李 磊

(中煤科工能源科技發(fā)展有限公司，北京 100000)

在煤礦開(kāi)采過(guò)程中，水、火、瓦斯、頂板、沖擊地壓等災(zāi)害是制約礦井安全高效生產(chǎn)的主要因素，其中，煤礦火災(zāi)占很大一部分[1-2]。據(jù)統(tǒng)計(jì)，煤炭自燃引起的礦井火災(zāi)約占我國(guó)礦井火災(zāi)的70%，對(duì)礦井的安全高效開(kāi)采起到嚴(yán)重制約作用[3-4]。煤自燃的主要對(duì)象是煤和氧，在煤自燃過(guò)程中煤與氧進(jìn)行物理吸附、化學(xué)吸附、化學(xué)反應(yīng)等相互作用發(fā)生氧化自熱，并自動(dòng)加速，當(dāng)煤氧化發(fā)出的熱量散發(fā)不及時(shí)形成積聚后就會(huì)造成煤炭發(fā)生自燃[5-6]。因此，研究煤炭自燃特性，分析工作面CO產(chǎn)生原因及規(guī)律，為煤礦科學(xué)合理地制定防治煤炭氧化自燃和CO超限措施提供理論依據(jù)顯得十分必要。

目前，我國(guó)科研工作者進(jìn)行了很多關(guān)于煤氧化的實(shí)驗(yàn)和機(jī)理的研究，陳勤妹等[7]采用熱分析聯(lián)同技術(shù)，在TG-DTA-T-DTG及DTA-T-EGD-GC兩套熱分析裝置上，測(cè)定了5種粉煤在程序升溫整個(gè)燃燒過(guò)程中的熱特性曲線，分析氧化增重、表觀活化能、著火溫度、燃燒最大失重速率、可燃性指數(shù)及燃燒逸氣濃度組分等的變化規(guī)律；姚輝等[8]采用大尺度煤隔熱氧化裝置模擬煤自然發(fā)火過(guò)程中煤體溫度變化，確定煤層最短發(fā)火期，研究煤氧化過(guò)程中的耗氧率、氣體產(chǎn)生規(guī)律，最終確定該煤層臨界溫度和標(biāo)志性氣體；楊小彬等[9]以高家梁礦淺埋煤層為研究對(duì)象，與陽(yáng)泉礦深埋煤層相對(duì)比，利用油浴升溫氧化系統(tǒng)對(duì)高家梁礦不同煤層的綜采工作面煤樣和陽(yáng)泉礦煤樣進(jìn)行了升溫氧化實(shí)驗(yàn)；趙興國(guó)等[10]對(duì)原煤及不同程度的氧化煤進(jìn)行程序升溫實(shí)驗(yàn)，分析研究低溫氧化特性的變化規(guī)律，根據(jù)灰色理論對(duì)自燃標(biāo)志氣體進(jìn)行優(yōu)選；許濤等[11]采用氣相色譜儀測(cè)定在程序升溫條件下煤樣在不同溫度時(shí)氧化產(chǎn)生CO的濃度，研究發(fā)現(xiàn)CO濃度與溫度呈多項(xiàng)式的關(guān)系，并以此作為煤氧反應(yīng)函數(shù)模型。

以上研究雖然對(duì)煤的特性和氧化產(chǎn)生的氣體進(jìn)行了系統(tǒng)分析和研究，但存在實(shí)驗(yàn)周期長(zhǎng)、實(shí)驗(yàn)用煤量多、費(fèi)用較高等問(wèn)題[12-13]。本文以察哈素煤礦為工程背景，在上述實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，結(jié)合煤自燃理論，系統(tǒng)地分析察哈素煤礦煤的自燃特性，并進(jìn)行煤常溫下氧化實(shí)驗(yàn)，從而研究煤常溫下CO產(chǎn)生規(guī)律、探討煤常溫下CO產(chǎn)生機(jī)理，為制定察哈素煤礦綜采面回隅角CO超限預(yù)防與控制方法提供科學(xué)依據(jù)。

1 工程概況

察哈素煤礦井田南北走向長(zhǎng)13.83 km，東西傾斜寬12.02 km，面積157.95 km2，礦井設(shè)計(jì)年生產(chǎn)能力為10.0 Mt/a，后期生產(chǎn)能力15.0 Mt/a，主采3號(hào)煤層和2號(hào)煤層。31209綜采工作面主采2號(hào)煤層，煤層厚度0.90～4.25 m，平均厚2.45 m；煤層傾角1°，工作面走向長(zhǎng)3 091 m，傾斜寬240 m。31313綜采工作面主采3號(hào)煤層，煤層厚度5.11～6.95 m，平均煤厚5.98 m；煤層傾角為1°，工作面走向長(zhǎng)3 897 m，傾斜寬290 m。

