余國猛

(江蘇徐礦能源股份有限公司江蘇礦業(yè)西川煤礦，江蘇 徐州 221131)

0 引言

目前，我國礦井煤炭開采呈現(xiàn)出埋藏深、地下溫度高的特點(diǎn)，極為容易產(chǎn)生煤自燃災(zāi)害，控制煤自燃的方式仍以預(yù)防為主[1-3]。煤炭在自燃時(shí)，由于煤氧反應(yīng)會(huì)產(chǎn)生如CO、CO2、C2H4、C2H6等標(biāo)志性氧化產(chǎn)物和烴類氣體[4-6]，這些標(biāo)志氣體的物化性質(zhì)可以反映煤低溫氧化和燃燒的程度，故選擇關(guān)鍵的預(yù)防煤自然發(fā)火指標(biāo)氣體至關(guān)重要[7-8]，找到臨界氣體濃度所對(duì)應(yīng)的溫度是礦井火災(zāi)防治煤自燃災(zāi)害發(fā)生的有效手段之一[9]。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[10]，通過對(duì)氣體的收集可以有效避免自燃災(zāi)害的發(fā)生。

西川煤礦開采煤層為4號(hào)煤層，煤層結(jié)構(gòu)簡單，整體情況為小型向斜構(gòu)造，工作面中部位于向斜底部。經(jīng)鑒定，4號(hào)煤層自燃傾向性為Ⅰ類容易自燃煤層，煤體存在低溫易氧化等特點(diǎn)，采用試驗(yàn)研究煤體的升溫氧化研究、工作面現(xiàn)場監(jiān)測數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析確定臨界溫度和可以表征自然發(fā)火的標(biāo)志氣體。為做好工作面低溫氧化的內(nèi)因火災(zāi)防治工作，西川煤礦采用灌漿注氮等綜合防滅火措施，同時(shí)需加強(qiáng)束管監(jiān)測方法和安全監(jiān)測監(jiān)控的預(yù)測預(yù)報(bào)系統(tǒng)[11]。由于生產(chǎn)速度的加快和該礦開采強(qiáng)度增加，自然發(fā)火期縮短，工作面配風(fēng)量大，導(dǎo)致煤孔裂隙中風(fēng)流速度加快，漏風(fēng)強(qiáng)度增大，采空區(qū)氧化升溫帶不斷增大，導(dǎo)致自燃危險(xiǎn)區(qū)域擴(kuò)大；另外，由于深度的影響，地溫不斷增高，煤體的原始溫度受到煤巖層的熱傳導(dǎo)溫度不斷增高，耗氧速率加快，熱量不斷積累，使得獲得供風(fēng)通道的煤體氧化放熱性能不斷增強(qiáng)，且影響指標(biāo)性氣體的優(yōu)選以及臨界溫度的判斷[12-13]。為響應(yīng)國家政策，保證礦井持續(xù)高效的生產(chǎn)，提高煤自然發(fā)火防治工作水平，杜絕礦井煤自燃的發(fā)生，亟需對(duì)西川煤礦1117綜放工作面4號(hào)開采煤層優(yōu)選煤自然發(fā)火標(biāo)志氣體，確定分級(jí)預(yù)警指標(biāo)，為礦井煤炭自燃防治提供有力的技術(shù)支撐和理論指導(dǎo)。

1 井田概況

華能銅川照金西川煤礦1117綜放工作面開采煤層為4號(hào)煤層，煤層結(jié)構(gòu)簡單，總體形態(tài)為小型向斜構(gòu)造，工作面中部位于向斜底部。工作面內(nèi)煤層厚度為6.0～9.8 m，平均煤厚7.8 m，煤層厚度變化不明顯;煤層走向NE56°～NW85°，煤層傾向SE34°～SW5°，煤層傾角0°～10°，平均4°。1117綜放工作面采用“U”型全負(fù)壓通風(fēng)。進(jìn)風(fēng)流路線為地面→副(主)斜井→井底車場(清理斜巷)→集中輔助運(yùn)輸下山(集中膠帶下山)→集中輔助運(yùn)輸下山延伸巷(集中膠帶輸送機(jī)下山延伸巷)→1117車場→1117運(yùn)輸順槽→1117綜放工作面?；仫L(fēng)流路線為1117綜放工作面→1117回風(fēng)順槽→1117回風(fēng)順槽聯(lián)絡(luò)巷→集中回風(fēng)下山→回風(fēng)斜井→地面。

