0 引 言
黄陇侏罗纪煤田位于陕甘宁盆地延长油田的南缘，是14个国家大型煤炭基地之一。煤田内黄土沟壑发育，地质及开采条件复杂，绝大多数矿井为高瓦斯矿井，回采工作面瓦斯涌出量普遍高于30 m3/min，最大瓦斯涌出量超过90 m3/min，掘进工作面瓦斯涌出量一般为10～15 m3/min，最大瓦斯涌出量高达27.13 m3/min，具有瓦斯含量低、绝对涌出量较大、涌出时间和地点随机性强的特点[1]。黄陇侏罗纪煤田煤系地层存在不规则富集的含油层，使得煤层顶板和底板砂岩层尤其是砂岩透镜体中富含油型气[2-3]。采掘扰动致使围岩的力学性质发生改变，造成围岩裂隙发育，当裂隙导通采场空间与油型气透镜体、瓦斯富集区，油型气在采掘空间与瓦斯混合，使得涌出瓦斯中含有大量油型气[4-5]。油型气的组分以CH4、C2H6、C3H8、C4H10、C5H12、N2等为主[6]，当与瓦斯混合后，混合气体的爆炸极限降低，最大爆炸压力增加，爆炸破坏性增强[7-8]，造成黄陇矿区瓦斯-油型气混合气体灾害防控难度较大。
在油型气防治技术方面，张兰军等[9]研究了油型气涌入采空区后对瓦斯爆炸特性的影响规律，提出了以瓦斯抽采为主的混合气体防治技术；封华等[10]通过对瓦斯含量进行理论计算和实测，得出了瓦斯爆炸极限的变化趋势；贾宝山等[11]认为采空区遗煤氧化过程中标志性伴生气体具有促进瓦斯爆炸的作用；张立志等[12]分析了黄陵二号煤矿巷道油型气气样，得出了C2H6和C3H8是对CH4爆炸极限产生影响的主要参数；陈冬冬[13]提出了多因素耦合条件下煤油气共生矿井围岩气区域综合预测技术；唐恩贤[14]建立了区域治理和局部治理相结合的瓦斯油型气综合治理措施体系。
瓦斯-油型气混合气体是由煤层瓦斯和围岩油型气组成的复合气体，具有煤层瓦斯含量低、涌出量大、涌出时间和地点随机性强，防控难度大等特点，尤其对于矿井采空区中下部覆岩垮落破碎与遗煤混合的区域，遗煤自然发火成为混合气体爆炸的重要导火索。通过研究瓦斯-油型气混合气体组分、爆炸危险性变化规律，提出该特殊地质条件下的瓦斯-油型气混合气体爆炸预警技术，保障矿井安全生产。
1 瓦斯-油型气混合气体组分特征
黄陇矿区含油型气矿井煤系地层存在4个含油层，位于侏罗系直罗组、延安组、富县组及三叠系的延长组4套地层内。各含油层含油连续性差，多为透镜状，有倾之消失的特点，最大含油饱和度为35%，平均含油砂岩的孔隙率为15%，平均渗透率为10×10-3 μm2，属低产油、低渗透油层，达不到工业油流条件。黄陇矿区的油型气分布具有明显的区域性，表现在钻孔岩心有油渗、油斑、油臭；在不同地点，原油与气体含量也不同。油砂岩原油为沥青质、水与正构烷烃碳氢化合物C11H22-C36H76，正构烷烃气体分布基本上呈正态分布，峰值为C21H42；含有少量异构烷烃。瓦斯-油型气组分见表1。
表1 黄陇矿区瓦斯-油型气组分
Table 1 Composition of gas-oil in Huanglong Mining Area
样本编号采样地点气体体积分数/%CH4C2H6C3H8异C4H10正C4H10异C5H12正C5H12N2CO21下石节1230大巷1号点13.836.0324.8511.5420.377.506.09——2下石节1230大巷2号点14.863.1327.7610.6422.999.807.35—3.393下石节1230大巷3号点58.056.6719.284.115.821.090.961.741.864杏树坪29号钻孔86.050.926.441.482.590.430.321.300.455陈家山轨四下山67.007.003.120.3890.282————
由表1可知，油型气主要为饱和碳氢化合物的烷烃类，各组分之间的比例关系及所含浓度随时间和地点变化而不同，同一矿井的不同采样点油型气组分、含量均不同，差异明显。与普通矿井瓦斯组分相比，含油型气矿井瓦斯-油型气混合气体中CH4降低到13%～67%，C2H6和C3H8体积分数升高到10%～30%，各向异性明显，如图1所示。