察哈素煤礦開(kāi)采的煤層經(jīng)相關(guān)科研院所鑒定為易自燃煤層。察哈素礦井采煤工作面在正常生產(chǎn)過(guò)程中，在沒(méi)有任何明顯的自然發(fā)火征兆(如煤焦油味、煤壁出汗、冒煙等)的條件下，發(fā)現(xiàn)在工作面回風(fēng)隅角等區(qū)域經(jīng)常能檢測(cè)到超限的CO氣體，最嚴(yán)重時(shí)甚至可以超過(guò)200×10-6，對(duì)礦井防滅火管理及措施的制定造成了極大困難。

2 煤常溫氧化實(shí)驗(yàn)

2.1 煤常溫氧化實(shí)驗(yàn)方法

將煤裝入恒溫測(cè)試爐的煤樣罐中，通過(guò)定期使用色譜儀測(cè)量煤樣罐中CO和O2的濃度，最后可以同時(shí)獲得CO的生成量和O2的消耗量隨時(shí)間的變化關(guān)系[14-15]。本次實(shí)驗(yàn)采用一種密封反應(yīng)器用于模擬煤常溫氧化實(shí)驗(yàn)。

2.2 實(shí)驗(yàn)裝置

(1)實(shí)驗(yàn)裝置選擇原則。①為保證實(shí)驗(yàn)的可靠性，應(yīng)選擇導(dǎo)熱性能較好的不銹鋼材料作為實(shí)驗(yàn)反應(yīng)器材料，制作的實(shí)驗(yàn)裝置要保證內(nèi)外溫差ΔT<10 ℃；②為保證實(shí)驗(yàn)的有效性，實(shí)驗(yàn)期間實(shí)驗(yàn)裝置內(nèi)溫度要保證與井下工作面采空區(qū)內(nèi)的溫度相接近，溫度控制在25～30 ℃；③實(shí)驗(yàn)裝置內(nèi)要保證有足夠的反應(yīng)空間，煤樣氧化產(chǎn)生的CO的量能被及時(shí)檢測(cè)出來(lái)。

(2)實(shí)驗(yàn)裝置幾何尺寸設(shè)計(jì)。為確保實(shí)驗(yàn)裝置幾何尺寸能夠達(dá)到實(shí)驗(yàn)要求，綜合考慮煤樣在單位時(shí)間內(nèi)氧化產(chǎn)生的熱量及通過(guò)實(shí)驗(yàn)裝置器壁向外傳導(dǎo)的熱量情況，利用熱平衡計(jì)算方法進(jìn)行計(jì)算。具體計(jì)算公式：

(1)

式中，Q1為煤樣發(fā)生氧化作用后形成的熱量；Q2為實(shí)驗(yàn)裝置通過(guò)容器向外傳導(dǎo)的熱量；d為實(shí)驗(yàn)裝置內(nèi)徑；h為裝煤高度；q為煤樣氧化放熱強(qiáng)度；Δt為實(shí)驗(yàn)裝置內(nèi)外溫差；δ為反應(yīng)器壁厚；λ為實(shí)驗(yàn)裝置導(dǎo)熱系數(shù)。

實(shí)驗(yàn)選用的反應(yīng)器材質(zhì)采用的是不銹鋼材質(zhì)，壁厚為3 mm，反應(yīng)器的導(dǎo)熱系數(shù)為16 W/(m·K)。利用式(1)計(jì)算得出實(shí)驗(yàn)裝置的直徑為15.5 cm，裝置內(nèi)裝煤高度7.5 cm。

