李全貴 范 濤 何朋飛 左燦輝 張海永

(河南省新鄭煤電有限責(zé)任公司，河南 新鄭 451100)

0 引言

井下煤自燃會(huì)產(chǎn)生一些如CO、CO2、C2H6、C2H4等標(biāo)志性氣體[1-3]，這些標(biāo)志氣體能反映煤低溫氧化和燃燒的程度。隨著煤溫的升高，各標(biāo)志氣體的生成量會(huì)發(fā)生顯著變化。因此，可以在早期利用標(biāo)志氣體的濃度變化規(guī)律進(jìn)行煤自然發(fā)火預(yù)測。國內(nèi)學(xué)者也就CO標(biāo)志氣體進(jìn)行了研究。馬炳輝等[4]通過煤的自然發(fā)火模擬試驗(yàn)定性及定量分析了不同煤種的煤樣氧化氣體產(chǎn)物，認(rèn)為CO是各煤種在“緩慢氧化—加速氧化”過程中必選的標(biāo)志氣體之一。譚波等[5]分析3種煤樣的氣體指標(biāo)在各階段的變化特征，建立煤自燃?xì)怏w指標(biāo)與溫度階段區(qū)間的關(guān)系。這些研究為煤炭自燃防治提供技術(shù)支撐[6-7]。

趙家寨煤礦是由鄭煤集團(tuán)控股的股份制企業(yè)，礦井設(shè)計(jì)生產(chǎn)能力300萬噸/年，主采山西組二1煤，井田面積約49km2，剩余可采儲(chǔ)量1.91億噸，剩余服務(wù)年限45年。礦井為煤與瓦斯突出礦井，礦井瓦斯絕對涌出量12.03m3/min，相對涌出量1.95m3/t。煤層平均厚度5.5m，經(jīng)煤科總院重慶分院鑒定，礦井主采的二1煤層自燃傾向性等級(jí)為Ⅲ類，屬不易自燃煤層，煤層最短自燃發(fā)火期為152天。但由于該礦為高地溫礦井，煤層起始溫度高，煤自然發(fā)火期會(huì)縮短，開采強(qiáng)度增加，工作面配風(fēng)量大，導(dǎo)致漏風(fēng)強(qiáng)度變大，采空區(qū)自燃危險(xiǎn)區(qū)域范圍增大；地溫越高，煤體的原始溫度越高，煤的耗氧速度和放熱強(qiáng)度越高，煤體的氧化放熱性越強(qiáng)，即地溫的作用增強(qiáng)了煤體的氧化放熱性能，且影響指標(biāo)性氣體的優(yōu)選，因此在生產(chǎn)過程中，趙家寨煤礦曾經(jīng)發(fā)生過煤自燃現(xiàn)象。為保證礦井安全高效生產(chǎn)，提高煤自然發(fā)火防治工作水平，亟需對趙家寨煤礦二1煤層優(yōu)選煤自然發(fā)火標(biāo)志氣體，確定分級(jí)預(yù)警指標(biāo)，為煤炭自燃防治提供有力技術(shù)支撐。

1 實(shí)驗(yàn)與方法

采用程序升溫試驗(yàn)裝置獲得煤自然發(fā)火標(biāo)志氣體與溫度關(guān)系，從而按照行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)優(yōu)選煤自然發(fā)火標(biāo)志氣體。程序升溫試驗(yàn)裝置是由中國礦業(yè)大學(xué)(北京)火災(zāi)防治實(shí)驗(yàn)室研制的煤低溫氧化試驗(yàn)系統(tǒng)，如圖1。該系統(tǒng)主要由預(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)等組成。

1-壓力泵；2-三通；3-壓力表；4-穩(wěn)壓閥；5-減壓閥；6-除塵器；7-進(jìn)氣混合倉；8-煤樣罐；9-隔熱層；10-程序控溫箱；11-氣體預(yù)熱銅管；12-加熱器；13-風(fēng)扇；14-出氣過濾室圖1 程序升溫試驗(yàn)裝置結(jié)構(gòu)圖Fig.1 Structure diagram of temperature-programmed test device

