張 典，馮海龍

(陜西正通煤業(yè)有限責(zé)任公司，陜西 咸陽(yáng) 712000)

煤礦的安全生產(chǎn)會(huì)受很多因素的影響，在我國(guó)，很多煤礦都存在煤自然發(fā)火的現(xiàn)象，這不僅會(huì)造成煤礦的財(cái)產(chǎn)損失，也嚴(yán)重影響了我國(guó)煤礦工業(yè)的發(fā)展。據(jù)統(tǒng)計(jì)，我國(guó)主要產(chǎn)煤的省區(qū)為25個(gè)，超過(guò)130個(gè)礦區(qū)，其中受煤自燃隱患的困擾的礦井超過(guò)70%，約40個(gè)大中型礦區(qū)煤自然發(fā)火情況較為嚴(yán)重[1]。隨著煤層開(kāi)采技術(shù)的發(fā)展及深度不斷增加，煤自燃災(zāi)害也愈發(fā)嚴(yán)重[2]。煤自燃預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)技術(shù)在礦井煤火災(zāi)害防治的初步階段有著重要的意義，《煤礦安全規(guī)程》規(guī)定，在對(duì)煤礦進(jìn)行開(kāi)采時(shí)，尤其是針對(duì)自燃煤層和易自燃煤層，要及時(shí)做好煤自燃的預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)工作、劃分煤自燃指標(biāo)體系[1]，能夠在有異常情況出現(xiàn)的第一時(shí)間做出預(yù)警，也充分說(shuō)明煤自燃預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)的重要性。

在預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)煤自然發(fā)火方面，專家們已經(jīng)進(jìn)行了很多研究，很多方法已經(jīng)能夠被熟練使用。預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)的方法主要有氣體分析法、測(cè)溫法、電離法、煙霧法以及光電法和磁力預(yù)測(cè)法等[3]，目前使用范圍最廣，使用人數(shù)最多的方法是氣體分析法，即通過(guò)采集井下的氣體(CO、CO2、C2H6、C2H4等)，并對(duì)所采集氣體濃度進(jìn)行分析來(lái)預(yù)測(cè)煤自燃情況[4-8]。通過(guò)氣體分析方法預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)煤自燃，學(xué)者們做了大量研究，鄧軍等[9]將兩種方法結(jié)合，其一是多參數(shù)指標(biāo)，其二是氣體指標(biāo)優(yōu)選，分析在低溫階段時(shí)，煤樣產(chǎn)生氣體的種類，以及各個(gè)所產(chǎn)生氣體的體積分?jǐn)?shù)，綜合分析得出預(yù)測(cè)煤自燃的氣體指標(biāo)主要有4種，分別為φ(C2H4)/φ(CH4)、φ(C2H4)/φ(C2H6)鏈烷、R2和R3[1]。張玉濤[10]運(yùn)用程序升溫實(shí)驗(yàn)和絕熱氧化實(shí)驗(yàn)證明煤自燃過(guò)程中溫度和氧化產(chǎn)物具有非線性特征，為利用指標(biāo)氣體預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)煤自燃提供了理論支持。費(fèi)金彪[11]等實(shí)驗(yàn)分析小風(fēng)量條件下煤自燃?xì)怏w產(chǎn)生規(guī)律，結(jié)果表明CO氣體濃度升高在一些特定條件下并不能證明采空區(qū)溫度上升。王念鑫[12]等通過(guò)實(shí)驗(yàn)研究風(fēng)量對(duì)煤自燃低溫氧化產(chǎn)物的影響。

綜合上述分析，并不是所有氣體都能夠預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)煤自燃，正確選擇預(yù)警氣體對(duì)于煤自燃災(zāi)害防治至關(guān)重要。針對(duì)大采深易自燃煤層通過(guò)相關(guān)實(shí)驗(yàn)研究，明確煤自燃過(guò)程中氣體與溫度之間的關(guān)系，確定煤自燃早期預(yù)警氣體指標(biāo)，能夠及時(shí)準(zhǔn)確地對(duì)煤自然發(fā)火進(jìn)行預(yù)警，并及時(shí)給出防治措施，在一定程度上對(duì)煤自燃火災(zāi)的防治起到了不可估量的作用。

