陳芳

摘要：煤炭開采過程中受煤層伴生CO氣體的影響，煤層極易自燃且存在煤層自然監(jiān)測(cè)和預(yù)報(bào)難度大的問題。本文采用試驗(yàn)?zāi)M的研究方法對(duì)寧夏寧東礦區(qū)煤層發(fā)火特性進(jìn)行研究，確定了氣體指標(biāo)的選擇、煤層自燃發(fā)火判定參數(shù)及其與煤溫的關(guān)系，找出了在礦井開采條件下靈敏度較高的指標(biāo)氣體及其對(duì)應(yīng)的特征溫度，明確了礦區(qū)煤自然氧化升溫過程中的自燃特性參數(shù)，這對(duì)建立和完善寧東礦區(qū)煤層自燃監(jiān)測(cè)預(yù)報(bào)及預(yù)報(bào)技術(shù)體系具有重要意義。

Abstract： Coal mining process is affected by the associated CO gas in the coal seam. The coal seam is easy to spontaneous combustion and the difficult problem for coal seam is natural monitoring and prediction. In this paper， the characteristics of the coal seam ignition in Ningdong mining area of Ningxia are studied by the method of experimental simulation. The selection of gas index， the determination parameters of spontaneous combustion and the relation with the coal temperature are determined， and the index gas with high sensitivity and its corresponding characteristic temperature under the condition of mine mining is found out. The spontaneous combustion characteristic parameters of coal spontaneous combustion in the east mining area of Ningxia are specified，which has a great significance to establish and improve the monitoring and forecasting technology system for spontaneous combustion of coal seam in Ningdong mining area.

關(guān)鍵詞：煤層；自燃；氣體指標(biāo)；發(fā)火特性

Key words： coal seam；spontaneous combustion；gas index；ignition characteristics

中圖分類號(hào)：TD752 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1006-4311（2018）29-0088-03

1 概述

煤自燃是在常溫常壓下，煤與空氣中的氧自發(fā)反應(yīng)升溫的過程。寧夏寧東礦區(qū)煤質(zhì)屬低硫、低灰、特低磷、較高發(fā)熱量、高化學(xué)反應(yīng)性，容易自然，煤層最短發(fā)火周期21天。綜采（放）工作面在正?；夭蛇^程中，采空區(qū)、上隅角、回風(fēng)流都會(huì)出現(xiàn)CO超限，其值在15～70ppm之間變化。由于技術(shù)裝備水平所限，對(duì)CO產(chǎn)生機(jī)理及自燃威脅程度掌握不清。本文試圖通過試驗(yàn)研究的方法探索煤層自燃發(fā)火的規(guī)律及其重要影響參數(shù)，為自燃發(fā)火預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)提供依據(jù)和技術(shù)支持，確保安全生產(chǎn)。

2 煤自燃特性試驗(yàn)

2.1 試驗(yàn)裝置

為了科學(xué)、合理、有效的模擬煤自燃的整個(gè)過程，本試驗(yàn)采用XKIII型煤自燃發(fā)火模擬試驗(yàn)平臺(tái)，操作過程中充分考慮了各個(gè)重要環(huán)節(jié)和影響因素。該實(shí)驗(yàn)臺(tái)由爐體、氣路及控制檢測(cè)三部分組成。氣樣數(shù)據(jù)采集采用人工采集法。每天人工取樣進(jìn)行色譜分析預(yù)報(bào)一次，分析參數(shù)為分析參數(shù)為O2、N2、CO、CO2、CH4、C2H6、C2H4、C2H2。

2.2 試驗(yàn)條件

試驗(yàn)的煤樣粒度、質(zhì)量、頻度及其試驗(yàn)條件如表1-表2所示。

2.3 試驗(yàn)過程

試驗(yàn)周期為16天，起始日期：2017年12月5日，結(jié)束日期：2017年12月20日。試驗(yàn)爐內(nèi)溫度從31.2℃逐漸上升至169.9℃，溫度升幅達(dá)130℃，根據(jù)煤自燃發(fā)火情況，除去停電、降溫等因素影響，試驗(yàn)結(jié)果表明試驗(yàn)煤樣自然發(fā)火周期為實(shí)際實(shí)驗(yàn)自燃發(fā)火期為16天。綜合分析煤層賦存地區(qū)地質(zhì)條件、圍巖溫度等因素，計(jì)算可知煤樣實(shí)驗(yàn)自燃發(fā)火期為19天。