(3)實(shí)驗(yàn)裝置結(jié)構(gòu)。實(shí)驗(yàn)裝置由反應(yīng)器、進(jìn)氣口、出氣口、溫度顯示儀、隔板、CO傳感器、O2傳感器及計(jì)算機(jī)組成。反應(yīng)器為圓柱形(內(nèi)徑15.5 cm，內(nèi)高30 cm)，采用不銹鋼材質(zhì)加工而成。反應(yīng)器的上下端分別設(shè)置了1個(gè)出氣口和1個(gè)進(jìn)氣口，并在反應(yīng)器的底端設(shè)置了1組孔徑約為60 μm的多孔隔板，主要用于承接煤樣及從反應(yīng)器底端進(jìn)入的氣體進(jìn)行分散。在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，采用橡膠皮墊對(duì)反應(yīng)器的進(jìn)出氣口進(jìn)行密封。實(shí)驗(yàn)時(shí)，將1根φ0.5 mm的熱電偶放入反應(yīng)器煤樣中間，用于測(cè)定反應(yīng)器中煤樣的溫度變化情況；同時(shí)，用另一根φ0.5 mm的熱電偶放置在反應(yīng)器外，測(cè)試環(huán)境溫度變化情況。在限定空間內(nèi)反復(fù)取氣，會(huì)導(dǎo)致反應(yīng)器中的氣體壓力顯著下降。為測(cè)定反應(yīng)器中煤樣氧化試驗(yàn)過(guò)程中CO和O2濃度變化情況，在反應(yīng)器的內(nèi)部分別安裝1個(gè)CO傳感器和O2傳感器，實(shí)行在線監(jiān)測(cè)CO和O2的濃度。在整個(gè)煤體氧化實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，反應(yīng)器內(nèi)O2消耗的速率可用前一時(shí)間點(diǎn)和后一時(shí)間點(diǎn)CO濃度的之間的變化差值通過(guò)計(jì)算得出。反應(yīng)器內(nèi)氧化試驗(yàn)前的壓力為1個(gè)標(biāo)準(zhǔn)大氣壓，初始O2濃度為20.8%，環(huán)境溫度為25 ℃左右。測(cè)試裝置結(jié)構(gòu)如圖1所示，外觀如圖2所示。

圖1 測(cè)試裝置結(jié)構(gòu)Fig.1 Structure of test device

圖2 測(cè)試裝置外觀Fig.2 Appearance drawing of test device

(4)測(cè)試環(huán)境溫度監(jiān)測(cè)。實(shí)驗(yàn)時(shí)，通過(guò)2支同型號(hào)的熱電偶對(duì)煤樣溫度和環(huán)境溫度進(jìn)行全過(guò)程監(jiān)測(cè)，監(jiān)測(cè)表明，煤樣溫度為27 ℃，環(huán)境溫度為26 ℃，煤樣溫度比環(huán)境溫度高0.5～1.0 ℃。

2.3 煤氧化實(shí)驗(yàn)

2.3.1 實(shí)驗(yàn)煤樣提取

實(shí)驗(yàn)煤樣均采自察哈素煤礦目前開(kāi)采的3號(hào)和2號(hào)煤層，實(shí)驗(yàn)時(shí)按照GB 482—1995《煤層煤樣采取方法》分別在31209工作面和31313工作面采取了煤樣各10 kg。實(shí)驗(yàn)時(shí)先剝出煤樣表面氧化層，然后對(duì)其進(jìn)行破碎并篩分出不同粒度(0.18～1.00 mm、1.00～2.00 mm、2.00～6.00 mm)的煤樣約1 kg。

2.3.2 實(shí)驗(yàn)方法及過(guò)程

實(shí)驗(yàn)流程如圖3所示。

圖3 常溫氧化實(shí)驗(yàn)流程Fig.3 Flow chart of room temperature oxidation experiment

煤在實(shí)驗(yàn)之前先進(jìn)行脫水處理，即在真空環(huán)境下，保持35 ℃恒溫干燥48 h以上，脫去煤樣中的外在水分。在煤的常溫氧化實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，選取1 kg煤樣放入反應(yīng)器中，然后用橡膠密封墊將反應(yīng)器的進(jìn)氣口和出氣口進(jìn)行密封，利用CO傳感器和O2傳感器對(duì)反應(yīng)器內(nèi)的CO和O2濃度變化情況進(jìn)行監(jiān)測(cè)，當(dāng)CO濃度一直保持不變時(shí)間達(dá)到24 h后停止實(shí)驗(yàn)。

2.4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

在27 ℃左右常溫氧化實(shí)驗(yàn)得到2號(hào)煤層和3號(hào)煤層原始數(shù)據(jù)(表1)。由表1可知，2號(hào)煤層常溫條件下氧化時(shí)CO氣體濃度大約在750 min后趨于穩(wěn)定，CO氣體產(chǎn)生最大值約為346.41×10-6，O2氣體最終濃度約為4.65%。3號(hào)煤層CO氣體濃度大約在780 min后趨于穩(wěn)定，CO氣體產(chǎn)生最大值約為311.77×10-6，O2氣體最終濃度約為5.35%。

表1 2號(hào)和3號(hào)煤層常溫氧化實(shí)驗(yàn)原始數(shù)據(jù)Tab.1 Raw data of No.2 and No.3 coal seam oxidation experiment at room temperature