1 煤低溫氧化試驗(yàn)

1.1 實(shí)驗(yàn)裝置

為能夠正確選取煤自燃指標(biāo)氣體，筆者通過(guò)程序升溫考察煤低溫氧化氣體產(chǎn)生規(guī)律。實(shí)驗(yàn)所選取的煤樣為正通煤業(yè)202工作面煤樣，試驗(yàn)裝置采用的是DF13488煤自燃程序升溫裝置[13]，該裝置是由西安科技大學(xué)自主研發(fā)的一款裝置，試驗(yàn)裝置共包括氣源、高溫反應(yīng)爐、尾氣處理和氣樣分析4個(gè)部分[14]，如圖1所示。

圖1 煤自燃程序升溫實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)

1.2 實(shí)驗(yàn)過(guò)程

首先將從煤礦工作面提取的煤樣運(yùn)送至指定的實(shí)驗(yàn)室，并及時(shí)將煤樣進(jìn)行破碎，盡量將煤體破碎為10mm粒徑以下的小顆粒，方便進(jìn)行后續(xù)實(shí)驗(yàn)。然后將破碎好的煤樣進(jìn)行篩分且分組，<0.9mm的為一組，0.9mm～3mm的為一組，3mm～5mm的為一組，5mm～7mm的為一組，7mm～10mm的為一組，共計(jì)5組。實(shí)驗(yàn)共分為兩大部分進(jìn)行，每組參與實(shí)驗(yàn)的煤樣都是相同的，即從已經(jīng)篩分出的5種不同粒徑的煤樣中各取200g，混合形成不同粒徑的混合煤樣，共計(jì)1kg[9]。

第一組實(shí)驗(yàn)：檢查實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)氣密性完好后，將反應(yīng)爐溫度設(shè)置為25℃，且一直保持此溫度；預(yù)先通30min空氣，然后開(kāi)始實(shí)驗(yàn)，將風(fēng)量設(shè)置為3ml/min，實(shí)驗(yàn)裝置開(kāi)始運(yùn)行，等待5h，開(kāi)始第一次抽取氣體并進(jìn)行檢測(cè)，之后每隔半小時(shí)抽取氣體一次，并立即檢測(cè)所抽取氣體，實(shí)驗(yàn)時(shí)間為5h；之后調(diào)節(jié)風(fēng)量的數(shù)值，依次改變?yōu)?ml/min和9ml/min，每次改變風(fēng)量后的操作和風(fēng)量為3ml/min時(shí)的操作相同[1]，采用SP-2120氣相色譜儀檢測(cè)氣體。

第二組實(shí)驗(yàn)：檢查實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)氣密性完好后，將反應(yīng)爐溫度設(shè)置為25℃，且一直保持此溫度；然后開(kāi)始實(shí)驗(yàn)，將風(fēng)量設(shè)置為30ml/min，實(shí)驗(yàn)裝置開(kāi)始運(yùn)行，等待5h，開(kāi)始第一次抽取氣體并進(jìn)行檢測(cè)；之后調(diào)節(jié)風(fēng)量的數(shù)值，依次改變?yōu)?0ml/min、90ml/min和120ml/min，不同氣體流量的實(shí)驗(yàn)時(shí)間為90min[1]，氣體采集時(shí)間與檢測(cè)與第一組實(shí)驗(yàn)相同。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

圖2 不同風(fēng)量條件下O2濃度與時(shí)間的關(guān)系

在進(jìn)行煤自燃預(yù)警指標(biāo)氣體選擇時(shí)要注意，所選取的指標(biāo)氣體要方便檢測(cè)，并且檢測(cè)結(jié)果要有規(guī)律、能夠反映出煤自然發(fā)火的真實(shí)情況[15]。通過(guò)煤低溫氧化試驗(yàn)，分析煤在低溫氧化過(guò)程中的氣體產(chǎn)生規(guī)律，為建立分級(jí)預(yù)警指標(biāo)體系提供理論依據(jù)。筆者實(shí)驗(yàn)過(guò)程檢測(cè)氣體有N2、O2、CO、CO2、CH4、C2H6、C2H4和C2H28種氣體。煤低溫氧化主要消耗O2，產(chǎn)生氣體主要以CO和CO2為主，實(shí)驗(yàn)過(guò)程中并未產(chǎn)生C2H4和C2H2氣體，CH4和C2H6為煤層賦存氣體。

