3#煤層自然發(fā)火標(biāo)志氣體及臨界值確定

王永敬

（1.煤炭科學(xué)研究總院，北京 100013；2.煤科集團(tuán)沈陽(yáng)研究院有限公司，遼寧 沈陽(yáng) 110016；3.煤礦安全技術(shù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，遼寧 撫順 113122）

煤自燃火災(zāi)是威脅煤礦安全生產(chǎn)的5大災(zāi)害之一[1-4]，全國(guó)近80%的開(kāi)采煤層具有自燃傾向性，國(guó)有重點(diǎn)煤礦開(kāi)采的厚煤層大部分都存在煤自然發(fā)火問(wèn)題[5-6]。每年因煤火引起的災(zāi)害事故超過(guò)4 000起，造成了重大人員傷亡和財(cái)產(chǎn)損失。工作面采空區(qū)煤自燃已嚴(yán)重威脅著礦井安全生產(chǎn)。為此《煤礦安全規(guī)程》第二百六十一條及其執(zhí)行情況說(shuō)明規(guī)定：“開(kāi)采容易自燃和自燃煤層時(shí)，必須開(kāi)展自然發(fā)火監(jiān)測(cè)工作，建立自然發(fā)火監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，確定煤層自然發(fā)火標(biāo)志氣體及臨界值，健全自然發(fā)火預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)及管理制度?！苯陙?lái)，自然發(fā)火標(biāo)志氣體優(yōu)選和臨界值大多通過(guò)實(shí)驗(yàn)室實(shí)驗(yàn)利用氣體分析法獲得[7-10]。而CO產(chǎn)生受煤層本身性質(zhì)、采掘條件等因素影響，僅靠實(shí)驗(yàn)獲得其臨界值已不能準(zhǔn)確指導(dǎo)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際生產(chǎn)。新疆哈密某礦主采3#煤層，吸氧量為0.99 cm3/g，屬于容易自燃煤層，存在低溫易氧化等特點(diǎn)。為防止回采過(guò)程中3#煤層自然發(fā)火，基于上述原因，通過(guò)實(shí)驗(yàn)室實(shí)驗(yàn)和現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)統(tǒng)計(jì)分析共同確定3#煤層自然發(fā)火標(biāo)志氣體及臨界值，對(duì)煤層自然發(fā)火進(jìn)行早期預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)，并建立工作面煤自然發(fā)火分級(jí)復(fù)合指標(biāo)預(yù)警體系，就顯得尤為重要。

1 自然發(fā)火標(biāo)志氣體優(yōu)選

1.1 優(yōu)選原則

選用適宜的預(yù)測(cè)指標(biāo)是氣體分析法發(fā)揮有效作用的關(guān)鍵。對(duì)于指標(biāo)的選用，一般按靈敏性、規(guī)律性及可測(cè)性等原則進(jìn)行[11]。

1.2 氣體產(chǎn)生規(guī)律

依據(jù)GB/T 482—2008《煤層煤樣采取方法》采集3#煤層煤樣并按照GB 474—2008《煤樣的制備方法》將采集到的煤樣制成實(shí)驗(yàn)樣品。利用煤礦安全技術(shù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室CSMG-2型煤自然發(fā)火標(biāo)志氣體測(cè)試系統(tǒng)對(duì)制成的煤樣進(jìn)行程序升溫。

