陳紹杰，高 亮，李東明

(華北科技學(xué)院安全工程學(xué)院，北京東燕郊 101601)

0 引言

煤炭自燃是制約煤礦高產(chǎn)高效安全生產(chǎn)的重大災(zāi)害之一，因煤炭自燃引起的火災(zāi)占煤礦火災(zāi)的90%以上，采空區(qū)則是煤炭自燃火災(zāi)的主要發(fā)生地點［1－2］。采空區(qū)煤炭自燃是一個極其復(fù)雜的動態(tài)變化過程，影響因素多［3］。煤炭自燃標(biāo)志性氣體是指火災(zāi)生成物中獨有的、能夠表征生成量與相應(yīng)溫度、并能進行預(yù)測預(yù)報火災(zāi)的氣體。根據(jù)標(biāo)志性氣體變化規(guī)律推斷煤的自熱溫度，是目前煤自燃預(yù)測預(yù)報應(yīng)用最廣泛的方法［4－6］。科學(xué)合理的確定煤自燃標(biāo)志性氣體對礦井的防滅火預(yù)測預(yù)報工作至關(guān)重要。

佳瑞礦主采15#煤層，15101工作面為一采區(qū)首采綜放工作面，地質(zhì)條件簡單。工作面的傾向長度150 m，走向可采長度450 m。煤層平均厚度6.62 m，煤層傾角2°～15°，工作面采高2.6 m，距上部14#煤層平均間距7.29 m，推進速度2.4 m/ d。工作面采用雙U型通風(fēng)系統(tǒng)(兩進兩回)，采用高抽巷抽放、高位孔抽放和插管密閉抽放治理采空區(qū)瓦斯。佳瑞礦14#煤層和15#煤層自燃傾向性鑒定均為“Ⅱ級”，為自燃煤層。該礦周邊礦井15#煤層曾發(fā)生過煤炭自燃［7－8］。15#煤層采用輕型放頂煤采煤法，較近的層間距使得14#煤會冒落至15#煤層采空區(qū)，采空區(qū)遺煤是14#煤和15#煤的混合體。鑒于此，本文綜合分析了佳瑞礦14#煤和15#煤自燃特性，并進行了對比分析，確定了采空區(qū)煤炭自燃標(biāo)志性氣體。

1 程序升溫實驗

1.1 煤樣采取及制備

煤樣采自佳瑞煤礦新暴露的14#和15#煤層表面，采樣后立即放入塑料袋中并加以密封，運至實驗室。將煤樣在空氣中破碎，并將破碎煤樣篩分，不同粒度混合煤樣200g作為實驗樣品。實驗用煤樣均是原采取的煤樣，除粒度差別外，其他與采空區(qū)遺煤在物理化學(xué)性質(zhì)方面比較接近，因此實驗結(jié)果與實際情況較相符。

1.2 實驗裝置

煤氧化模擬實驗系統(tǒng)是由預(yù)熱氣路系統(tǒng)、傳熱煤樣罐、程序控溫箱、氣體采集及氣體分析系統(tǒng)、多路數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)組成［9－10］。預(yù)熱氣路系統(tǒng)可以向煤樣罐提供經(jīng)過預(yù)熱的干空氣;程序控溫箱為不銹鋼內(nèi)膽，外加石棉保護層，能夠?qū)崿F(xiàn)恒溫、跟蹤升溫或者程序升溫;煤樣罐為圓柱形純銅材質(zhì)，內(nèi)置鉑絲溫度探頭。測試時煤樣罐放置在可程序升溫的恒溫箱中，恒定流量干燥空氣從煤樣罐進氣管進入，在出口處利用氣象色譜儀測定生成氣體濃度。在兩個直徑9.5 cm，長25 cm的鋼管中，分別裝入煤樣200 g左右，在上下兩端分別留有2 cm左右的自由空間(采用100目鋼絲網(wǎng)托住煤樣)，然后置于程序升溫箱內(nèi)以一定升溫速度加熱，并送入定量預(yù)熱空氣，然后測定分析煤樣溫度和生成氣體成分。程序升溫實驗裝置示意圖如圖1所示。