2.1 O2與CO氣體濃度分析

從圖2、圖3可以看出，在恒溫且供風(fēng)條件不同的情況下，CO在實(shí)驗(yàn)一開(kāi)始就存在，隨著實(shí)驗(yàn)的進(jìn)行，O2濃度逐漸減小，CO濃度逐漸增大。風(fēng)量為3ml/min時(shí)，O2濃度最低值為15.45%，CO濃度最高值達(dá)到338ppm，將不同風(fēng)量條件下的11組數(shù)據(jù)分別取平均值，分別為292ppm、155ppm、98ppm。

因此可以推斷出，風(fēng)量為3ml/min時(shí)的CO氣體濃度值比風(fēng)量為6ml/min時(shí)的CO氣體濃度值增加近一倍，而風(fēng)量為6ml/min時(shí)的CO氣體濃度值比風(fēng)量為9ml/min時(shí)的CO氣體濃度值風(fēng)量增加一倍。

圖4 不同風(fēng)量條件下O2濃度與時(shí)間的關(guān)系

圖5 不同風(fēng)量條件下CO濃度與時(shí)間的關(guān)系

圖4、圖5可以看出，隨著風(fēng)量的不斷增加，O2濃度斷層式增加，而CO濃度斷層式減少。當(dāng)風(fēng)量為30ml/min時(shí)，O2濃度最低值為19.15%，CO濃度最高值為57ppm；當(dāng)風(fēng)量為60ml/min時(shí)，CO濃度在27ppm左右，是風(fēng)量為30ml/min時(shí)CO濃度的一半；當(dāng)風(fēng)量為90ml/min時(shí)，CO濃度在16ppm左右，是風(fēng)量為60ml/min時(shí)CO濃度的一半；而當(dāng)風(fēng)量為120ml/min時(shí)，CO濃度在13ppm左右，與風(fēng)量為90ml/min時(shí)CO濃度差距較小。

通過(guò)上述兩組不同風(fēng)量條件下實(shí)驗(yàn)對(duì)比可知：①隨著供風(fēng)量的不斷減少，煤低溫氧化生成的CO氣體濃度會(huì)逐漸增加。出現(xiàn)這種現(xiàn)象的原因是，當(dāng)向?qū)嶒?yàn)裝置供風(fēng)時(shí)，裝煤罐的橫截面積是固定不變的，而通入實(shí)驗(yàn)裝置中的風(fēng)流中含有氧，它能夠與煤體表面活性基團(tuán)進(jìn)行氧化反應(yīng)，因此產(chǎn)生CO氣體，當(dāng)通入裝置中的風(fēng)量越小時(shí)，氧化反應(yīng)產(chǎn)生的CO氣體就越多。②恒溫條件下，供風(fēng)量為3ml/min時(shí)，煤與氧反應(yīng)產(chǎn)生CO濃度最高值為338ppm。③就單組實(shí)驗(yàn)對(duì)比來(lái)看，風(fēng)量與CO濃度關(guān)系變化比較規(guī)律，兩者之間幾乎呈反比關(guān)系，即風(fēng)量增加，CO濃度相反會(huì)有所下降。④將風(fēng)量不同的兩組實(shí)驗(yàn)進(jìn)行對(duì)比，即將圖3和圖5中的數(shù)據(jù)進(jìn)行比較，會(huì)發(fā)現(xiàn)這兩組數(shù)據(jù)之間的關(guān)聯(lián)并沒(méi)有規(guī)律，沒(méi)有可比較性。