1）CO產(chǎn)生規(guī)律。煤的低溫氧化階段到著火燃燒階段都能產(chǎn)生CO，并且CO出現(xiàn)的溫度最低[12]。煤樣氧化升溫過(guò)程CO濃度、△φ（CO）/△T煤溫隨煤溫的變化規(guī)律如圖1。實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，CO最早被檢測(cè)，其出現(xiàn)的最低溫度為36℃，如圖1（a）。并且隨著煤溫的增加，CO濃度呈現(xiàn)快速上升的趨勢(shì)。當(dāng)煤溫超過(guò)189℃以后，CO的生成速度增加更快，發(fā)生了二次突變。當(dāng)煤溫超過(guò)489℃以后，CO氣體生成速率減緩，但絕對(duì)量仍然維持在較高的水平。升溫過(guò)程中，初期以物理吸附為主，快速上升時(shí)，化學(xué)吸附占主導(dǎo)[13]。圖 1（b）表明，煤溫超過(guò) 40 ℃以后，△φ（CO）/△T煤溫開(kāi)始迅速增加，在86℃時(shí)達(dá)到1個(gè)臺(tái)階，并一直持續(xù)到111℃，當(dāng)煤溫超過(guò)111℃以后，△φ（CO）/△T煤溫繼續(xù)增長(zhǎng)，曲線斜率較前一階段更大、趨勢(shì)更陡。當(dāng)煤溫為36℃時(shí)就檢測(cè)到了CO，但直到煤溫超過(guò)49℃以后，CO生成量和單位增率才開(kāi)始大幅增加，并呈現(xiàn)持續(xù)上漲的趨勢(shì)，表明煤開(kāi)始進(jìn)入激烈氧化階段。

圖1 煤樣氧化升溫過(guò)程CO濃度、△φ（CO）/△T煤溫隨煤溫的變化規(guī)律

2）C2H4和C3H6產(chǎn)生規(guī)律。煤自燃氧化氣體中烯烴組份有C2H4和C3H6，2種氣體是煤氧化自燃發(fā)展到一定階段才出現(xiàn)的，其總變化趨勢(shì)是隨煤溫的升高而逐漸增大。煤樣氧化升溫過(guò)程C2H4和C3H6濃度、△φ（烯烴）/△T隨煤溫的變化規(guī)律如圖2。實(shí)驗(yàn)中，檢測(cè)到C2H4、C3H6的最低溫度分別為162、189℃，兩者濃度均隨煤溫升高而逐漸增大并同時(shí)在480℃左右達(dá)到濃度峰值，如圖 2（a）。圖 2（b）表明，△φ（C2H4）/△T隨煤溫變化曲線顯示在煤溫200℃附近存在多個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)，且其斜率不斷增大，而C3H6曲線則不存在此規(guī)律。從單位生成量增率來(lái)看，C2H4的變化幅度比C3H6大。從上述分析可以得出，C2H4可作為煤已進(jìn)入加速氧化階段的重要標(biāo)志，并且在靈敏度方面C2H4比C3H6更優(yōu)。

圖2 煤樣氧化升溫過(guò)程C2H4和C3H6濃度、△φ（烯烴）/△T隨煤溫的變化規(guī)律

3）CH4、C2H6、C3H8產(chǎn)生規(guī)律。煤樣氧化升溫過(guò)程CH4濃度、△φ（CH4）/△T 煤溫隨煤溫的變化規(guī)律如圖3，煤樣氧化升溫過(guò)程 C2H6和 C3H8濃度、△φ（C2H6）/△T或△φ（C3H8）/△T煤溫隨煤溫的變化規(guī)律如圖4。圖3~圖4表明：在緩慢氧化階段和加速氧化階段前期始終能檢測(cè)到CH4氣體，濃度一直比較平穩(wěn)，保持在30×10-6以下；從加速氧化階段后期（162℃附近）開(kāi)始，CH4濃度不斷上升，并在激烈氧化階段后期（489℃附近）達(dá)到峰值，之后急劇降低。C2H6和C3H8出現(xiàn)的時(shí)間較晚，在緩慢氧化階段和加速氧化階段前期都未檢測(cè)到，C2H6出現(xiàn)的最低溫度為162℃，C3H8出現(xiàn)的最低溫度為189℃，然后兩者均在489℃附近達(dá)到峰值，之后快速下降。經(jīng)分析，3#煤層在緩慢氧化階段只有少量的CH4氣體逸出，直到加速氧化階段后期CH4的生成量才快速增加，并可檢測(cè)到C2H6氣體。進(jìn)入激烈氧化階段后，C3H8氣體開(kāi)始出現(xiàn)，CH4氣體可以作為3#煤層由緩慢氧化進(jìn)入加速氧化的判定指標(biāo)，C2H6、C3H8氣體可作為3#煤層由加速氧化進(jìn)入激烈氧化的指標(biāo)。考慮到煤氧化過(guò)程中釋放的CH4、C2H6、C3H8等氣體一般來(lái)源于吸附氣體釋放、氧化產(chǎn)生等情況，烷烴氣體宜作為34煤層自然發(fā)火的輔助指標(biāo)。只要在井下檢測(cè)到烷烴氣體濃度呈持續(xù)快速上漲的趨勢(shì)，即可預(yù)報(bào)煤已自然發(fā)火。