图1 矿井瓦斯-油型气混合气体组分对比
Fig.1 Comparison of gas-oil composition in coal mine
2 瓦斯-油型气混合气体爆炸危险性分析
2.1 混合气体爆炸极限数学测算
瓦斯-油型气混合气体爆炸是以CH4为主的多元可燃性气体爆炸，当混合较高比例的烷烃类气体组分时，根据各可燃气体的爆炸极限公式，计算得出多组分可燃性气体混合物的爆炸极限[15]为
(1)
式中：Lm为混合气体的爆炸极限，%；Li为混合气体第i组分的爆炸极限，%；Vi为第i组分在混合气体中的体积分数，%；n为组分总数量。
表2为各种气体在常温常压下的爆炸极限，根据表1实测的样本气体组分，通过式(1)计算出各样本的瓦斯-油型气混合气体爆炸极限见表3。
表2 气体爆炸极限
Table 2 Limits of gas explosion
气体体积分数/%爆炸下限爆炸上限CH45.015.0C2H63.212.4C3H82.49.5异C4H101.88.4正C4H101.98.4异C5H121.37.8正C5H121.47.8
表3 黄陇矿区瓦斯-油型气混合气体爆炸极限
Table 3 Limit of gas-oil explosion in Huanglong coalfield
样本编号体积分数/%爆炸下限爆炸上限12.139.4322.089.3133.3612.1844.2813.9054.5114.30
由表3可知，样本5(陈家山矿轨四下山)的CH4含量最大，其爆炸上下限均较大，样本2(下石节1230大巷2号点)的CH4含量最小，其爆炸上下限均较小。因此，烷烃类气体增加，使得混合气体爆炸范围降低为1.85%～9.85%。
2.2 多组分气体爆炸试验
通过10 L密封的球形爆炸反应器研究瓦斯-油型气混合气体爆炸范围变化规律，球形爆炸试验装置如图2所示。
图2 球形气体爆炸试验装置
Fig.2 Spherical experimental device of gas explosion
采用分压法配制多组分混合气体，首先用真空泵抽出爆炸罐内气体，使其内部处于负压状态；其次根据道尔顿分压定律计算各组分气体需要的压力，采用配气装置按浓度由小到大的顺序依次递增控制进气，反应罐内压力达到常压后，密封反应器。配气结束30 s后进行点火试验，共进行2组试验，2次配气后测得气体组分见表4。
表4 爆炸试验气体组分
Table 4 Gas composition of explosion experiment
组分体积分数/%试验1试验2CH415.1014.90C2H65.054.96C3H824.7025.70异C4H1017.7017.30正C4H1017.3017.30异C5H127.527.41正C5H127.537.39CO25.074.98空气0.030
在室温20 ℃、填充压力为0.15 MPa的条件下，测试混合气体爆炸极限，试验结果见表5。由表5可知，试验结果与数学测算出的爆炸极限基本相同。与普通矿井相比，含油型气矿井的瓦斯-油型气混合气体爆炸范围由5%～15%降低为1.85%～9.85%，如图3所示。因此，瓦斯-油型气混合气体更易发生爆炸事故。
图3 瓦斯-油型气混合气体爆炸范围对比
Fig.3 Comparison of gas-oil explosion range
2.3 瓦斯-油型气混合气体爆炸危险度判定
爆炸危险度是用来表征可燃气体或蒸气的爆炸危险性，其计算公式如下[16]：
Ha=(L2-L1)/L1
(2)
式中：Ha为可燃气体或蒸气的爆炸危险度；L1为可燃气体或蒸气的爆炸体积分数下限，%；L2为可燃气体或蒸气的爆炸体积分数上限，%。