2號(hào)煤層和3號(hào)煤層CO氣體產(chǎn)生濃度和O2氣體消耗濃度變化如圖4和圖5所示。

圖4 2號(hào)煤層常溫氧化CO氣體產(chǎn)生濃度和O2氣體消耗濃度變化曲線Fig.4 Variation curve of CO gas production concentration and O2 gas consumption concentration of No.2 coal oxidation at room temperature

圖5 3號(hào)煤層常溫氧化CO氣體產(chǎn)生濃度和O2氣體消耗濃度變化曲線Fig.5 Variation curve of CO gas production concentration and O2 gas consumption concentration of No.3 coal oxidation at room temperature

根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果分析可知：在常溫環(huán)境狀態(tài)下，煤發(fā)生氧化過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生CO，同時(shí)需要消耗一定量的O2，實(shí)驗(yàn)初期CO產(chǎn)生速率較大，隨后CO產(chǎn)生速率逐漸變慢，氧化反應(yīng)達(dá)到一定程度后產(chǎn)生的CO濃度穩(wěn)定在一定值后不再繼續(xù)上升。根據(jù)實(shí)驗(yàn)得知，2號(hào)煤的CO產(chǎn)生速率平均約為0.46×10-6/min，3號(hào)煤的CO產(chǎn)生速率平均約為0.40×10-6/min，煤體氧化消耗的O2速率與CO的生成速率呈正比。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，煤的氧化產(chǎn)生的CO是常溫環(huán)境溫度下采空區(qū)內(nèi)CO產(chǎn)生的主要來(lái)源。

3 工作面CO控制技術(shù)措施

根據(jù)察哈素煤礦煤體中CO產(chǎn)生的特點(diǎn)及規(guī)律，在工作面開(kāi)采過(guò)程中，必須從控制采空區(qū)的漏風(fēng)量，降低采空區(qū)內(nèi)CO濃度方面著手控制采空區(qū)內(nèi)遺煤氧化程度[6]，降低和控制采空區(qū)內(nèi)CO濃度，防止CO頻繁出現(xiàn)超限問(wèn)題。

3.1 工作面CO控制措施

(1)工作面上下隅角封堵防漏風(fēng)。在工作面上下隅角使用煤袋或磚沙壘墻對(duì)隅角采空區(qū)進(jìn)行封堵密閉，增大工作面上隅角風(fēng)阻，降低工作面向采空區(qū)內(nèi)的漏風(fēng)量，從而降低采空區(qū)內(nèi)O2供應(yīng)量和CO集中涌出量，密閉每間隔30～50 m設(shè)置1組，具體布置如圖6所示。

圖6 工作面上下隅角封堵密閉示意Fig.6 Sealing diagram of upper and lower corners of working face

(2)上隅角埋管抽放。按照工作面采空區(qū)“三帶”劃分規(guī)律情況，對(duì)采空區(qū)漏風(fēng)帶內(nèi)的CO進(jìn)行抽采。在工作面回風(fēng)巷內(nèi)安裝1趟φ200 mm的抽放管路，在管路末端安裝1個(gè)φ100 mm的支管，用于對(duì)工作面上隅角采空區(qū)內(nèi)的有毒有害氣體進(jìn)行抽放，降低上隅角CO積聚量。在抽采管路中間每間隔30 m位置安裝1個(gè)三通閥門，采取交替邁步式進(jìn)行抽采，抽采步距為15 m。管路布置如圖7所示。

圖7 工作面上隅抽采管路布置示意Fig.7 Schematic of drainage pipeline layout in upper corner of working face

(3)合理的配風(fēng)量。根據(jù)有關(guān)研究分析可知，在工作面生產(chǎn)條件相同的情況下，工作面采空區(qū)漏風(fēng)量與工作面供風(fēng)量呈正相關(guān)線性關(guān)系，即工作面供風(fēng)量越大，采空區(qū)漏風(fēng)量越大。因此，在保證工作面正常生產(chǎn)需要的情況下，合理調(diào)配工作面配風(fēng)量能夠有效減小采空區(qū)漏風(fēng)量，對(duì)控制采空區(qū)遺煤氧化起到很好的抑制作用。

(4)增加上隅角風(fēng)量，稀釋有害氣體。在工作面上隅角位置及輸送機(jī)機(jī)尾位置安設(shè)1組氣幕裝置，在工作面倒數(shù)第2架液壓支架尾部安裝1組瓦斯稀釋器，同時(shí)在工作面最后1架液壓支架架間安設(shè)1道擋風(fēng)簾，將工作面的風(fēng)流引射到上隅角位置，增加上隅角供風(fēng)量，用于稀釋上隅角有害氣體，降低上隅角有害氣體濃度，防止上隅角CO出現(xiàn)超限現(xiàn)象。