為了防治內(nèi)因火災(zāi)的發(fā)生，1117綜放工作面主要采取以黃泥灌漿為主、注氮和阻化劑為輔的綜合防滅火措施，同時(shí)加強(qiáng)束管監(jiān)測和安全監(jiān)測監(jiān)控的預(yù)測預(yù)報(bào)系統(tǒng)。井田為單一開采煤層，煤層傾角小，厚度大，煤質(zhì)較硬，在煤層中布置3條南北向的集中下山，3條東西向的大巷。煤層厚度平均7.8 m，屬中厚-厚-特厚煤層。煤層夾矸1～2層，夾矸巖性多為泥巖，次為炭質(zhì)泥巖和泥質(zhì)粉砂巖，屬結(jié)構(gòu)簡單煤層。經(jīng)鑒定，煤炭自燃傾向性等級(jí)鑒定為I類容易自燃煤層。

2 發(fā)火標(biāo)志氣體試驗(yàn)

2.1 試驗(yàn)裝置

采用ZRDⅡ型煤自燃特性測定裝置，聯(lián)用氣相色譜分析儀進(jìn)行測試得到煤自然發(fā)火標(biāo)志氣體與溫度的關(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，測試裝置由溫度控制器，電熱爐及樣品管、色譜儀、流量控制器、減壓閥等組成，如圖1所示。

1-高壓氣瓶；2-減壓閥；3-穩(wěn)壓閥；4-穩(wěn)流閥；5-壓力表；6-氣阻；7-電子流量計(jì)；8-預(yù)熱銅管；9-進(jìn)氣管；10-煤樣罐；11-出氣管；12-溫度傳感器；13-加熱電阻；14-風(fēng)扇；15-保溫層；16-升溫箱；17-數(shù)據(jù)采集卡；18-氣相色譜分析儀；19-色譜分析工作站；20-計(jì)算機(jī)圖1 煤自然發(fā)火標(biāo)志氣體測試裝置示意Fig.1 Test device for marker gas of coal spontaneous combustion

2.2 煤樣的制備

根據(jù)GB/T 4822008《煤層煤樣采取方法》的要求，確定煤樣采集地點(diǎn)為西川煤礦1117綜放工作面。采樣時(shí)取工作面中部塊狀煤樣5～10 kg，用保鮮膜密封保存后24 h內(nèi)運(yùn)至實(shí)驗(yàn)室；進(jìn)行測試前先將大塊煤體的外部表面氧化層剝離，取中心內(nèi)部煤樣，然后對(duì)其進(jìn)行破碎并用機(jī)械篩分器篩分出40～80目的顆粒50 g作為試驗(yàn)煤樣，放在溫度為30 ℃的真空干燥箱中干燥72 h，煤樣工業(yè)分析見表1。

表1 工業(yè)分析

2.3 試驗(yàn)條件及流程

指標(biāo)氣體測試過程及程序升溫參數(shù)：恒溫溫度40 ℃，升溫速率0.8 ℃/min，終止溫度240 ℃；指標(biāo)氣體測試過程試驗(yàn)流量參數(shù)：室溫～35 ℃(96 mL/min)，35～70 ℃(8 mL/min)，70～240 ℃(96 mL/min)。試驗(yàn)使用銅制煤樣罐，具體參數(shù)為直徑45 mm、高度100 mm；試驗(yàn)所用煤樣使用電子天平稱量；稱取參數(shù)質(zhì)量50±0.1 g、粒徑40～80目(0.45～0.2 mm)。每經(jīng)過升溫12 min，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。

3 結(jié)果分析

3.1 CO氣體產(chǎn)生規(guī)律

CO氣體是煤升溫氧化過程中出現(xiàn)最早的氧化氣體產(chǎn)物，并且貫穿于整個(gè)氧化過程中；在180 ℃以前，CO氣體產(chǎn)生濃度與煤溫之間表現(xiàn)為單調(diào)遞增的變化關(guān)系，如圖2所示，并基本符合指數(shù)關(guān)系，擬合關(guān)系式為y=0.627 3e0.067 3x，擬合優(yōu)度為R=0.968 6。當(dāng)煤溫超過180 ℃左右以后，這種指數(shù)關(guān)系不復(fù)存在，呈現(xiàn)出一種增長放緩，生成量逐漸穩(wěn)定的關(guān)系。試驗(yàn)中供氧量恒定，激烈氧化時(shí)耗氧量極大，致使氧氣濃度降低幅度很大，此時(shí)煤樣的CO的產(chǎn)生不再隨煤溫的升高而持續(xù)遞增，但在溫度升至210 ℃之前，CO產(chǎn)生濃度一直增大。

