渝陽礦煤層自燃標(biāo)志氣體及臨界值的研究

廖 禮

（松藻煤電有限責(zé)任公司渝陽煤礦，重慶市綦江區(qū)，401448）

渝陽礦煤層自燃標(biāo)志氣體及臨界值的研究

廖 禮

（松藻煤電有限責(zé)任公司渝陽煤礦，重慶市綦江區(qū)，401448）

煤炭科學(xué)研究總院重慶研究院對(duì)渝陽煤礦送去的煤樣進(jìn)行了化驗(yàn)分析，得出M8煤層屬Ⅱ類自燃煤層的結(jié)論，臨界溫度為180℃，對(duì)煤自然發(fā)火原因、機(jī)理進(jìn)行了研究，找出煤層自然發(fā)火規(guī)律，確定煤層自燃標(biāo)志氣體及臨界值；針對(duì)煤層的自燃特點(diǎn)，研究煤自燃預(yù)測預(yù)報(bào)技術(shù)，提高了煤自燃預(yù)測預(yù)報(bào)的準(zhǔn)確率，并采取針對(duì)性措施防止煤層自燃。

煤層自燃 指標(biāo)氣體 臨界值 研究

1 煤層自燃傾向性鑒定結(jié)果

1.1 煤樣工業(yè)分析及自燃傾向性試驗(yàn)結(jié)果

渝陽煤礦屬重慶松藻煤電有限責(zé)任公司的一對(duì)在生產(chǎn)礦井，設(shè)計(jì)能力0.45Mt／a，1971年投產(chǎn)，經(jīng)技改擴(kuò)能產(chǎn)量達(dá)0.9Mt／a，可采M7、M8、M11三層煤。

渝陽煤礦按規(guī)定在北三區(qū)集中回風(fēng)下山施工取樣孔對(duì)M8煤層進(jìn)行取樣，并委托重慶煤科院對(duì)煤樣進(jìn)行分析鑒定，煤樣工業(yè)分析及自燃傾向鑒定結(jié)果：水分Mad為0.94%，灰分Ad為16.25%，揮發(fā)分Vdaf為10.36%，全硫St，ad為3.12%，真相對(duì)密度dTRD為1.51，吸氧量Vd為0.85cm3／g干煤，自燃傾向性Ⅱ類。

1.2 煤樣升溫氧化試驗(yàn)結(jié)果

煤中的碳、氫等元素在常溫下就會(huì)發(fā)生氧化反應(yīng)，生成一氧化碳、甲烷及其他烷烴物質(zhì)可燃物。在對(duì)煤樣進(jìn)行升溫氧化試驗(yàn)時(shí)，煤樣升溫氧化過程中氣體產(chǎn)物及其濃度變化見表1，臨界溫度為180℃。

2 自燃標(biāo)志氣體

根據(jù)表1數(shù)據(jù)可繪制出煤樣最低溫度、最高溫度和進(jìn)氣溫度的對(duì)應(yīng)關(guān)系和煤樣生成氣體隨時(shí)間變化的曲線圖，見圖1和圖2。由升溫氧化實(shí)驗(yàn)結(jié)果看出：煤升溫氧化氣體產(chǎn)物的生成規(guī)律是，一氧化碳（CO）出現(xiàn)最早。CO是煤在氧化過程中出現(xiàn)的最早的氧化氣體產(chǎn)物，并貫穿于整個(gè)氧化過程。首選的自燃標(biāo)志氣體是CO，并得出自燃臨界量為0.1497%，可采用CO相對(duì)量和變化率為自燃趨勢預(yù)測預(yù)報(bào)指標(biāo)。