圖1 程序升溫實驗裝置示意圖

1.3 實驗過程

將制備好的實驗煤樣裝入煤樣罐，煤樣罐放入加熱爐，煤樣罐上有空氣進氣管，空氣氣流量由流量計控制，煤樣罐有出氣管，流出的氣體由集氣裝置進行收集，然后注入氣相色譜儀進行分析。煤樣罐幾何中心布置有溫度傳感器，以測試煤樣的核心溫度，恒溫箱內(nèi)部布置溫度傳感器，以測試環(huán)境溫度。實驗的溫度范圍為30℃到200℃左右，進氣流量為60 ml/min。實驗開始時以1℃/ min的速度將煤溫升高15℃，然后保持煤溫恒定5 min左右后，再以約1℃/min的速度將煤溫升高15℃，然后保持煤溫恒定5 min左右，依次類推。

2 實驗結(jié)果

煤的自然發(fā)火經(jīng)歷三個不同的發(fā)展階段，即緩慢氧化發(fā)展階段、加速氧化階段和激烈氧化階段。煤炭氧化和熱解過程中會產(chǎn)生多種氣體，氣體的成分和濃度與煤溫有較好的對應(yīng)關(guān)系，因而可用作預(yù)報煤炭自燃的標(biāo)志性氣體［11－12］。煤自燃氣體產(chǎn)物是由煤層在井下環(huán)境條件下由于其自燃而釋放出來的氣體。主要包括兩部分，一部分由于煤自身氧化產(chǎn)生的氣體產(chǎn)物，即煤自燃氧化氣體;另一部分是成煤過程中吸附在其孔隙內(nèi)的氣體，由于煤體溫度升高而解吸出來的，稱煤吸附氣體，主要成份是CH4和CO2。

2.1 CO氣體產(chǎn)生規(guī)律

實驗中測得的CO是煤與氧發(fā)生氧化反應(yīng)的產(chǎn)物，CO的生成量隨溫度的變化曲線如圖2所示。由圖可知，CO氣體基本貫穿整個氧化過程的始終，14#煤、15#煤CO生成規(guī)律基本一致。在常溫下(30℃)就有CO出現(xiàn)，在30℃左右，兩組煤樣均檢測到CO生成，生成量約33.19～66.89 ppm。煤溫在85℃以前，CO濃度增加比較緩慢，這一低溫氧化階段，物理吸附占有主導(dǎo)地位，氧化緩慢。煤溫從85℃開始，CO濃度增加表現(xiàn)出快速增長的趨勢，且溫度越高氧化越快，CO的增加速率也越大。CO生成量均隨著煤溫的升高單調(diào)遞增，基本符合指數(shù)關(guān)系;相同溫度條件下15#煤CO的生成量大。

圖2 煤樣升溫氧化過程CO濃度隨溫度變化曲線

2.2 烯烴氣體產(chǎn)生規(guī)律

煤自燃氧化氣體中烯烴氣體組份有C2H4和C3H6，本次試驗溫度范圍內(nèi)無C3H6氣體生成，C2H4的生成量隨溫度的變化曲線如圖3所示。由圖可知，15#煤生成 C2H4氣體的臨界溫度為185℃，初始生成量為1.3ppm;14#煤生成C2H4氣體的臨界溫度為175℃，初始生成量為2.7 ppm。之后隨著煤溫的升高，14#煤的C2H4氣體生成量增長較快。

圖3 煤樣升溫氧化過程C2H4濃度隨溫度變化曲線

2.3 烷烴氣體產(chǎn)生規(guī)律

煤自燃氧化氣體中烷烴氣體組份有CH4和C2H6等，包括氧化生成和吸附兩部分，CH4的生成量隨溫度的變化曲線如圖4所示，C2H6的生成量隨溫度的變化曲線如圖5所示。由圖4可知，兩組煤樣CH4氣體的生成量基本隨著溫度升高而增大;相同溫度，14#煤的CH4氣體生成量最大，CH4氣體主要是吸附氣體，常壓(1個大氣壓，約0.1 MPa)下煤樣的CH4殘存量，從另一方面驗證了14#煤的瓦斯吸附性能強于15#煤，導(dǎo)致其生成量較大;從實驗初始溫度開始，兩組組煤樣均有CH4氣體生成，14#煤、15煤的初始CH4氣體生成量分別為30.48 ppm(35℃)和2.45 ppm(30℃)。由圖5可知，14#煤自實驗溫度開始即有C2H6的氣體生成，15#煤自145℃才開始有C2H6氣體生成;14#煤、15#煤的初始C2H6氣體生成量分別為2.27 ppm(35℃)、1.18 ppm(145℃)。兩組煤樣的升溫氧化過程C2H4濃度隨溫度變化曲線差異明顯，僅僅采用15#煤的程序升溫實驗選擇自燃預(yù)測預(yù)報標(biāo)志性氣體可能導(dǎo)致誤判。

