王 飛

(陜西延長(zhǎng)石油集團(tuán) 橫山魏墻煤業(yè)有限公司，陜西 榆林 719000)

礦井火災(zāi)是煤礦的主要災(zāi)害之一，其中自然發(fā)火是最常見(jiàn)的礦井火災(zāi)[1-3]。因此在煤炭自燃災(zāi)害發(fā)生的初期進(jìn)行自然發(fā)火預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)是煤礦井下防滅火工作的重要基礎(chǔ)。只有做到準(zhǔn)確、適時(shí)地對(duì)煤層自然發(fā)火進(jìn)行預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)，才能及時(shí)采取有效措施預(yù)防[4-5]礦井自然發(fā)火災(zāi)害的發(fā)生。

煤在氧化過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生多種氣體成分，其中可以用來(lái)預(yù)報(bào)煤炭自然發(fā)火的氣體稱之為標(biāo)志氣體。由于煤在氧化過(guò)程中各種氣體產(chǎn)生的最低溫度、氣體生成量和煤溫之間的關(guān)系因煤質(zhì)的不同而產(chǎn)生迥異[6-9]。因此，有必要通過(guò)實(shí)驗(yàn)室實(shí)驗(yàn)優(yōu)選合適的標(biāo)志氣體，為煤炭自燃火災(zāi)的早期預(yù)報(bào)提供基礎(chǔ)參數(shù)。

1 魏墻煤礦1313回采工作面概況

1313回采工作面為魏墻煤業(yè)首采一盤區(qū)第7個(gè)綜采工作面，位于一盤區(qū)開(kāi)拓大巷以南、1311工作面以西，其南部、西部為未開(kāi)采區(qū)。工作面走向長(zhǎng)為4 487 m、傾向?qū)?00 m，煤層厚度2.7～3.6 m，平均厚度3.05 m，煤層傾角小于1°，煤層賦存穩(wěn)定且結(jié)構(gòu)較簡(jiǎn)單。工作面布置如圖1所示。

圖1 魏墻煤礦1313工作面布置Fig.1 Layout of 1313 working face in Weiqiang Coal Mine

2 自然發(fā)火標(biāo)志性氣體實(shí)驗(yàn)室測(cè)定

2.1 自然發(fā)火標(biāo)志性氣體的優(yōu)選原則

煤在氧化升溫過(guò)程中，會(huì)釋放出CO、CO2、烷烴、烯烴以及炔烴等氣體，這些氣體的產(chǎn)生率隨煤溫上升而發(fā)生規(guī)律性的變化，能預(yù)測(cè)和反映煤自然發(fā)火狀態(tài)。為了使預(yù)報(bào)自然發(fā)火更為及時(shí)準(zhǔn)確，所選擇的標(biāo)志性氣體必須具備下列條件[10-12]：①靈敏性：一旦煤炭處于自燃狀態(tài)且煤炭溫度超過(guò)一定數(shù)值時(shí)，該標(biāo)志性氣體一定會(huì)出現(xiàn)，并且該標(biāo)志性氣體的生成量隨煤炭溫度的升高而穩(wěn)定增加；②規(guī)律性：標(biāo)志性氣體的濃度變化與煤炭溫度之間有較好的對(duì)應(yīng)關(guān)系，表現(xiàn)出一定的規(guī)律性，且重復(fù)性好；③可測(cè)性：方便標(biāo)志性氣體的監(jiān)測(cè)，普通氣相色譜分析儀能檢測(cè)到標(biāo)志性氣體的存在。

2.2 實(shí)驗(yàn)設(shè)備

標(biāo)志性氣體實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)主要由氣路控制系統(tǒng)、溫度控制系統(tǒng)、煤樣罐、程序控溫箱、測(cè)溫儀、氣體分析檢測(cè)儀等組成。煤炭自燃標(biāo)志性氣體實(shí)驗(yàn)測(cè)試系統(tǒng)如圖2，標(biāo)志性氣體實(shí)驗(yàn)裝置如圖3所示。

圖2 煤炭自燃標(biāo)志性氣體實(shí)驗(yàn)測(cè)試系統(tǒng)Fig.2 Experimental test system for landmark gas of coal spontaneous combustion

圖3 標(biāo)志性氣體實(shí)驗(yàn)裝置Fig.3 Lconic gas experiment device

2.3 實(shí)驗(yàn)過(guò)程

(1)煤樣采集。在陜西榆林魏墻煤礦1313回采工作面采集新揭露的煤體，經(jīng)密封儲(chǔ)存轉(zhuǎn)運(yùn)到中國(guó)礦業(yè)大學(xué)相關(guān)實(shí)驗(yàn)室。

(2)實(shí)驗(yàn)過(guò)程[13-15]。在實(shí)驗(yàn)室內(nèi)先對(duì)煤樣表面氧化層進(jìn)行剝離處理工作，然后對(duì)煤樣進(jìn)行破碎并篩分出40～80目的顆粒50 g作為實(shí)驗(yàn)煤樣。將實(shí)驗(yàn)煤樣置于煤樣罐內(nèi)，并將煤樣罐置于程序控溫箱內(nèi)，然后連接好進(jìn)氣氣路、出氣氣路和溫度探頭(探頭置于煤樣罐的幾何中心)，檢查氣路的氣密性。實(shí)驗(yàn)開(kāi)始后，向煤樣內(nèi)通入50 mL/min的干空氣。在程序控溫箱控制下對(duì)煤樣進(jìn)行加熱。當(dāng)測(cè)試煤樣溫度達(dá)到指定測(cè)試溫度時(shí)，采集煤樣氧化過(guò)程中釋放的氣樣，并進(jìn)行氣體成分和濃度分析。

