姜家灣煤礦11 號煤層最短自然發(fā)火期實驗研究

崔佳楠

（晉能控股集團地煤大同有限公司，山西 大同 037000）

礦井工作面采動遺留的采空區(qū)環(huán)境中，散碎煤炭自燃通常會引發(fā)礦井火災(zāi)。這種煤炭自燃火災(zāi)對我國煤礦安全生產(chǎn)有極其嚴重的影響，其危險性非常嚴重，決不可輕視。一旦發(fā)生煤炭自燃火災(zāi)，將會造成大量煤炭資源的燃燒損失，并給礦山帶來巨大的損失。礦井火災(zāi)經(jīng)常會導(dǎo)致瓦斯爆炸事故與煤塵爆炸事故，除了造成煤炭資源的損失，還可能會造成一些人員傷亡事故。盡管已經(jīng)采取了一系列措施來預(yù)防和控制煤礦自燃火災(zāi)，但仍需要繼續(xù)加強技術(shù)研究、管理措施和培訓(xùn)教育，以降低自燃火災(zāi)風(fēng)險。根據(jù)相關(guān)統(tǒng)計數(shù)據(jù)顯示，我國有超過50%的煤層存在自燃傾向，而采空區(qū)遺留的煤炭則是導(dǎo)致礦井自然發(fā)火的主要因素，占到了全部礦井火災(zāi)的90%以上。每年因煤炭火災(zāi)而燃燒的煤炭量均超過10 億t[1]。

國內(nèi)眾多學(xué)者，對煤的自燃特征進行了大量研究，主要通過采用絕熱氧化實驗及程序升溫實驗對煤的自燃特征進行研究。孫喜貴等[2]利用煤的絕熱氧化反應(yīng)裝置及差示掃描量熱實驗計算出了氧化升溫過程中的放熱量，測定了不同溫度煤的比熱容；王德明等[3]在程序升溫實驗的基礎(chǔ)上，提出了一項快速測試方法，用于確定煤層最短發(fā)火期；康文杰等[4]通過建立煤絕熱氧化時間和特征尺寸之間的函數(shù)關(guān)系推導(dǎo)出煤最短自然發(fā)火期快速預(yù)測模型；王文清等[5]在CO 預(yù)警值的基礎(chǔ)上，采用CO 超限防治技術(shù)來有效預(yù)防和控制煤層的自然發(fā)火。

煤層的最短自然發(fā)火期時間是衡量煤層自燃的重要指標之一。掌握煤層的最短自然發(fā)火期對礦井火災(zāi)防治工作的開展，以及礦井火災(zāi)防治工作的進行，都起著十分重要的作用。通過準確測定煤層的最短自然發(fā)火期，可提前預(yù)警和識別潛在的自燃危險區(qū)域，并采取相應(yīng)的防范措施來降低自燃火災(zāi)的風(fēng)險。這不僅有助于保護工人的生命安全和財產(chǎn)安全，還能促進煤礦的可持續(xù)發(fā)展和安全生產(chǎn)環(huán)境的改善。因此，深入了解并掌握煤層的最短自然發(fā)火期對于有效防治煤礦自燃火災(zāi)具有重要的實際意義。

為保障姜家灣煤礦11 號煤層安全高效開采，防止因采空區(qū)遺留自燃而威脅工作面安全生產(chǎn)，本文通過實驗室實驗，采用煤工業(yè)性分析、煤自燃傾向性色譜吸氧鑒定、差示掃描量熱與氣體示蹤等實驗手段，測定了該煤層工業(yè)性成分、煤自燃發(fā)火傾向等級、不同溫度煤的比熱以及煤自燃指標氣體，以此綜合確定該煤層最短自然發(fā)火期，為11 號煤層開采速率以及采空區(qū)自燃發(fā)火防控提供技術(shù)參數(shù)支撐。

1 試樣工業(yè)分析

在姜家灣11 號煤層進行煤樣現(xiàn)場采集，煤的工業(yè)性分析按照 《煤的工業(yè)分析方法》（GB/T 212-2008）的要求進行，測得11 號煤工業(yè)性指標中水分（Mad）含量為0.90%，灰分（Ad）含量為6.58%，揮發(fā)分（Vdaf）含量為29.02%。按照《煤自燃傾向性色譜吸氧鑒定法》（GB/T 20104-2006）對煤層自燃傾向性進行鑒定，鑒定結(jié)果見表1。結(jié)果顯示：該礦11 號煤層自燃傾向性等級屬于Ⅰ類，自燃傾向性為容易自燃。