圖2 煤樣升溫過程中CO濃度與煤溫間關(guān)系Fig.2 Relationship between CO concentration and coal temperature during coal sample heating

因此，選取CO作為西川煤礦1117綜放工作面的煤自燃標(biāo)志氣體具有可行性，但由于礦井結(jié)構(gòu)復(fù)雜，內(nèi)部不可控因素較多且未知，在現(xiàn)場應(yīng)用過程中，還需要考慮1117綜放工作面的具體環(huán)境因素，根據(jù)大多煤自燃發(fā)生的地點(diǎn)，自燃會(huì)經(jīng)常出現(xiàn)在采空區(qū)遺煤和破損的煤柱中，煤體的自燃一旦發(fā)生，無論是貧氧條件還是陰燃，檢測到的CO濃度與煤真實(shí)氧化反應(yīng)產(chǎn)生之間無法明確表達(dá)，為消除進(jìn)風(fēng)風(fēng)量對(duì)CO氣體的影響，采用CO氣體濃度指數(shù)等派生指標(biāo)。

3.2 CxHy類氣體分析與優(yōu)選

乙烯氣體C2H4為煤自燃發(fā)生時(shí)產(chǎn)生的有機(jī)烴類氣體，由圖3可以看出，其出現(xiàn)溫度為110 ℃左右，隨后濃度快速增大，呈現(xiàn)出隨煤溫的升高逐漸增大后呈指數(shù)型快速增高。經(jīng)過GC氣象色譜儀對(duì)測試煤樣升溫氧化過程中氣體的分析，可以得到烷烴類的氣體有CH4、C2H6、C3H8，氣體隨溫度變化趨勢(shì)如圖4所示。CH4在煤溫達(dá)到50 ℃時(shí)少量出現(xiàn)，當(dāng)煤溫達(dá)到157 ℃后濃度快速增大；C2H6在煤溫達(dá)到90 ℃時(shí)出現(xiàn)，濃度隨煤溫逐漸增加；C3H8初始出現(xiàn)溫度在60～70 ℃之間，隨后其濃度迅速增大，在174～180 ℃間達(dá)到最大，隨后快速減少。

圖3 煤樣升溫氧化過程中烯烴濃度變化曲線Fig.3 Variation curve of olefin concentration in coal sample during temperature rise oxidation

圖4 煤樣升溫氧化過程中烷烴濃度變化曲線Fig.4 Variation curve of alkane concentration in coal sample during temperature rise oxidation

C2H4氣體其臨界溫度在110 ℃左右，在時(shí)間和溫度上出現(xiàn)一個(gè)明顯的差值，相比CO氣體更為準(zhǔn)確，特征性更高。C2H4出現(xiàn)以后，表示煤樣進(jìn)入加速氧化階段。在157～210 ℃之間增速極快，在210 ℃出現(xiàn)峰值，之后濃度減小。因此，礦井在進(jìn)行煤自然發(fā)火相關(guān)的工作當(dāng)中，需要特別注意烯烴類氣體出現(xiàn)時(shí)的濃度和溫度等相關(guān)參數(shù)變化，在檢測到C2H4出現(xiàn)則煤溫已經(jīng)達(dá)到110 ℃，C2H4濃度達(dá)到峰值代表煤溫已經(jīng)達(dá)到210 ℃左右，有機(jī)氣體的產(chǎn)生對(duì)礦井防滅火工作的預(yù)測預(yù)報(bào)有重要的意義。但是，乙烯氣體相對(duì)檢測到的溫度及時(shí)間會(huì)比CO氣體靠后，在較高溫度使用乙烯氣體才可以說明自燃發(fā)生的情況，這時(shí)煤溫已經(jīng)很高，所以在選擇烯烴類氣體作為煤自然發(fā)火的指標(biāo)氣體時(shí)需慎重考慮。