圖3 煤樣氧化升溫過(guò)程CH4濃度、△φ（CH4）/△T煤溫隨煤溫的變化規(guī)律

圖4 煤樣氧化升溫過(guò)程C2H6和C3H8濃度、△φ（烷烴）/△T隨煤溫的變化規(guī)律

4）C2H2氣體產(chǎn)生規(guī)律。C2H2是實(shí)驗(yàn)中最晚檢測(cè)到的氧化氣體，其產(chǎn)生的最低溫度為489℃，濃度為43.24×10-6。C2H2氣體的出現(xiàn)，表明煤已進(jìn)入激烈氧化階段后期，開(kāi)始了明焰燃燒的階段，程序升溫實(shí)驗(yàn)中表現(xiàn)為 O2以及可燃性氣體（CO、CH4、C2H6、C2H4、C3H8、C3H6）濃度急劇下降，而 CO2濃度大幅上升。因此，只要在井下檢測(cè)到C2H2氣體，即可做出監(jiān)測(cè)區(qū)內(nèi)已存在明焰燃燒的判斷，可將C2H2作為3#煤層自然發(fā)火的明火報(bào)警指標(biāo)。氧化升溫過(guò)程C2H2濃度、△φ（C2H2）/△T隨煤溫的變化規(guī)律如圖5。

圖5 煤樣氧化升溫過(guò)程C2H2濃度、△φ（C2H2）/△T隨煤溫的變化規(guī)律

1.3 自然發(fā)火標(biāo)志氣體確定

通過(guò)對(duì)實(shí)驗(yàn)過(guò)程中各類氣體變化規(guī)律分析研究，結(jié)合自然發(fā)火標(biāo)志氣體優(yōu)選原則，確定3#煤層自然發(fā)火標(biāo)志氣體為CO、C2H4和C2H2。需要注意的是：3#煤氧化升溫過(guò)程中，CO是最早出現(xiàn)的氧化氣體，并且貫穿于煤緩慢氧化、加速氧化和激烈氧化3個(gè)階段的始終，這使得預(yù)測(cè)范圍過(guò)大?；诒驹颍瑥拿鹤匀话l(fā)火標(biāo)志氣體指標(biāo)優(yōu)選的敏感性原則來(lái)說(shuō)，單一CO絕對(duì)量不適宜作為大南湖一礦3#煤層自然發(fā)火早期預(yù)報(bào)的主要指標(biāo)，還需現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際確定CO氣體指標(biāo)臨界值，以此綜合判斷自然發(fā)火狀態(tài)。