表1 實驗煤樣主要煤質(zhì)指標

用差示掃描量熱法對少量煤樣進行實驗分析，可以得到不同溫度下實驗煤樣的比熱容。具體數(shù)據(jù)可以參考表2。

表2 實驗煤樣在不同溫度下的比熱容

2 煤樣標志性氣體實驗

2.1 原理分析

煤炭自燃是一種在物理和化學(xué)作用下自我加速的氧化升溫過程，可分為緩慢氧化、加速氧化和激烈氧化三個連續(xù)階段[6]。在煤氧復(fù)合學(xué)說中，認為散碎的煤體會吸附氧氣并且釋放出熱量，釋放出的熱量被用于水分的蒸發(fā)，釋放瓦斯，對煤體進行加熱，使煤體繼續(xù)反應(yīng)，致使煤體燃燒上升直至著火點，引起煤層的自燃。當煤體表面接觸到空氣中的氧氣時，煤體會通過吸附氧氣進行氧化反應(yīng)，同時釋放出熱量。這些熱量被用來加熱煤體本身，并提供蒸發(fā)水分所需的能量。水分蒸發(fā)后，還會產(chǎn)生大量的水蒸氣和煤層內(nèi)的瓦斯。瓦斯與氧氣混合后形成可燃氣體，進一步加劇了煤層的燃燒反應(yīng)。隨著反應(yīng)的進行，煤體釋放的熱量不斷積累，最終達到了能夠維持煤層自燃的溫度，導(dǎo)致煤層著火燃燒。因此，在煤氧復(fù)合學(xué)說中，煤體吸附氧氣釋放的熱量在自燃過程中起到關(guān)鍵作用，相互作用并相互促進，最終導(dǎo)致煤層自燃的發(fā)生。通過在絕熱環(huán)境下對煤樣進行氧化升溫實驗，可以獲得不同階段產(chǎn)生的氣體的種類和濃度參數(shù)，利用這些數(shù)據(jù)，可以計算出煤層自然發(fā)火的最短時間周期[7]。

2.2 氧化升溫實驗

通過絕熱氧化反應(yīng)裝置進行氧化升溫實驗。實驗過程：1）11 號煤層內(nèi)選取合適煤樣，在實驗室進行破碎加工成粒徑2.0～3.0 mm 煤炭顆粒，放置在裝置內(nèi)；2）將裝置內(nèi)空氣設(shè)置為升溫0.5 ℃/min，120 mL/min 的流量條件運送；3）抽取不同條件溫度氣體，通過色譜儀測定空氣內(nèi)氣體含量。

根據(jù)實驗過程中11 號煤層煤樣升溫氧化過程中氣體濃度的變化（詳見表3），確定了煤樣的臨界溫度為162 ℃。同時能得到最高溫度及最低溫度的對應(yīng)關(guān)系，如圖1。

圖1 煤樣最低溫度、最高溫度和進氣溫度對應(yīng)關(guān)系

表3 實驗煤樣升溫氧化過程中氣體濃度變化

2.3 標志性氣體實驗結(jié)果分析

1）由圖2 可知，CO 氣體濃度隨著溫度的增加呈指數(shù)形式增加。在低溫階段，煤炭仍會發(fā)生氧化反應(yīng)，但在153 ℃之前CO 氣體的濃度相對較低并且增長緩慢。隨著實驗煤樣的溫度逐漸升高，CO濃度也逐漸增加。雖然在低溫階段氣體濃度變化相對平穩(wěn)，但當實驗煤體的溫度達到153 ℃時，煤體中的煤氧復(fù)合反應(yīng)開始加速，生成CO 氣體的濃度快速上升。因此，CO 氣體可以作為判斷煤炭自燃的重要指標之一。