(5)噴灑阻化劑。在工作面回采過(guò)程中，工作面每向前推進(jìn)一循環(huán)后，在工作面上下隅角及液壓支架后方采空區(qū)內(nèi)噴灑高分子阻化劑，對(duì)采空區(qū)內(nèi)的浮煤進(jìn)行全部覆蓋，減小浮煤與空氣接觸面積，抑制和減緩采空區(qū)內(nèi)遺煤氧化，減少CO氣體產(chǎn)生。

3.2 監(jiān)測(cè)監(jiān)控措施

為能夠及時(shí)掌握工作面CO等有害氣體濃度變化情況，需加強(qiáng)工作面有毒有害氣體濃度實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)監(jiān)控。目前，采取的監(jiān)測(cè)監(jiān)控手段主要有束管實(shí)時(shí)在線監(jiān)測(cè)、實(shí)驗(yàn)室定期采樣色譜分析、人工現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)等。

(1)束管監(jiān)測(cè)。在工作面進(jìn)風(fēng)巷選取合適位置安裝一套移動(dòng)束管監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，工作面回采期間將束管埋設(shè)在工作面上下隅角及液壓支架后方采空區(qū)內(nèi)，利用束管對(duì)采空區(qū)內(nèi)的CO等有害氣體進(jìn)行采集并實(shí)時(shí)傳輸?shù)绞鼙O(jiān)測(cè)系統(tǒng)，移動(dòng)束管監(jiān)測(cè)系統(tǒng)對(duì)輸入的氣體進(jìn)行分析后，將分析結(jié)果實(shí)時(shí)傳輸?shù)焦ぷ髅婵刂葡到y(tǒng)界面。移動(dòng)束管監(jiān)測(cè)系統(tǒng)工作流程如圖8所示。

圖8 移動(dòng)束管監(jiān)測(cè)系統(tǒng)工作流程示意Fig.8 Working flow diagram of mobile beam tube monitoring system

(2)實(shí)驗(yàn)室定期采樣色譜分析。通過(guò)人工采集工作面上下隅角及束管內(nèi)的氣體后，將采集的氣體拿到實(shí)驗(yàn)室，利用實(shí)驗(yàn)室氣相色譜分析儀對(duì)氣體成分進(jìn)行檢測(cè)分析，以便能夠?qū)崟r(shí)準(zhǔn)確掌握工作面產(chǎn)生氣體的具體成分及相關(guān)指標(biāo)參數(shù)，為CO控制措施的制定提供理論依據(jù)。

(3)人工現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)。工作面生產(chǎn)期間，工作面配備專職瓦檢員，每班利用CO檢測(cè)儀對(duì)工作面上下隅角、回風(fēng)巷等地點(diǎn)CO濃度進(jìn)行人工測(cè)量。

4 工作面CO治理效果分析

采取CO控制措施后，工作面回采過(guò)程中，通過(guò)連續(xù)對(duì)工作面CO等有害氣體濃度變化進(jìn)行監(jiān)測(cè)，結(jié)果如圖9所示。

圖9 工作面CO、CH4濃度變化曲線Fig.9 Variation curve of CO and CH4concentration in working face

由圖9可以看出，采取CO控制措施后，上隅角內(nèi)的CO濃度處于15×10-6～20×10-6，回風(fēng)巷內(nèi)的CO濃度處于15×10-6～25×10-6，工作面回采期間未發(fā)生CO超限現(xiàn)象，工作面上隅角及回風(fēng)巷的CO濃度得到有效控制。

5 結(jié)論

(1)通過(guò)對(duì)工作面采取的煤樣進(jìn)行常溫氧化實(shí)驗(yàn)可知，煤發(fā)生氧化過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生CO，同時(shí)需要消耗一定量的O2，O2消耗速率和CO生成速率呈正比，煤的氧化產(chǎn)生的CO是常溫環(huán)境下采空區(qū)內(nèi)CO產(chǎn)生的主要來(lái)源。

(2)提出控制工作面采空區(qū)漏風(fēng)量、上隅角抽放、合理配風(fēng)及監(jiān)測(cè)監(jiān)控等控制CO技術(shù)措施，現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用結(jié)果表明，工作面上隅角CO濃度控制在15×10-6～20×10-6，回風(fēng)巷CO濃度控制在15×10-6～25×10-6，工作面CO得到有效控制。