3.3 煤自然發(fā)火氣體比率

煤自燃標(biāo)志氣體是與井下空氣含量有差別的、以一種準(zhǔn)確便捷的方式去預(yù)測判斷煤自燃的程度或其比值等參數(shù)。在自然發(fā)火預(yù)測預(yù)報(bào)中，根據(jù)各標(biāo)志氣體在煤升溫過程中氣體濃度隨溫度的變化規(guī)律、不同氣體之間的比值等方法來推斷煤自然發(fā)火所處的狀態(tài)和發(fā)展趨勢(shì)，對(duì)井下煤體氧化程度以及自然發(fā)熱情況進(jìn)行預(yù)測防控。

C2H4/C2H6比值與煤溫的關(guān)系：C2H4/C2H6比值與煤溫之間的關(guān)系如圖5所示，由圖可看出，C2H4/C2H6比值呈曲折的變化規(guī)律，由于該指標(biāo)只有C2H4出現(xiàn)后才能應(yīng)用，因此使用時(shí)應(yīng)慎重考慮C2H4臨界溫度以前的自然發(fā)火狀態(tài)。同時(shí)該指標(biāo)在煤溫達(dá)到210 ℃之前隨煤溫逐漸變大，且在157 ℃之后增速明顯變快，在煤溫達(dá)到210 ℃時(shí)達(dá)到最大，之后C2H4/C2H6比值曲線略有降低；在礦井中檢測到該指標(biāo)快速變大，則代表煤溫已經(jīng)超過157 ℃，煤進(jìn)入快速氧化階段；檢測到該指標(biāo)達(dá)到峰值則代表煤溫已經(jīng)超過210 ℃；但在未檢測到該指標(biāo)及220 ℃之后其與煤溫變化趨勢(shì)不明，因此對(duì)該指標(biāo)也應(yīng)慎重分析。

圖5 試驗(yàn)煤樣自然發(fā)火過程中的C2H4/C2H6Fig.5 Changes of C2H4/C2H6 during spontaneous combustion of coal samples

鏈烷比主要包括2類：一類是長鏈烷烴氣體與甲烷的比值(C2H6/CH4、C3H8/CH4、C4H10/CH4)；另一類是長鏈的烷烴氣體與乙烷的比值(C3H8/C2H6、C4H10/C2H6)。鏈烷比隨煤溫的變化曲線有類似于上述烯烷比的情況，但此處不進(jìn)行C4H10/CH4與C4H10/C2H6的比值分析，其他比值變化規(guī)律如圖6所示。可以看出，鏈烷比值變化同樣表現(xiàn)出一定的規(guī)律性，但CH4絕大部分來源于煤吸附CH4的涌出，煤氧化所產(chǎn)生的CH4僅占極小的部分，即在實(shí)際生產(chǎn)過程中，很容易受到采掘工作、落煤時(shí)間的影響。因此，C2H6/CH4、C3H8/CH4指標(biāo)不適合作為煤自燃的標(biāo)志氣體指標(biāo)。圖6中C3H8/C2H6隨溫度的上升比值在110 ℃前不斷變大，在110 ℃之后快速變小，表現(xiàn)出較好的規(guī)律性，可作為輔助性指標(biāo)。

圖6 試驗(yàn)煤樣自然發(fā)火過程中氣體產(chǎn)物鏈烷比Fig.6 Alkane ratio during spontaneous combustion of coal samples

4 現(xiàn)場測試及防控

4.1 現(xiàn)場測試

2020年6月20日—2020年7月30日，對(duì)1117工作面進(jìn)行了40余天現(xiàn)場觀測，觀測期間未發(fā)現(xiàn)乙烯和乙炔氣體，同時(shí)統(tǒng)計(jì)了采空區(qū)、工作面、回風(fēng)巷、回風(fēng)上隅角氣體濃度變化情況，如圖7所示。采集的19個(gè)氣樣中CO濃度最低值為2.317×10-5，最大值為5.946×10-5，CO濃度整體呈現(xiàn)下降趨勢(shì)，測得19個(gè)氣樣CO濃度均未超過2.4×10-5，可以取2.4×10-5作為回風(fēng)隅角CO濃度的臨界值；經(jīng)過30余天的觀測，采空區(qū)內(nèi)(距工作面距離9～56 m)CO濃度最高未超過2×10-4，可將2×10-4作為采空區(qū)的CO濃度臨界值。正?；夭呻A段采集氣樣中CO濃度均符合未超過2.4×10-5的規(guī)定，其中CO濃度值最大為2.290×10-5?；仫L(fēng)巷內(nèi)CO濃度較低，測得19個(gè)氣樣CO濃度最大值為9.05×10-6，最小值為7.6×10-7。