綜合上述分析，結(jié)合202工作面的具體情況可知，在工作面正?；夭善陂g，會(huì)有新鮮空氣進(jìn)入，與煤體發(fā)生反應(yīng)產(chǎn)生CO，時(shí)間越長(zhǎng)，產(chǎn)生的CO就越多；當(dāng)工作面采完后，對(duì)采空區(qū)進(jìn)行有必要的封堵，此時(shí)進(jìn)入采空區(qū)的空氣減少，相應(yīng)的采空區(qū)CO濃度會(huì)增加，進(jìn)入采空區(qū)的空氣越多，那么CO氣體濃度就越小，兩者呈反比關(guān)系。實(shí)驗(yàn)所得數(shù)據(jù)與工作面現(xiàn)場(chǎng)的測(cè)量情況沒(méi)有較大差別，但采空區(qū)的煤體溫度升高是一個(gè)復(fù)雜的情況，僅僅兩組實(shí)驗(yàn)不能確定其溫度升高的全部因素。

2.2 CO2氣體濃度分析

圖6 不同風(fēng)量條件下CO2氣體濃度與時(shí)間的關(guān)系

由圖6可知，低風(fēng)量實(shí)驗(yàn)中，實(shí)驗(yàn)一開(kāi)始，CO2氣體就存在，而且隨著供風(fēng)量的增加，CO2濃度增加。供風(fēng)量相同條件下，隨著時(shí)間的推進(jìn)，CO2氣體穩(wěn)步增加。高風(fēng)量實(shí)驗(yàn)中，CO2從實(shí)驗(yàn)開(kāi)始也一直存在，隨著風(fēng)量增加CO2濃度逐漸減小。風(fēng)量不變時(shí)隨著時(shí)間推移CO2氣體濃度逐漸下降。

由上述分析得出，在不同風(fēng)量條件下，CO2濃度變化沒(méi)有明確趨勢(shì)，并且煤礦井下本身就存在CO2氣體，所以該氣體不能作為判斷煤低溫氧化程度的指標(biāo)氣體。

2.3 CH4氣體濃度分析

由圖7可看出，從實(shí)驗(yàn)一開(kāi)始，煤樣中就存在CH4氣體，這是由于實(shí)驗(yàn)煤樣取自高瓦斯礦井，煤層中賦存有CH4氣體。低風(fēng)量情況下，隨著風(fēng)量增大CH4氣體濃度越大，在同一風(fēng)量下隨著時(shí)間CH4氣體濃度逐漸減小。由此可以推斷，煤樣初始狀態(tài)下含有CH4，小風(fēng)量條件下，風(fēng)流流經(jīng)煤體，隨著風(fēng)量的增大，從煤樣中帶出的CH4氣體較多；當(dāng)風(fēng)量達(dá)到一定值后，風(fēng)量的影響顯著增大，稀釋了CH4，所測(cè)得的CH4濃度減小。針對(duì)煤礦工作面現(xiàn)場(chǎng)，采空區(qū)某處很難判斷煤體的量及流經(jīng)的風(fēng)量，所以CH4氣體不能作為判斷煤低溫氧化程度的指標(biāo)氣體。C2H6氣體也屬于煤樣賦存氣體，與CH4規(guī)律相似。

圖7 不同供風(fēng)量條件下CH4與時(shí)間的關(guān)系

綜合上述分析，CO2及CH4不能作為判斷煤低溫氧化程度的指標(biāo)氣體。在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，CO氣體濃度最高達(dá)338ppm。

就同一組實(shí)驗(yàn)來(lái)看，低溫氧化階段，CO氣體濃度值與風(fēng)量大體呈反比關(guān)系。在工作面正常回采期間，會(huì)有新鮮空氣進(jìn)入，與煤體發(fā)生反應(yīng)產(chǎn)生CO，時(shí)間越長(zhǎng)，產(chǎn)生的CO就越多；當(dāng)工作面停止開(kāi)采，減小工作面風(fēng)量，引起采空區(qū)遺煤氧化產(chǎn)生CO氣體[1]。以上兩種情況下的CO氣體濃度升高是正?，F(xiàn)象，并不能說(shuō)明采空區(qū)存在遺煤氧化升溫。