2.4 試驗(yàn)結(jié)果分析

2.4.1 溫度數(shù)據(jù)分析

最高溫度點(diǎn)溫度與供風(fēng)時(shí)間的關(guān)系如圖1，中心軸各測(cè)點(diǎn)溫度分布與供風(fēng)時(shí)間關(guān)系見圖2。

從圖1-圖4分析可以得出以下結(jié)論：

①整個(gè)實(shí)驗(yàn)過程中變化比較明顯的時(shí)間節(jié)點(diǎn)有三個(gè)，分別是第9天、第16天和第16.7天。持續(xù)供風(fēng)在9天以前，煤樣升溫較慢；9天之后煤樣溫度升溫開始變快，達(dá)到其臨界溫度（62.5℃）；在16天、16.7天時(shí)，分別出現(xiàn)兩次加速升溫過程，于此同時(shí)達(dá)到干裂溫度（121.1℃）和裂變溫度（150℃）。

②實(shí)驗(yàn)前期爐內(nèi)中心軸這一核心區(qū)域溫度升的快，當(dāng)煤體溫度高于79.7℃時(shí)，伴隨著耗氧量增加，高溫點(diǎn)逐漸向供氧充分、空隙大的爐邊緣轉(zhuǎn)移。

③隨著煤體溫度的升高，在正常供風(fēng)條件下，煤體升溫逐漸加快。當(dāng)煤溫低于臨界溫度時(shí)，適當(dāng)增加供風(fēng)量，顯示煤體升溫速度下降。而當(dāng)煤溫超過121.2℃后，增加供風(fēng)量，高溫點(diǎn)溫度則會(huì)迅速上升。

井下工作面大量的實(shí)例表明，一旦采空區(qū)出現(xiàn)自燃發(fā)火征兆時(shí)，增加工作面供風(fēng)量能夠使著火時(shí)間縮短，而減小風(fēng)量，自燃會(huì)受到抑制。

④當(dāng)煤體溫度過了121.2℃時(shí)，煤體升溫加快，平均升溫幅度超過16.8℃/天。當(dāng)煤溫過了169.9℃時(shí)，煤體升溫速度極速上升，在供風(fēng)充足的前提下，在24小時(shí)的時(shí)間內(nèi)煤體溫度就可以可超過燃點(diǎn)。

⑤實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，高溫火區(qū)煤體窒息熄滅的氧濃度在2～3%以下。從實(shí)驗(yàn)結(jié)果來看，煤溫超過110℃后，盡管爐內(nèi)下側(cè)的溫度較高，在氧濃度低于2%區(qū)域煤體溫度變化幅度不大，當(dāng)氧氣濃度位于4～5%這一區(qū)間時(shí)，煤溫出現(xiàn)上升趨勢(shì)。

2.4.2 氣體數(shù)據(jù)分析

自然升溫過程中，實(shí)驗(yàn)爐頂層取氣點(diǎn)各種指標(biāo)氣體濃度及其對(duì)應(yīng)的爐內(nèi)最高的溫度見圖4，煤樣自然升溫過程中各種指標(biāo)氣體比值及其對(duì)應(yīng)的爐內(nèi)最高溫度見圖5。

①有機(jī)氣體出現(xiàn)溫度。

煤樣在升溫氧化過程中，C2H6和C2H4在升溫初始階段就氧化產(chǎn)生少量氣體，而當(dāng)煤溫達(dá)到50℃左右時(shí)，C2H6 和C2H4逐漸減少至消失，說明C2H6和C2H4脫附完成。

②一氧化碳濃度與溫度的關(guān)系。

在煤自燃的整個(gè)過程中，相對(duì)靈敏的一氧化碳作為一種指標(biāo)氣體，當(dāng)煤層自身溫度出現(xiàn)升高時(shí)，一氧化碳就會(huì)溢出，一氧化碳的溢出量伴隨著溫度呈現(xiàn)指數(shù)規(guī)律遞增。

③二氧化碳/一氧化碳。

CO2/CO數(shù)值在實(shí)驗(yàn)初期就存在，并且其伴隨著溫度上升過程CO2/CO數(shù)值也逐漸增長(zhǎng)，當(dāng)溫度在48.9℃時(shí)，CO2/CO值到峰值；伴隨溫度持續(xù)的增加，當(dāng)溫度在57.7℃時(shí)，CO2/CO值逐步降至最低點(diǎn)后進(jìn)而出現(xiàn)升高的趨勢(shì)。

