基于TDLAS的采空区煤自燃临界氧气体积分数与“三带”测定研究

景长宝，沈建廷

（陕西长武亭南煤业有限责任公司，陕西 咸阳 713602）

煤自燃会生成如CO2、CO、C2H4、C2H2等标志气体[1-4]，标志气体能反映煤低温氧化和燃烧的程度，随着煤温的升高，各标志气体的生成量会发生明显变化，因此，在早期可利用标志气体的体积分数变化规律进行预测预报。

针对采空区自燃“三带”的研究，国内外不少学者利用CFD技术对采空区煤自燃“三带”进行模拟研究。李宗翔[5]为划分自燃“三带”，建立了采空区漏风相关的渗流方程及氧浓度的扩散方程；黄伯轩基于火灾气体的流动规律，针对采空区火源点位置，构建了专门的数学模型[6]；马成军等[7]对自燃“三带”的划分指标进行了更新，增加了浮煤厚度和煤氧化的散热量。随着科学技术的发展，红外遥感、地质雷达探测等手段[8-10]被广泛用到煤自燃“三带”判定。定性而言，“三带”是客观存在的，但如何去精确地划分其范围，是一个非常复杂的问题。为此，以亭南煤矿4号煤层302工作面采空区为研究对象，该煤层属于I类易自燃煤层，通过程序升温实验，对煤自燃标志气体特征及下限氧气体积分数进行研究，利用分布式激光检测气体系统对采空区气体进行实时动态检测，分析采空区自燃“三带”变化规律，较全面、系统地掌握高瓦斯易自燃厚煤层综放开采期间煤层自然发火规律，从而确定了综放工作面采空区煤自然发火“三带”范围。

1 实验部分

煤质指标见表1。煤炭低温氧化程序升温实验装置如图1。

表1 煤质指标Table 1 Coal quality index

图1 煤炭低温氧化程序升温实验装置Fig.1 Experimental device for low-temperature oxidation of coal

在不同O2体积分数下进行程序升温实验，确定抑制煤自燃的最大O2体积分数。根据现场经验，煤自然发火下限O2体积分数都小于10%。实验以1%为间隔，供氧体积分数由10%依次减小，分别为21%（空气）、10%、9%、8%和7%。

煤样取自亭南煤矿302工作面辅运巷，实验前，将块状煤外壳去掉，取心粉碎，选取粒径为0～<1、1～<3、3～<5、5～10 mm的4种煤样共计1 200 g，真空密封保存。为反映不同粒径对煤自燃的影响，选取4种粒径质量比为1∶1∶1∶1的混合煤样来进行测试。具体实验条件见表2。

表2 实验条件Table 2 Experimental conditions

2 采空区自燃“三带”测试方案

激光检测气体系统所基于的理论是不同的分子原子对不同波长光的吸收性差异。常用的“三带”监测方法有气相色谱法、激光气体监测法、光纤测温法等，气相色谱结合束管抽测，是相对传统的监测方法，而利用激光气体检测技术，可实现对采空区的气体在线检测。

工作面采空区自燃“三带”测点布置方案示意图如图2。采空区中部布置2个测点，上隅角和下隅角各设1个测点，由于是实时监测，数据较多，仅选取部分具有代表性的参数进行分析。

图2 302工作面采空区自燃“三带”测点布置方案示意图Fig.2 Schematic diagram of the layout plan of the“three belts”measuring point for spontaneous combustion in the goaf of the 302 face

3 测试结果

3.1 标志气体特征

不同供氧条件气体产生量曲线如图3。在空气条件，随煤温的升高，CO产生量近似指数型增加；煤温在100℃以前，O2体积分数7.0%、8.0%、9.0%和10.0%条件下CO产生量与空气条件下几乎一致，煤温在100℃以后，CO产生量随O2体积分数的降低逐渐平稳。

图3 不同供氧条件气体产生量曲线Fig.3 Gas production curves under different oxygen supply conditions

煤快速氧化的一个重要特征是C2H4的出现。由图3（b）可以看出，煤温在150℃以后，C2H4产生量快速增加，相对于空气供氧条件下，低氧下C2H4产生量斜率较小。且首次检测到C2H4的温度延迟了10℃左右，C2H4产生量随O2体积分数的增加逐渐升高。

3.2 下限O2体积分数

由阿伦尼乌斯方程，任意温度耗氧速率与反应速率为：

通过对式（1）处理得到ln Cout与1/T的关系为：

式中：S为煤样罐的底面积，m2；L为煤样罐的高度，m；k为单位换算系数，22.4×109；vg为气体流速，m3/s；Cout为煤样罐出口的CO体积分数，10-6。

对亭南煤矿4号煤层在不同温度下CO体积分数进行计算拟合，得到的不同O2体积分数ln Cout与1/T的关系（图略），ln Cout与1/T斜率发生突变点对应的温度为临界温度。得到亭南煤矿4号煤层不同O2体积分数（21.0%、10.0%、9.0%、8.0%、7.0%）发生变化的1/T分别为0.002 792、0.002 716、0.002 680、0.002 644、0.002 610，对应的温度为85、95、100、105、115℃。

临界温度随O2体积分数的变化趋势如图4，不同供氧条件下煤样动力学参数见表3。

图4 临界温度随O2体积分数的变化趋势Fig.4 Variation trend of temperature with oxygen concentration