圖2 CO 隨溫度變化曲線

2）從圖3 和圖4 來看，C2H4和C2H2氣體濃度變化在圖像上表現(xiàn)相似。在實驗初期，未檢測到C2H4和C2H2氣體，由此表明煤樣中并不含有C2H4和C2H2這兩種氣體。當煤體的溫度升高到90 ℃，便開始有少量氣體的產(chǎn)生，并且隨著煤體溫度的增加，其濃度呈指數(shù)級增長，但總體濃度并不高。

圖3 C2H4 隨溫度變化曲線

圖4 C2H2 隨溫度變化曲線

因此，可作為指標氣體的為CO。

3 煤層最短自然發(fā)火期

3.1 數(shù)學(xué)模型

煤自燃是一種氧化產(chǎn)熱及向環(huán)境進行熱交換的過程。在沒有外界熱量進出的封閉條件下，實驗煤樣的氧化反應(yīng)所釋放的熱量完全用于蒸發(fā)煤樣中的水分、釋放瓦斯等氣體以及加熱煤體自身。這一過程將使得煤樣從初始常溫升溫到達交叉點溫度所需的時間，記錄為該煤層的最短自然發(fā)火期。則可建立如下最短自然發(fā)火期數(shù)學(xué)相關(guān)關(guān)系式（1）：

式中：τ為煤層最短自然發(fā)火期，d；、為煤體在溫度為ti、ti+1時的比熱容，kJ/（kg·K）；ΔWp為ti、ti+1溫度段內(nèi)煤樣中所含水分的蒸發(fā)量，%；λ為水蒸發(fā)時的吸熱，J/kg；Q'為瓦斯的解吸熱，J/m3；Δup為ti、ti+1溫度段內(nèi)實驗煤樣的瓦斯解析量；m3/kg；、為煤樣在溫度在ti、ti+1時對瓦斯的吸附量，m3/kg。

計算在不同溫度下實驗煤樣的吸附瓦斯量，可以利用下面的經(jīng)驗公式（2）：

式中：p為瓦斯壓力，kPa；q（ti）、q（ti+1）為實驗煤樣在溫度為ti、ti+1時釋放熱量的速率，J/（kg·min）。

自然發(fā)火期則可以按公式（4）計算：

綜上所述，根據(jù)以上得出的公式（4），作為對該礦11 號煤層實驗煤樣在不同溫度條件下自然發(fā)火期的計算公式。

3.2 自然發(fā)火期計算結(jié)果

經(jīng)過數(shù)學(xué)模型求解，并參考該礦實驗煤樣的檢測數(shù)據(jù)，根據(jù)最終的分析結(jié)果表明，在常溫至363 K 之間，實驗煤樣幾乎沒有水分蒸發(fā)的跡象。然而，進一步觀察發(fā)現(xiàn)，水分主要在363 K 至393 K 之間開始蒸發(fā)[8]。因此，根據(jù)實驗結(jié)果，煤樣的最短自然發(fā)火期=（-8.8+7.46+14.60+11.53+6.99+5.12+2.14+0.72+0.28+0.11=40.15，約為40 d。解算表詳見表4。

表4 實驗煤樣最短自然發(fā)火期解算表

考慮井下生產(chǎn)過程中影響煤自燃的因素眾多，為了更貼近礦井實際情況，給出煤層自然發(fā)火修正系數(shù)為1.2，綜合計算出該煤層最短自然發(fā)火期為48 d。

4 結(jié)論

1）進行了煤層工業(yè)性成分、煤自然發(fā)火傾向等級測試，發(fā)現(xiàn)姜家灣煤礦11 號煤層煤樣水分含量為0.90%，灰分含量為6.58%，揮發(fā)分含量為29.02%；煤層自燃傾向等級屬于Ⅰ類，易自燃。

2）開展了煤氧化升溫實驗，明確了煤升溫加熱氧化的臨界溫度為162 ℃，且明確了CO 是自燃的首選標志氣體，通過觀察CO 的相對量和變化率可以預(yù)測煤炭是否會發(fā)生自燃。

3）基于該煤層煤自燃特性，構(gòu)建了煤自然發(fā)火數(shù)學(xué)模型，結(jié)合井下實際工程，給出煤層自然發(fā)火修正系數(shù)為1.2，綜合計算出該煤層最短自然發(fā)火期為48 d。該數(shù)據(jù)可為11 號煤層開采速率以及采空區(qū)自然發(fā)火防控提供參數(shù)支撐。