圖7 CO濃度變化情況Fig.7 Change of CO concentration

4.2 采空區(qū)分級(jí)防控措施

根據(jù)前面程序升溫的溫度數(shù)據(jù)以及氣相色譜的氣體濃度分析結(jié)果，結(jié)合西川煤礦現(xiàn)場實(shí)際情況進(jìn)行綜合分析，得到1117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氣體的出現(xiàn)視為進(jìn)入加速氧化階段的標(biāo)志，相比CO的濃度較高時(shí)才出現(xiàn)規(guī)律性的變化，C3H8/C2H6可以作為預(yù)測煤自燃的輔助指標(biāo)，根據(jù)以上試驗(yàn)數(shù)據(jù)變化規(guī)律以及現(xiàn)場實(shí)測數(shù)據(jù)特征，將煤自燃低溫氧化過程分為3個(gè)階段，同時(shí)提出相應(yīng)的防控措施，見表2。

表2 煤自燃低溫氧化階段劃分

結(jié)合采空區(qū)遺煤及破損煤柱等發(fā)生低溫氧化的階段特征及西川煤礦現(xiàn)有的防滅火技術(shù)現(xiàn)狀，結(jié)合1117工作面的地質(zhì)情況、通風(fēng)方式、采煤方法等情況，確定了不同階段的防滅火協(xié)同措施。提出了在常規(guī)時(shí)間內(nèi)可加強(qiáng)對(duì)隅角處的漏風(fēng)防控，以減少采空區(qū)的漏風(fēng)量。而當(dāng)出現(xiàn)自燃征兆時(shí)，CO濃度開始階段性大幅上升的狀態(tài)表明溫度超過70 ℃，此時(shí)可以采用間歇性注氮的方式對(duì)采空區(qū)內(nèi)進(jìn)行注氮作業(yè)防滅火。當(dāng)遺煤自燃進(jìn)程發(fā)展到加速氧化過程時(shí)，即發(fā)現(xiàn)有C2H4氣體時(shí)，表明溫度超過了110 ℃，此時(shí)可通過持續(xù)性注氮并噴灑阻化劑方式對(duì)采空區(qū)高溫區(qū)域進(jìn)行降溫處理。而當(dāng)遺煤自燃發(fā)展到劇烈氧化階段過程時(shí)，可采用大流量注氮或者灌漿防滅火方式對(duì)采空區(qū)高溫區(qū)域進(jìn)行處理。

5 結(jié)論

(1)西川煤礦1117綜放工作面在進(jìn)行煤自然發(fā)火預(yù)測預(yù)報(bào)時(shí)需選擇CO為指標(biāo)氣體；自燃緩慢至快速氧化的標(biāo)志由C2H4氣體表征。C2H4氣體的出現(xiàn)可以視為煤的氧化進(jìn)入加速氧化階段的標(biāo)志，C3H8/C2H6、C2H4/C2H6可以作為煤自然發(fā)火進(jìn)程的輔助指標(biāo)。

(2)通過對(duì)1117工作面、采空區(qū)(9～56 m)、回風(fēng)隅角和回風(fēng)巷4個(gè)測點(diǎn)現(xiàn)場采集氣樣，實(shí)驗(yàn)室氣體濃度測定，并對(duì)4個(gè)測點(diǎn)CO和O2氣體分布規(guī)律進(jìn)行了分析，正?；夭善陂g工作面CO濃度未超過2.4×10-5，回風(fēng)巷CO濃度小于1×10-5；并確定了回風(fēng)隅角CO濃度臨界值為6×10-5，采空區(qū)CO濃度臨界值為2×10-4。

(3)構(gòu)建了分級(jí)防控防滅火體系，提出了在采空區(qū)出現(xiàn)不同自燃征兆時(shí)的防滅火措施，自燃征兆初期、自燃嚴(yán)重期不同自燃階段的綜合防滅火處理技術(shù)。