1.1 煤樣的制備

煤樣取自河南新鄭趙家寨煤礦5個(gè)不同的區(qū)域，分別是：12206下付巷、12206中回風(fēng)聯(lián)巷、12206上回風(fēng)聯(lián)巷、12205工作面、12209工作面。從暴露的新鮮煤壁采樣，現(xiàn)場密封后運(yùn)回實(shí)驗(yàn)室。利用粉碎機(jī)將煤樣粉碎，為反映不同粒徑對煤自燃的影響，利用篩子人工將煤樣分選為0～1、1～3、3～5、5～10mm 4種粒徑，并按1:1:1:1均勻混合，取200g。

1.2 實(shí)驗(yàn)步驟

(1)將制備好的煤樣約200g放入煤樣罐中，把煤樣罐置于程序控溫箱內(nèi)，向其中通入預(yù)熱空氣，設(shè)置程序升溫加熱煤樣，升溫速率為1℃/min，從環(huán)境溫度30℃升至200℃。

(2)溫度每升高10℃，用氣相色譜分析儀測定煤樣罐中的氣體成分及濃度，同時(shí)記錄時(shí)間和溫度。

2 結(jié)果與分析

因?yàn)槎?煤層含有原始吸附的CH4氣體并且吸附有CO2氣體，所以CH4、CO2氣體不作為煤層自然發(fā)火標(biāo)志氣體[6]。

2.1 CO和CO/CO2氣體產(chǎn)生規(guī)律

圖2為上述5組煤樣CO氣體濃度隨煤溫變化規(guī)律。由圖2可知，在30℃情況下，5組煤樣都存在CO氣體但含量很少。其中12205和12209工作面的CO氣體體積分?jǐn)?shù)分別為1.0677×10-6、5.3574×10-6；在100℃之前，CO產(chǎn)生量在緩慢增加；此時(shí)煤樣處于緩慢氧化階段；在100～170℃時(shí)，5組煤樣CO產(chǎn)生量都飛躍式增加，此時(shí)煤進(jìn)入劇烈氧化階段，會(huì)產(chǎn)生大量的CO；故CO氣體產(chǎn)生規(guī)律能較準(zhǔn)確反映煤自燃階段特征，可以作為二1煤層自然發(fā)火標(biāo)志氣體。由圖3可知，5組煤樣CO/CO2值隨著煤溫的升高逐漸呈線性增加，總體趨勢與CO基本相同，故CO/CO2值可作為二1煤層自燃發(fā)火復(fù)合指標(biāo)。

圖2 CO氣體濃度隨煤溫變化趨勢圖Fig.2 The trend of CO gas concentration with coal temperature

圖3 CO/CO2值隨煤溫變化趨勢圖Fig.3 Trend graph of CO/CO2 value with coal temperature

2.2 C xH y產(chǎn)生規(guī)律

2.2.1 C2H4氣體產(chǎn)生規(guī)律

圖4為5組煤樣C2H4濃度隨溫度的變化規(guī)律。從圖4可知，C2H4氣體開始出現(xiàn)的溫度為170℃左右，并且5組煤樣C2H4濃度隨溫度變化趨勢一致，該結(jié)果與其他典型煤樣自燃C2H4出現(xiàn)溫度(120℃)差別較大，其中12205和12209工作面實(shí)驗(yàn)煤樣C2H4體積分?jǐn)?shù)分別為3.991 2×10-6、2.882 5×10-6，其產(chǎn)生量隨煤溫升高呈線性增加，含量相對CO較低。200℃時(shí)，12205和12209工作面實(shí)驗(yàn)煤樣的C2H4體積分?jǐn)?shù)為30.192 8×10-6、21.030 7×10-6，因此，C2H4氣體可以作為二1煤層自然發(fā)火輔助指標(biāo)。當(dāng)井下檢測到C2H4氣體時(shí)，說明溫度已超170℃，煤已經(jīng)發(fā)生劇烈的氧化反應(yīng)。

圖4 C2H4氣體濃度隨煤溫變化趨勢圖Fig.4 The trend of C2H4 gas concentration with coal temperature