表3 不同供氧条件下煤样动力学参数Table 3 Kinetic parameters of coal samples under different oxygen supply conditions

临界温度随O2体积分数的减小而增大。在不同条件下，O2体积分数7.0%下自燃临界温度最高，比空气氛围高出30℃，比O2体积分数8.0%下高出10℃，说明O2体积分数为7.0%时，煤加速氧化阶段难发生。在快速氧化阶段，O2体积分数大于9.0%时，斜率绝对值几乎不变，活化能为70 kJ/mol左右；O2体积分数为8.0%和7.0%时，斜率绝对值分别增加1 058、502，活化能分别增加8 799、4 175 J/mol。因此，亭南煤矿4号煤层自燃临界O2体积分数为8.0%。

3.3 实测气体特征

根据以上实验结果，亭南4号煤层采空区自燃“三带”划分依据为：①散热带：O2体积分数＞18%；②氧化带：18%≥O2体积分数≥8%；③窒息带：O2体积分数＜8%。

进回风侧O2体积分数随埋深变化曲线如图5。亭南煤矿302工作面进回风侧O2体积分数随测点距工作面距离的增加而减少；在回风侧，28 m时O2体积分数为18.0%，105 m时O2体积分数下降至8.0%；而在进风侧，测点距工作面距离为115 m时O2体积分数首次降到18%，测点距工作面距离为208 m时O2体积分数下降到8.0%。

图5 进回风侧O2体积分数随测点距工作面距离变化曲线Fig.5 Change curves of O2 concentration on the inlet and return air side with the distance between measuring point and working face

进回风侧CO体积分数随测点距工作面距离变化曲线如图6。在回风侧，采空区CO体积分数随测点距工作面距离增加呈现波动性变化。测点距工作面距离约12 m时CO体积分数约为6×10-6；当测点距工作面距离在70～100 m之间，CO体积分数达到最大值174×10-6，此时O2体积分数为13%左右，表明此时漏风速度适宜，CO产生量增加。随后CO体积分数逐渐降低，测点距工作面距离为110 m时O2体积分数为6.5%，CO体积分数为56×10-6；进风侧具有相似的规律，但CO体积分数较小。

图6 进回风侧CO体积分数随测点距工作面距离变化曲线Fig.6 Change curves of CO concentration on the inlet and return wind the distance between measuring point and working face

进回风侧φ（CO）/φ（CO2）比值随测点距工作面距离变化曲线如图7。在进风侧，随测点距工作面距离的增加，φ（CO）/φ（CO2）比值呈现周期性上下波动；而在回风侧先增加后减少，在测点距工作面距离约75 m时达到极大值，处于氧化带，氧化反应剧烈，随着采空区的进一步深入，逐渐进入窒息带，φ（CO）/φ（CO2）比值降低。

图7 进回风侧φ（CO）/φ（CO2）比值随测点距工作面距离变化曲线Fig.7 Change curves of CO/CO2 ratio on the inlet and return air side with the distance between measuring point and working face

进回风侧CH4体积分数随测点距工作面距离变化曲线如图8。因亭南煤矿为高瓦斯矿井，采空区CH4体积分数较高，CH4体积分数随着测点距工作面距离的增加而增大，进回风侧CH4最高体积分数分别为39.526%、52.096%，且大部分为游离瓦斯，极小部分由氧化反应产生。

图8 进回风侧CH 4体积分数随测点距工作面距离变化曲线Fig.8 Change curves of CH 4 concentration on the inlet and return air side with the distance between measuring point and working face

3.4 采空区自燃“三带”划分

为得到亭南煤矿302工作面采空区“三带”特征，统计了4个相关采空区“三带”数据作对比研究，采空区“三带”对比分析见表4。

表4 采空区“三带”对比分析Table 4 Comparative analysis of the“three belts”in the goaf

亭南煤矿302工作面采空区“三带”具体为：进风侧散热带、氧化升温带、窒息带分别为0～115 m、115～210 m、大于210 m；回风侧散热带、氧化升温带、窒息带分别为0～28、28～105、大于105 m。另外，通过对比1#～4#采空区“三带”数据，发现在进风侧302工作面采空区散热带宽度大于1#～4#，回风侧较小，进回风侧氧化升温带最大宽度较小，“三带”整体向采空区深部移动，主要因为采空区遗煤和邻近煤层解吸出来的CH4气体冲淡了O2体积分数。

4 结 语

1）通过分析亭南煤矿4号煤层自燃过程中气体产生规律及在不同O2体积分数下的煤自燃特性，得到亭南煤矿4号煤层下限O2体积分数为8.0%。

2）采用现场测试方法，利用O2体积分数划分了采空区自燃“三带”，得到亭南煤矿302采空区进风侧氧化带较宽，最大宽度为95 m，距工作面下隅角较远。回风侧较窄，为77 m，距工作面上隅较近，且进风侧的氧化带宽度大于回风侧；

3）通过对比1#～4#采空区“三带”数据，发现在进风侧302工作面采空区散热带宽度大于1#～4#，而回风侧宽度较小，进回风侧氧化带最大宽度均小于1#～4#，“三带”整体向采空区深部移动。