表1 煤樣升溫氧化過程中氣體濃度變化

3 煤層最短自然發(fā)火期實(shí)驗(yàn)結(jié)果

3.1 自然發(fā)火期解算模型

式中：τ——煤層最短自然發(fā)火期，d；

Cip、Ci＋1p——煤在溫度為ti、ti＋1時(shí)的比熱容；

ΔWp——ti、ti＋1溫度段內(nèi)煤樣的水分蒸發(fā)量，%；

λ——水蒸發(fā)吸熱，J／kg；

Q′——瓦斯解吸熱，J／m3

Δμp——ti、ti＋1溫度段內(nèi)煤樣的瓦斯解吸量，m3／kg。

煤樣在不同溫度下的吸附瓦斯量按下述經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算：

n——系數(shù)，可用下式確定：

式中：P——瓦斯壓力，kPa；

q（ti）、q（ti＋1）——煤樣在溫度為ti、ti＋1時(shí)的放熱速率，J／（kg·min）；

按下式計(jì)算：

式中：nco（t）——給定條件下的CO發(fā)生率，mol／（kg·min）；

nco2（t）——給定條件下的CO2發(fā)生率，mol／（kg·min）；

no2（t）——給定條件下的耗氧量，mol／（kg·min）；

qa——煤與氧化學(xué)吸熱，kJ／mol；

由于煤在常溫到90℃溫度段內(nèi)的水分蒸發(fā)量較小，所以近似認(rèn)為水分的蒸發(fā)主要在90～120℃溫度段內(nèi)完成。

3.2 解算結(jié)果

解算得松藻煤電公司渝陽煤礦M8煤層N2806工作面煤樣實(shí)驗(yàn)最短自然發(fā)火期為87d，煤樣最短自然發(fā)火期計(jì)算見表2。

4 N2805區(qū)域密閉取樣化驗(yàn)異常分析

4.1 基本情況

N2805運(yùn)輸巷和回風(fēng)巷于2006年9月形成封閉，從2006年9月至2010年3月17日救護(hù)隊(duì)取樣化驗(yàn)結(jié)果均無CO出現(xiàn)。從2010年4月8日開始，N2805運(yùn)輸巷密閉墻內(nèi)CO出現(xiàn)超限現(xiàn)象，呈上升趨勢，N2805運(yùn)輸巷密閉取樣化驗(yàn)見表3。N2805運(yùn)輸巷CO最大達(dá)到0.079%，并立即對(duì)N2805區(qū)域密閉進(jìn)行打孔注馬麗散，N2805運(yùn)輸巷密閉采取了注黃泥漿。

表2 煤樣最短自然發(fā)火期計(jì)算表

表3 N2805運(yùn)輸巷密閉取樣濃度化驗(yàn)表

4.2 取樣化驗(yàn)分析

（1）N2805回風(fēng)巷密閉無論外漏、內(nèi)漏，CO濃度變化都不大，只有2010年5月30日，煤樣CO濃度為0.0030%，其余幾天均為0，可排除N2805回風(fēng)巷附近煤層自燃的可能性，或者說采取注馬麗散的措施取得較好的效果。

（2）N2805運(yùn)輸巷密閉外漏時(shí)，CO濃度高達(dá)0.0790%，內(nèi)漏時(shí)較小。因此N2805運(yùn)輸巷附近存在煤層自燃的可能性仍然很高；內(nèi)漏、外漏時(shí)CO濃度相差較大，說明漏風(fēng)量大，即注馬麗散措施和注黃泥漿的措施取得的效果都不是很明顯。

（3）N2803回風(fēng)巷密閉內(nèi)漏、外漏一直以來相差就不大，說明原來該密閉質(zhì)量還是比較好的，一周時(shí)間都在0.0023%以內(nèi)，也可以排除N2803回風(fēng)巷附近煤層自燃的可能性。

（4）N2803運(yùn)輸巷密閉自發(fā)現(xiàn)CO異常以來，最高CO只有0.0032%，只有2010年5月30日煤樣CO濃度為0.0012%，其余幾天均為0，也可以排除N2803運(yùn)輸巷附近煤層自燃的可能性。

4.3 結(jié)果分析

（1）確定發(fā)生自然氧化的地方是N2805運(yùn)輸巷附近煤體。

（2）格雷哈姆系數(shù)法判別：式中：R1——第一火災(zāi)系數(shù)，%；

R2——第二火災(zāi)系數(shù)，%；

R3——第三火災(zāi)系數(shù)，%；

＋△CO2——CO2的增加量，即測定地點(diǎn)空氣成分中的CO2減去入風(fēng)流中的CO2量；

＋△CO——CO的增加量，即測定地點(diǎn)空氣成分中的CO減去入風(fēng)流中的CO量；

－△O2——O2的增加量，即入風(fēng)流中的CO2減去測定地點(diǎn)空氣成分中的O2量。

根據(jù)表3測得數(shù)據(jù)，由公式（5）、（6）、（7）可以計(jì)算出N2805運(yùn)輸巷密閉附近煤體的火災(zāi)系數(shù)：R1＝38.5%，R2＝0.361%，R3＝1.75%。

一般以R2作為主要指標(biāo)，R1作為輔助指標(biāo)，R3主要用于風(fēng)流狀態(tài)變化很大的時(shí)候。正常情況下，R2小于0.5%、R2大于0.5%時(shí)，應(yīng)高度警惕；R2大于10%時(shí)，已經(jīng)發(fā)生火災(zāi)。本次CO異常情況R2＝0.361%，小于0.5%，因此判別煤層未發(fā)生火災(zāi)，處在自熱期。