④鏈烷比。

鏈烷比作為研究指標(biāo)氣體濃度和溫度之間相互關(guān)系的參考標(biāo)準(zhǔn)，該標(biāo)準(zhǔn)可以精準(zhǔn)的指導(dǎo)我們?nèi)ヅ袛鄬?shí)驗(yàn)結(jié)果，從而避免一些其他因素的影響。在煤樣自然溫度升高的開始便出現(xiàn)C2H4氣體，其烷烯比（C2H4/C2H6）隨溫度的升高而逐漸上升。

3 試驗(yàn)結(jié)論

綜合上述分析可以得出以下結(jié)論：

①寧夏鴛鴦湖礦區(qū)煤樣實(shí)際自燃發(fā)火期為16天，根據(jù)該礦區(qū)井下實(shí)際圍巖溫度為25℃計(jì)算該礦煤樣實(shí)驗(yàn)自燃發(fā)火期為18天。

②實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，隨著煤體溫度逐漸升高，煤體氧化放熱強(qiáng)度、一氧化碳產(chǎn)生率、耗氧速度和升溫速度呈現(xiàn)增加的趨勢(shì)。

③根據(jù)實(shí)驗(yàn)中各類氣體指標(biāo)、對(duì)應(yīng)比值、溫度變化率與溫度的相互關(guān)系，可將鴛鴦湖礦區(qū)煤從常溫逐步升高至170℃的過程分成5個(gè)階段，以更好的指導(dǎo)對(duì)煤層自燃程度進(jìn)行預(yù)報(bào)。

④氣體分析結(jié)果表明，氣體指標(biāo)可以有效的體現(xiàn)出該地區(qū)的煤體的溫度特征，以及煤分子在整個(gè)自然升溫過程中變化情況。

⑤煤自燃過程中，產(chǎn)生的熱量q0（t）位于qmax和qmin之間，說明在實(shí)驗(yàn)過程中，符合最大最小放熱量關(guān)系。

4 防滅火建議

①正常生產(chǎn)情況下，利用束管監(jiān)測(cè)系統(tǒng)每班至少對(duì)采空區(qū)、上隅角、回風(fēng)流等各測(cè)點(diǎn)采集氣樣，進(jìn)行色譜分析一次，異常情況下每班至少兩次，分析參數(shù)為O2、N2、CO、CO2、CH4、C2H6、C2H4、C2H2，分析結(jié)果每天必須送礦長(zhǎng)、總工程師審閱，出現(xiàn)異常必須立即采取措施處理。

②工作面每班必須設(shè)專職瓦斯檢查員開展人工檢測(cè)預(yù)報(bào)工作，檢測(cè)參數(shù)為O2、CO、CO2、CH4和溫度。工作面上隅角必須設(shè)置CO監(jiān)測(cè)傳感器和O2報(bào)警儀。

③嚴(yán)格按工作面設(shè)計(jì)風(fēng)量配風(fēng)，防止風(fēng)量過大向采空區(qū)供氧。

④定期對(duì)采空區(qū)氣體檢測(cè)。采空區(qū)預(yù)埋檢測(cè)管采用￠50塑料管，內(nèi)置￠6束管，埋入采空區(qū)90m、60m、30m、10m，每班人工對(duì)預(yù)埋管內(nèi)氣體檢測(cè)一次，檢測(cè)內(nèi)容為CO、O2。各檢測(cè)管內(nèi)CO超過100ppm進(jìn)行取樣分析。

⑤通風(fēng)隊(duì)要安排專人定期觀測(cè)地表塌陷和裂縫情況，對(duì)出現(xiàn)的裂縫要及時(shí)充填，杜絕地表裂隙造成采空區(qū)漏風(fēng)。

參考文獻(xiàn)：

[1]高志才.極易自燃煤層綜放面采空區(qū)自然發(fā)火預(yù)測(cè)技術(shù)研究[D].西安科技大學(xué)，2009.

[2]張丹，付棟.煤層自然發(fā)火指標(biāo)性氣體及防治措施研究[J].山東煤炭科技，2018（2）：91-93.

[3]姚紀(jì)凱，王凱，蔣上榮.杭來灣煤礦3^#煤層自燃極限參數(shù)的實(shí)驗(yàn)研究[J].陜西煤炭，2018（1）：1-4.

[4]文虎，張博，馬威.棗泉礦2#煤層自然發(fā)火特性實(shí)驗(yàn)研究[J].煤炭工程，2010，1（7）.

[5]武丕儉，張景鋼，康懷宇.煤層自然發(fā)火指標(biāo)氣體的選擇實(shí)驗(yàn)分析研究[J].華北科技學(xué)院學(xué)報(bào)，2010，07（4）：25-29.