圖4 煤樣升溫氧化過程CH4濃度隨溫度變化曲線

圖5 煤樣升溫氧化過程C2H6濃度隨溫度變化曲線

3 煤炭自燃標(biāo)志性氣體選擇

準(zhǔn)確地選擇標(biāo)志氣體是進行煤炭自燃早期預(yù)報的前提。標(biāo)志氣體的選擇要遵循以下幾個原則:靈敏性、規(guī)律性、可測性、唯一性、單調(diào)變化性等。通過分析程序升溫實驗數(shù)據(jù)，14#和15#煤層混合煤樣在30℃到200℃溫度范圍的氧化過程中有規(guī)律的出現(xiàn)CO、C2H6、CH4、C2H6等氣體，實驗溫度范圍內(nèi)無C2H2、C3H8等氣體體產(chǎn)生，說明檢測到這兩種氣體時，煤的氧化已經(jīng)進入激烈氧化階段或完全燃燒階段。CO、CH4三種氣體均在30℃時開始出現(xiàn)，CO氣體產(chǎn)物生成量隨煤溫的升高基本呈指數(shù)上升趨勢。當(dāng)檢測到CO時，說明采空區(qū)內(nèi)的煤火溫度至少達到30℃ ～85℃; CO的生成量在低溫氧化階段較小，煤溫達到臨界溫度T1(85℃)之后其生成量迅速增加，這說明該溫度下煤已經(jīng)開始迅速氧化，物理吸附已經(jīng)越來越弱而化學(xué)吸附和化學(xué)反應(yīng)則占據(jù)了主要位置。CH4隨著煤溫的升高先增加后減小，這是由于煤樣中吸附的瓦斯在加熱情況下釋放出來，隨著溫度的升高和時間的延長，釋放量將逐漸減小。C2H4在175℃ ～185℃時出現(xiàn)，初始濃度不大，但隨溫度升高，上升速率較快。

使用CO、C2H4及C2H2三個采空區(qū)煤炭自燃標(biāo)志性氣體指標(biāo)，將采空區(qū)自燃為三個階段:(1) CO指標(biāo)氣體是煤體自燃早期預(yù)測預(yù)報的良好指標(biāo)，礦井風(fēng)流中出現(xiàn)ppm級CO，煤體處于緩慢氧化階段，溫度在30℃～85℃;(2)CO生產(chǎn)量持續(xù)增大或檢測到ppm級C2H4時，煤體處于加速氧化階段，此時煤體溫度達175℃;(3)出現(xiàn)ppm級C2H2時，此時溫度至少大于200℃，煤體處于激烈氧化階段，即將出現(xiàn)明火。應(yīng)用這三個指標(biāo)，不僅可預(yù)測火災(zāi)，而且還可判別其階段，據(jù)此而采取不同的防滅火技術(shù)措施。

4 結(jié)論

在對比分析佳瑞礦14#煤和15#煤程序升溫實驗的基礎(chǔ)上，確定了CO、C2H4和C2H2為采空區(qū)煤炭自燃標(biāo)志性氣體。CO指標(biāo)氣體是煤炭自燃早期預(yù)測預(yù)報的指標(biāo)，C2H4出現(xiàn)表明煤溫度已達175℃，煤體處于加速氧化階段;C2H2出現(xiàn)表面煤溫已達200℃以上，進入激烈氧化階段。由于煤炭自燃標(biāo)志性氣體是基于實驗室一定實驗條件下選擇確定的，井下條件復(fù)雜多變，應(yīng)結(jié)合現(xiàn)場實際及時修正調(diào)整煤炭自燃標(biāo)志性氣體，并積極探索其他自燃預(yù)測指標(biāo)。佳瑞礦開采的15#煤層上部存在近距離煤層，增加了采空區(qū)自然發(fā)火的危險性，應(yīng)采取符合現(xiàn)場實際條件的綜合防滅火措施，保障礦井安全高效生產(chǎn)。

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