（3）目前的情況來看，自燃沒有發(fā)生，只是存在漏風(fēng)源供給煤體緩慢氧化所需要的氧氣，在氧氣不充分的條件下氧化，產(chǎn)生一氧化碳。

5 結(jié)論

（1）首選的自燃標(biāo)志氣體是CO，可采用CO相對(duì)量和變化率為自燃趨勢預(yù)測預(yù)報(bào)指標(biāo)。

（2）根據(jù)煤樣升溫氧化試驗(yàn)結(jié)果，采用最短自然發(fā)火期模型解算得煤樣最短自然發(fā)火期為87d。

（3）煤層自燃標(biāo)志氣體臨界指標(biāo)。通過對(duì)N2805區(qū)域密閉CO異常情況的分析來看，在風(fēng)流相對(duì)穩(wěn)定的情況下，CO超過0.07%并呈上升趨勢，應(yīng)高度警惕可能已發(fā)生火災(zāi)；在風(fēng)流不穩(wěn)定的情況下，可能由于缺氧抑制煤的自燃，即使達(dá)到了0.07%的臨界值，也會(huì)因缺氧自動(dòng)熄滅，因此無所謂臨界值，但是達(dá)到0.07%也應(yīng)高度重視，采取措施；在流動(dòng)空氣少的均壓狀態(tài)下，均壓的狀態(tài)會(huì)因?yàn)樽匀籍a(chǎn)了氣體而打破，并會(huì)隨著氣體的釋放而恢復(fù)出現(xiàn)呼吸現(xiàn)象，導(dǎo)致CO濃度忽高忽低。

（4）煤層自燃溫度臨界指標(biāo)。標(biāo)志氣體與煤溫之間并非簡單的一一對(duì)應(yīng)關(guān)系。標(biāo)志氣體是在實(shí)驗(yàn)室條件下優(yōu)選的，由于現(xiàn)場條件的復(fù)雜、多變，在標(biāo)志氣體的使用過程中，應(yīng)結(jié)合現(xiàn)場實(shí)際加以補(bǔ)充、修正。由于礦井發(fā)生火災(zāi)時(shí)，溫度不易檢測到，因此還需要做大量的工作來修正，在未修正前，溫度臨界指標(biāo)以實(shí)驗(yàn)室得出結(jié)論180℃為指標(biāo)。

（5）由于常溫、常壓下，煤會(huì)與空氣發(fā)生氧化反應(yīng)，且掘進(jìn)爆破作業(yè)、施工鉆孔等因素都會(huì)產(chǎn)生CO，因此在風(fēng)流中檢測出CO時(shí)應(yīng)進(jìn)行定點(diǎn)、定時(shí)連續(xù)觀測；當(dāng)檢測出的CO氣體濃度有穩(wěn)定增加的趨勢時(shí)，才可判斷回風(fēng)流的上風(fēng)側(cè)產(chǎn)生高溫點(diǎn)或自燃火源。

［1］ 朱云輝等.淮南礦區(qū)13煤層自然發(fā)火標(biāo)志氣體研究［J］.煤礦安全，2010（8）

［2］ 張廣文，王旭.煤的自燃指標(biāo)氣體檢測［J］.礦業(yè)安全與環(huán)保，2005（5）

［3］ 崔洪義，王振平，王洪權(quán).煤層自然發(fā)火早期預(yù)報(bào)技術(shù)與應(yīng)用［J］.煤礦安全，2001（12）

［4］ 王伯順，邵輝，石必明.煤炭自燃預(yù)測指標(biāo)氣體的試驗(yàn)研究［J］.煤礦開采，2001（1）

［5］ 呂品.煤炭自然發(fā)火指標(biāo)氣體的試驗(yàn)研究及其應(yīng)用［J］.中國煤炭，2000（4）

Research on sign gas and critical value of coal spontaneous combustion in Yuyang Mine

Liao Li
（Yuyang Mine，Chongqing Songzao C＆E Co.，Ltd.，Qijiang，Chongqing 401448，China）

Chongqing Research Institute of CCRI did the chemical analysis on the coal samples from Yuyang Mine，and obtained the conclusion that M8coal seam belongs to class II spontaneous combustion coal seam，and the critical temperature is 180℃.The causes of coal spontaneous combustion and mechanism have been studied，and the coal spontaneous combustion law has been found out，and the sign gas and critical value of coal spontaneous combustion have been determined.Aiming at the characteristics of coal spontaneous combustion，the paper has researched the prediction technology for it，which has improved the prediction accuracy of coal spontaneous combustion，and then the corresponding measures can be taken to prevent coal seam spontaneous combustion.

coal spontaneous combustion，index gas，critical value，research

TD752

A

廖禮（1985－），男，2007年畢業(yè)于華北科技學(xué)院安全工程專業(yè)，學(xué)士學(xué)位，助理工程師，主要從事煤礦通風(fēng)安全及瓦斯防治工作，現(xiàn)任松藻煤電有限責(zé)任公司渝陽煤礦通風(fēng)科副科長，并取得國家注冊(cè)安全工程師執(zhí)業(yè)資格。

（責(zé)任編輯 張艷華）