2.2.2 C2H6氣體產(chǎn)生規(guī)律

圖5為5組煤樣C2H6濃度隨溫度的變化規(guī)律。從圖5可知，C2H6氣體開始出現(xiàn)的溫度為170℃左右，并且5組煤樣C2H4濃度隨溫度變化趨勢一致，其產(chǎn)生量隨煤溫升高呈線性增加，但含量相對較低；同樣地，C2H6氣體可以作為二1煤層自然發(fā)火輔助指標(biāo)，一旦井下檢測到C2H6氣體，說明煤已經(jīng)發(fā)生劇烈的氧化反應(yīng)。

圖5 C2H6氣體濃度隨煤溫變化趨勢圖Fig.5 The trend of C2H6 gas concentration with coal temperature

2.3 煤自燃分級(jí)預(yù)警表及防控措施

根據(jù)前面程序升溫實(shí)驗(yàn)結(jié)果，結(jié)合現(xiàn)場實(shí)際情況，得到煤層應(yīng)該首選CO作為其煤自然發(fā)火主要標(biāo)志氣體，而C2H4和C2H6氣體出現(xiàn)時(shí)，進(jìn)入高溫階段，CO/CO2作為其煤自然發(fā)火主要復(fù)合指標(biāo)，并以C2H4和C2H6作為輔助指標(biāo)，按照以上變化特征，將煤自燃低溫氧化過程劃分為4個(gè)階段，定義為4級(jí)預(yù)警體系，用4種顏色表示，分別為綠色、黃色、橙色、紅色，見下表。并針對這4個(gè)階段，提出對應(yīng)防控措施。

表 煤自燃分級(jí)預(yù)警表Tab. Classification warning table for coal spontaneous combustion

綠色預(yù)警時(shí)主要加強(qiáng)監(jiān)測監(jiān)控，增加氣體樣品的采集率；采用預(yù)防性的防治煤自燃的措施如注漿、注氮、堵漏，加快推進(jìn)速度等常規(guī)較易實(shí)施的防滅火技術(shù)措施。

黃色警報(bào)主要加強(qiáng)監(jiān)測監(jiān)控，應(yīng)該從束管監(jiān)測、人工檢測、人工取樣同時(shí)進(jìn)行；對現(xiàn)場漏風(fēng)情況進(jìn)行分析與測量，初步判斷火災(zāi)發(fā)生原因與發(fā)展情況；除了采取加強(qiáng)常規(guī)滅火技術(shù)措施外，有技術(shù)力量可以采取均壓防滅火方案，針對著火區(qū)域大量注漿、膠體、惰性氣體和三相泡沫等防滅火材料，并實(shí)時(shí)監(jiān)測監(jiān)控火區(qū)影響范圍內(nèi)氣體、氣溫、水溫等參數(shù)，做好封閉火區(qū)準(zhǔn)備。

紅色預(yù)警時(shí)選擇正確位置，建立密閉、封閉火區(qū)，打鉆探測火區(qū)，并打鉆進(jìn)行區(qū)域性防滅火。

3 結(jié)論

(1)實(shí)驗(yàn)過程中，5組耗氧速率隨溫度的升高而增加。在70℃之前，耗氧速率緩慢升高；在70℃之后，耗氧快速升高。因此二1煤層的臨界溫度位于70～80℃范圍，干裂溫度位于140～170℃范圍。

(2)CO可作為二1煤層自然發(fā)火指標(biāo)性氣體，CO/CO2可作為二1煤層自然發(fā)火復(fù)合指標(biāo)，并輔以C2H4和C2H6來掌握煤炭自燃情況。在30℃左右出現(xiàn)CO氣體，說明趙家寨二1煤層在低溫情況就發(fā)生氧化反應(yīng)；C2H4和C2H6濃度都較小，一旦井下檢測到，表明煤的溫度已超過170℃，煤已進(jìn)入加速氧化階段。

(3)根據(jù)程序升溫實(shí)驗(yàn)結(jié)果，結(jié)合現(xiàn)場實(shí)際情況，從溫度入手，按照標(biāo)志氣體變化特征，將煤自燃低溫氧化過程劃分為4個(gè)階段，建立了煤自燃分級(jí)預(yù)警表，并提出了各級(jí)煤炭自燃防控措施，為趙家寨煤礦二1煤層自燃預(yù)測預(yù)報(bào)提供有力技術(shù)基礎(chǔ)支撐。