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

通過(guò)上述實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，對(duì)魏墻煤礦1313工作面3號(hào)煤煤樣氧化過(guò)程中各氣體成分、濃度和標(biāo)志氣體分析如下。

3.1 氣體隨溫度變化曲線

對(duì)1313回采工作面3號(hào)煤層煤樣氣體進(jìn)行分析可得其產(chǎn)生趨勢(shì)如圖4所示。

3.2 3號(hào)煤樣氧化自燃標(biāo)志性氣體綜合分析

根據(jù)魏墻煤礦開(kāi)采煤層的實(shí)際條件與實(shí)驗(yàn)室煤樣氧化實(shí)驗(yàn)分析，氧化實(shí)驗(yàn)溫度到達(dá)173℃時(shí)，煤樣中釋放的氣體有一氧化碳(CO)、二氧化碳(CO2)、甲烷(CH4)、乙烷(C2H6)、乙烯(C2H4)、丙烷(C3H8)6種。

(1)魏墻煤礦1313工作面3號(hào)煤樣氧化氣體綜合分析。①在常溫下，魏墻煤礦1313工作面3號(hào)煤煤樣未釋放CO，當(dāng)煤溫上升至42 ℃時(shí)，煤樣開(kāi)始釋放CO氣體；煤樣在42～122 ℃的溫度下時(shí)，CO的釋放量較小且上升速率較低，呈現(xiàn)平穩(wěn)上升趨勢(shì)，此時(shí)煤炭氧化較為平緩；122 ℃后，CO釋放量驟升，煤炭氧化程度加劇。因此，CO可作為煤炭自燃的早期預(yù)報(bào)氣體，一旦在氣體成分中發(fā)現(xiàn)CO的存在，必須及時(shí)跟蹤監(jiān)測(cè)CO濃度的變化趨勢(shì)。當(dāng)發(fā)現(xiàn)CO濃度持續(xù)上升或驟升時(shí)，即有自燃征兆，必須立即采取措施預(yù)防煤炭自燃。②乙烷(C2H6)氣體生成情況。在1313工作面3號(hào)煤煤樣實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，在103 ℃時(shí)檢測(cè)到乙烷(C2H6)氣體，濃度為0.69×10-6，在150 ℃時(shí)檢測(cè)到乙烯(C2H4)氣體，濃度為5.7×10-6，在173 ℃時(shí)檢測(cè)到丙烷(C3H8)氣體，濃度為5.23×10-6。由此可見(jiàn)，乙烷(C2H6)氣體在1313工作面3號(hào)煤煤樣需要達(dá)到100 ℃以上高溫時(shí)才能產(chǎn)生，乙烯(C2H4)氣體和丙烷(C3H8)氣體需要達(dá)到150 ℃以上高溫時(shí)才能產(chǎn)生，并且氣體濃度隨溫度的升高而不斷增大，因此可以作為預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)魏墻煤礦1313回采工作面3號(hào)煤層氧化自燃的標(biāo)志性氣體。③乙炔(C2H2)氣體在1313工作面3號(hào)煤煤樣在實(shí)驗(yàn)中沒(méi)有產(chǎn)生，故不能作為預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)1313工作面3煤層氧化自燃的標(biāo)志性氣體。因此，魏墻煤礦1313工作面3號(hào)煤層氧化自燃過(guò)程中，選取一氧化碳(CO)、乙烷(C2H6)、乙烯(C2H4)和丙烷(C3H8)氣體為主要標(biāo)志性氣體。

(2)烯烷比。根據(jù)《煤層自然發(fā)火標(biāo)志氣體色譜分析及指標(biāo)優(yōu)選方法》(AQ/T 1019—2006)中確定的標(biāo)志性氣體優(yōu)選原則[16]：中變質(zhì)程度的焦煤、瘦煤及貧煤，應(yīng)優(yōu)先考慮CO、烯烴及烯烷比標(biāo)志氣體及其指標(biāo)。魏墻煤礦1313回采工作面3號(hào)煤煤樣自然發(fā)火標(biāo)志性氣體中烯烷比隨著溫度的升高呈增大趨勢(shì)(圖5)，因此烯烷比可作為魏墻煤礦1313工作面3煤自然發(fā)火標(biāo)志性氣體的輔助指標(biāo)。

各種標(biāo)志性氣體對(duì)應(yīng)出現(xiàn)溫度及濃度見(jiàn)表1。

表1 魏墻煤礦1313工作面3號(hào)煤煤樣標(biāo)志性氣體Tab.1 Symbolic gas of No.3 coal sample in 1313 working face of Weiqiang Coal Mine

4 結(jié)論

通過(guò)對(duì)魏墻煤礦1313工作面3號(hào)煤煤樣進(jìn)行自然發(fā)火標(biāo)志性氣體實(shí)驗(yàn)室測(cè)試，確定選取一氧化碳(CO)、乙烷(C2H6)、乙烯(C2H4)、丙烷(C3H8)為預(yù)防3號(hào)煤層自然發(fā)火主要標(biāo)志性氣體，烯烷比為輔助指標(biāo)。