分别计算出普通矿井瓦斯及黄陇矿区瓦斯-油型气混合气体的爆炸危险度为2和4.32。因此，含油型气矿井的混合气体爆炸危险度是普通矿井2.15倍。
3 瓦斯-油型气混合气体爆炸预警技术
3.1 预警指标
根据气体爆炸三要素理论，从控制瓦斯浓度及火源的角度预防瓦斯-油型气混合气体爆炸事故，提出了基于CH4浓度和采空区煤自燃联合防控的瓦斯-油型气混合气体爆炸预警指标体系。
1)CH4浓度。《煤矿安全规程》规定了矿井回风巷CH4的最大允许体积分数不超过1%。黄陇矿区瓦斯混合气体的爆炸下限约为1.9%，利用比例法计算得出含油型气矿井回风巷CH4的预警体积分数为0.38%(CH4的爆炸下限按5%计算)。
2)煤自燃监测指标。遗煤自然发火是采空区中重要的火源，通过监测煤自燃气体指标，可有效预防灾害的发生。对黄陇矿区煤样进行煤自燃氧化升温试验，得出温度与气体浓度的关系曲线如图4所示。CO作为主要的指标气体，其出现时煤温约50 ℃，在100～140 ℃时CO产生量迅速增加再急剧减小，超过140 ℃后又迅速增加，将出现CO作为煤炭自燃进入蓄热氧化阶段的监测指标；C2H6出现的温度约为40 ℃，C2H4出现的温度比较高，在100 ℃左右，两者均随着温度升高气体浓度逐渐增大，将φ(C2H4)/φ(C2H6)作为煤炭自燃进入加速氧化阶段的监测指标。因此，得出了煤自燃监测指标为CO为主要监测指标，φ(C2H4)/φ(C2H6)作为辅助指标，其随温度变化曲线如图5所示。
图4 气体浓度随煤温变化曲线
Fig.4 Change curves of gas concentration with coal temperature
图5 指标气体随煤温变化曲线
Fig.5 Change curves of index gas with coal temperature
3.2 预警系统
设计了瓦斯-油型气混合气体爆炸预警系统，系统操作流程如图6所示。
图6 瓦斯-油型气混合气体爆炸预警系统流程
Fig.6 Flow chart of early warning system of gas-oil explosion
1)步骤1：采用气相色谱分析仪对采空区的气体组分进行分析，将气体分析结果及回风巷、上隅角CH4传感器监测数据传输给监测数据库。
2)步骤2：从监测数据库中提取相应的CH4浓度、CO浓度、C2H4浓度、C2H6浓度等预警指标的监测数据，判断是否达到预警条件，若监测数据在安全范围内，则返回步骤1，开始下一时间点的监测任务，否则执行步骤3。
3)步骤3：将监测数据传输到专家系统，由专家系统提供接警后灾害防控指导意见，将不达标监测数据、专家指导意见显示在监控主机上，同时启动传输信号到声光报警器，发动声光报警信号。
4)步骤4：人工接警后，通过主控键盘中止报警，并返回步骤1，开始下一时间点的监测任务。
4 结 论
1)分析了黄陇矿区瓦斯-油型气混合气体组分特性，得出了含油型气矿井瓦斯混合气体是由煤层瓦斯和围岩油型气组成的复合气体，CH4体积分数降至13%～67%，C2H6和C3H8体积分数增加到10%～30%。
2)采用可燃性混合气体爆炸极限测算方法以及10 L球形多组分气体爆炸试验，研究了瓦斯-油型气混合气体爆炸范围变化规律，烷烃类气体增加，使得混合气体爆炸范围降低为1.85%～9.85%，混合气体爆炸危险度升高到4.32，高于普通矿井2.15倍。
3)提出了基于CH4浓度和采空区煤自燃联合防控的瓦斯-油型气混合气体爆炸预警技术，确定了黄陇矿区工作面回风巷CH4的预警体积分数为0.38%，基于煤自燃氧化升温试验得出了煤自燃监测指标为CO、φ(C2H4)/φ(C2H6)，设计了采空区瓦斯混合气体爆炸预警系统，为瓦斯-油型气混合气体爆炸灾害防控提供了依据。
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