3 煤自燃早期指標(biāo)試驗(yàn)研究

為確定202工作面煤自燃預(yù)警的標(biāo)志性氣體，繼續(xù)選用上述實(shí)驗(yàn)裝置對(duì)工作面煤樣進(jìn)行程序升溫實(shí)驗(yàn)，該實(shí)驗(yàn)的實(shí)驗(yàn)溫度從常溫升至170℃，在實(shí)驗(yàn)開(kāi)始后，溫度每升高10℃，進(jìn)行氣體采集一次，并對(duì)所采集氣體及時(shí)分析。

圖8 煤自燃實(shí)驗(yàn)氧化產(chǎn)生氣體與溫度的關(guān)系

由圖8可知，從實(shí)驗(yàn)開(kāi)始就存在CO氣體，濃度為5ppm。CO氣體曲線在80℃之前上升趨勢(shì)緩慢，該溫度之后迅速升高。CO2氣體趨勢(shì)與CO相似，都是隨著溫度升高不斷上升。CO主要是由煤樣與氧氣接觸產(chǎn)生，CO2氣體從實(shí)驗(yàn)開(kāi)始存在說(shuō)明煤樣中含有一定量的CO2氣體。

圖9 煤自燃實(shí)驗(yàn)熱解氣體與溫度的關(guān)系

由圖9可知，常溫下就存在CH4和C2H6氣體，隨著煤溫升高氣體趨勢(shì)不斷變化。在80℃～100℃范圍內(nèi)出現(xiàn)峰值，說(shuō)明煤樣中本身含有CH4和C2H6氣體，隨著實(shí)驗(yàn)的進(jìn)行，溫度不斷升高，CH4和C2H6氣體從煤體中分離出來(lái)，在120℃之后氣體濃度維持在較低濃度范圍，主要是由煤樣裂解產(chǎn)生。C2H4氣體在煤溫達(dá)到90℃時(shí)出現(xiàn)，這是由于煤樣裂解產(chǎn)生的。實(shí)驗(yàn)表明C2H4氣體作為煤樣高溫裂解產(chǎn)物在煤樣溫度達(dá)到90℃時(shí)產(chǎn)生，表明C2H4氣體該工作面煤自然發(fā)火的指標(biāo)氣體。

圖10 氣體濃度比值與溫度的關(guān)系

煤自燃程序升溫實(shí)驗(yàn)中，除了可以對(duì)某一種氣體生成規(guī)律進(jìn)行研究外，也可以通過(guò)分析氣體比值來(lái)確定煤自燃指標(biāo)[1]，由圖10可看出，隨著煤樣溫度的逐漸升高，CO/ΔO2(ΔO2為氧氣消耗量)值呈指數(shù)形式增加，發(fā)現(xiàn)CO/ΔO2值升高明顯，表明煤發(fā)生自燃。CO/CH4值在110℃之前隨著煤溫升高基本無(wú)變化，之后隨著煤溫升高不斷增加。隨著煤溫升高，CO/CO2值呈上升趨勢(shì)，C2H6/CH4值變化趨勢(shì)不明顯，無(wú)法作為判斷煤自燃的指標(biāo)。

綜合上述實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析可知，煤程序升溫實(shí)驗(yàn)過(guò)程產(chǎn)生的氣體可作為判斷煤自燃的指標(biāo)，主要有CO、C2H4、CO/ΔO2可作為輔助指標(biāo)[1]。

4 結(jié)論

①在不同風(fēng)量條件下對(duì)煤樣進(jìn)行煤低溫氧化實(shí)驗(yàn)，表明CO2、CH4、C2H6不能作為判斷202工作面煤低溫氧化程度的指標(biāo)氣體，CO氣體在工作面臨時(shí)停采、撤面的情況下濃度升高是正?，F(xiàn)象，并不能說(shuō)明采空區(qū)存在遺煤氧化升溫。②通過(guò)程序升溫實(shí)驗(yàn)，分析所取煤樣在升溫過(guò)程中產(chǎn)生的氣體，確定了202工作面的煤自燃指標(biāo)氣體為CO、C2H4，輔助指標(biāo)為CO/ΔO2。③通過(guò)本文實(shí)驗(yàn)確定了正通煤業(yè)202工作面煤自燃預(yù)警指標(biāo)氣體，為該工作面火災(zāi)防治工作提供依據(jù)。