d，推采36m。

对序号为15～17的数据分析可知，C2H4/C2H6达到极大值，判定为红色预警红色预警(裂变)：Tm>130～160℃ R5＝R4∩{k＝[C₂H₄]/[C₂H₆]max}

红色预警采取措施：主动安全封闭。

3.3建新矿密闭煤氧化自燃分级预警应用

(1)概况：2018年2月12日，4204运顺皮带侧闭墙CO达到40ppm，通风队立即安排瓦检员前往查看，约16:30汇报CO、CH₄等气体均无异常，随后21:00左右检测CO最高达600ppm，2月13日13:00检测CO为800ppm。4202回顺密闭墙右侧切顶处有明显漏风现象，CO最高为350ppm，观测孔内CO浓度最高达260ppm。煤自燃指标气体异常密闭位置见图31。

(2)现场检测数据

根据现场情况，CO气体的大量出现，从2018年2月初就加强了观测，其中用色谱进行了一次检测，数据如下：

表3.4闭墙气体浓度情况表

(3)煤自燃分级预警方法应用

数据显示，CO气体浓度达到28864ppm，C₂H₄气体达到19ppm

判定为橙色预警(热解)：T_m>80～110℃

R₄＝R₃∩{[C₂H₄]>0}

(4)采取措施：根据煤自燃预警指标判断建新矿4202回顺及4204运顺密闭附近高温煤体已经超过110℃，必须第一时间采取措施对高温区域进行降温处理，经对现有防灭火技术分析研究，结合现场实际情况，决定采用胶体防灭火技术。利用胶体防灭火技术，首先处理4204运顺和4202回顺外侧密闭，采用一次成孔钻具进行钻孔施工，通过钻孔压注高分子胶体灭火剂进行降温和裂隙封堵；其次对4204运顺密闭内的空间进行充填，通过钻孔压注高分子胶体灭火剂充分包裹4204运顺密闭内的高温煤体，封堵降温，彻底消除高温区域；最后对密闭和松散煤体做进一步加固。

自2018年2月27日开始，建新矿采用胶体防灭火技术对密闭周围高温区域进行封堵降温，同时对联通区域进行注胶充填，于3月20日，施工结束，4204运顺和4202回顺外侧密闭CO气体降为0，高温彻底消除。

Claims (3)

1.一种煤自燃预警方法，其特征在于，包括：

步骤1：将煤自燃预警划分为六个等级，煤自燃氧化阶段，温度<30～40℃，气体指标：当[O₂]浓度为12％～15％时，[CO]<200ppm；当[O₂]浓度为15％～18％时，[CO]<100ppm；当[O₂]浓度为18％～20％时，[CO]<50ppm，([CO]×100)/Δ[O₂]为0.3～0.4；

煤自燃自热阶段，温度>40～50℃，气体指标：当[O₂]浓度为12％～15％时，[CO]＞200ppm或者当[O₂]浓度为15％～18％时，[CO]＞100ppm或者当[O₂]浓度为18％～20％时，[CO]＞50ppm，([CO]×100)/Δ[O₂]为0.4～0.5；

煤自燃临界阶段，温度>60～70℃，气体指标：当[O₂]浓度为12％～15％时，[CO]＞200ppm或者当[O₂]浓度为15％～18％时，[CO]＞100ppm或者当[O₂]浓度为18％～20％时，[CO]＞50ppm，([CO]×100)/Δ[O₂]为0.5～0.6；

煤自燃热解阶段，温度>80～110℃，气体指标：([CO]×100)/Δ[O₂]﹥0.6，[C₂H₄]﹥0；

煤自燃裂变阶段，温度>130～160℃，气体指标：([CO]×100)/Δ[O₂]﹥0.6，[C₂H₄]﹥0，{[C₂H₄]/[C₂H₆]}极大；

煤自燃燃烧阶段，温度>210～350℃，出现明火或明烟；

步骤2：设定预警阈值为R₀，煤自燃预警阈值可以用以下的数学式来进行表示：

R₀＝{[O₂]>18％∩[CO]>50ppm}∪{[O₂]∈(15％，18％)∩[CO]>100ppm}∪{[O₂]∈(12％，15％)∩[CO]>150ppm}∪{[O₂]<12％∩[CO]>200ppm}，

煤自燃氧化阶段，温度<30～40℃，R₁＝R₀∩{100×Δ[CO]/Δ[O₂]<0.3}；

煤自燃自热阶段，温度>40～50℃，R₂＝R₀∩{0.3<100×Δ[CO]/Δ[O₂]<0.4}；

煤自燃临界阶段，温度>60～70℃，R₃＝R₀∩{0.4<100×Δ[CO]/Δ[O₂]<0.5}；

煤自燃热解阶段，温度>80～110℃，R₄＝R₃∩{[C₂H₄]>0}；

煤自燃裂变阶段，温度>130～160℃，R₅＝R₄∩{[C₂H₄]/[C₂H₆]}_max}；

煤自燃燃烧阶段，温度>210～350℃，R₆＝R₅∩{{[C₂H₂]>0}∩{明烟、明火}}，其中，[O₂]为氧气浓度，单位为％，[CO]、[C₂H₄]、[C₂H₂]和[C₂H₆]为气体对应的体积浓度值，单位为ppm，Δ[O₂]为氧气浓度减少量，单位为％，数值为新鲜风流中的氧气浓度值，默认为21％，减去某点的氧气浓度值，Δ[CO]为一氧化碳浓度增量，数值为某点的一氧化碳浓度值减去基础量，默认基础量为0，单位为ppm；

步骤3：煤自燃氧化阶段对应灰色预警，所述煤自燃自热阶段对应蓝色预警，所述煤自燃临界阶段对应黄色预警，所述煤自燃热解阶段对应橙色预警，所述煤自燃裂变阶段对应红色预警，所述煤自燃燃烧阶段对应黑色预警；

步骤4，数据采集，数据采集器采集O₂，CO，CO₂，CH₄，C₂H₂，C₂H₄和C₂H₆浓度数据，发送到控制器；

步骤5，控制器首先根据步骤4接收到的数据判断是否有C₂H₂气体，若有，且出现明火或者明烟，则发出黑色警报；若没有C₂H₂气体，执行步骤6；

步骤6，控制器判断是否有C₂H₄气体，若有，则根据步骤1和2所述的分级方法计算为R₅还是R₄，R₅则发出红色警报，R₄则发出橙色警报；若没有C₂H₄气体执行步骤7；

步骤7，控制器根据步骤1和2所述分级方法计算，气体指标结果为R₁、R₂还是R₃，R₁则发出灰色警报，R₂则发出蓝色警报，R₃则发出黄色警报。

2.根据权利要求1所述的预警方法，其特征在于：灰色预警采用灰色指示灯，蓝色预警采用蓝色指示灯，黄色预警采用黄色指示灯，橙色预警采用橙色指示灯，红色预警采用红色指示灯，黑色预警采用黑色指示灯，发出预警时，点亮指示灯；

其中橙色预警、红色预警和黑色预警，发出预警时点亮指示灯，并发出警报声。

3.根据权利要求1所述煤自燃预警方法，其特征在于：发出灰色预警时，正常推采；发出橙色预警时，采取快速推采、端头封堵和注氮的措施，发出红色预警时，采取主动安全封闭的措施，发出黑色预警时，人员尽快撤离。

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