2 CO濃度現(xiàn)場(chǎng)測(cè)定

在1304運(yùn)輸巷沿巷道走向向采空區(qū)埋設(shè)束管，采用埋管抽氣法觀測(cè)采空區(qū)氣體濃度分布。共埋設(shè)束管監(jiān)測(cè)點(diǎn)3個(gè)，各束管監(jiān)測(cè)點(diǎn)間距為20 m，預(yù)埋束管和探頭均外套鋼管進(jìn)行保護(hù)。采空區(qū)束管進(jìn)氣口距離底板高度為均在1 m，防止采空區(qū)積水堵塞束管，以便監(jiān)測(cè)采空區(qū)真實(shí)氣體分布。觀測(cè)工作是通過(guò)采空區(qū)預(yù)埋管路氣樣分析，同時(shí)測(cè)定工作面風(fēng)量、氣體濃度等參數(shù)等。觀測(cè)點(diǎn)布置圖如圖6。各監(jiān)測(cè)點(diǎn)均利用束管監(jiān)測(cè)系統(tǒng)抽取氣樣，分析的氣體成分為 O2、CO、CO2及 CH4等氣體。

圖6 觀測(cè)點(diǎn)布置圖

2.1 采空區(qū)觀測(cè)

不同測(cè)點(diǎn)一氧化碳和氧氣變化曲線如圖7，回風(fēng)側(cè)氧化帶內(nèi)15~30 m區(qū)域CO濃度分布散點(diǎn)圖如圖8。分析圖7～圖8中一氧化碳、氧氣濃度的變化規(guī)律，可以看出隨著測(cè)點(diǎn)埋深的增加，測(cè)點(diǎn)濃度總體呈直線下降趨勢(shì)，1#測(cè)點(diǎn)、2#測(cè)點(diǎn)、3#測(cè)點(diǎn)O2濃度分別在距離工作面21.5、21.5、44 m位置處下降至5%以下、3%以下和1%。結(jié)合采空區(qū)煤氧化機(jī)理、采空區(qū)風(fēng)流流場(chǎng)變化規(guī)律，認(rèn)為采空區(qū)內(nèi)氧氣濃度的降低反映了采空區(qū)內(nèi)漏風(fēng)量的大小和采空區(qū)內(nèi)不同測(cè)點(diǎn)煤自然氧化耗氧情況。結(jié)合CO濃度進(jìn)行推斷，測(cè)點(diǎn)O2濃度較低的主要原因是采空區(qū)深部漏風(fēng)量變小，同時(shí)發(fā)生了較為充足的煤氧復(fù)合反應(yīng)，消耗了部分O2。隨著測(cè)點(diǎn)埋藏深度的不斷增加，3個(gè)測(cè)點(diǎn)CO氣體濃度先呈現(xiàn)遞增趨勢(shì)，經(jīng)過(guò)峰值，然后遞減，整體呈“凸”字型。1#測(cè)點(diǎn)、2#測(cè)點(diǎn)埋深至21.5m位置處出現(xiàn)峰值，分別為 664×10-6和 673×10-6；3#測(cè)點(diǎn)埋深至30.5 m位置處出現(xiàn)峰值546×10-6；隨著測(cè)點(diǎn)埋深增加氣體濃度下降，最終穩(wěn)定在（10~20）×10-6。峰值出現(xiàn)前，CO 濃度值位于（40~600）×10-6之間，處于高位狀態(tài)。觀測(cè)期間，根據(jù)散熱帶、氧化帶、窒息帶的分布規(guī)律，統(tǒng)計(jì)了采空區(qū)0~15、15~30、30~57.7 m區(qū)域的CO分布情況，總體上，采空區(qū)回風(fēng)側(cè)氧化帶內(nèi)CO濃度值較高。該區(qū)域聚集了較高濃度的CO，峰值出現(xiàn)在氧化帶中部區(qū)域，氧化帶兩側(cè)CO呈現(xiàn)對(duì)稱分布，平均濃度為240×10-6。

2.2 工作面觀測(cè)

圖7 不同測(cè)點(diǎn)CO和O2變化曲線

圖8 回風(fēng)側(cè)氧化帶內(nèi)15~30 m區(qū)域CO濃度分布散點(diǎn)圖

經(jīng)過(guò)對(duì)1304工作面進(jìn)行長(zhǎng)時(shí)間觀測(cè)，總體上來(lái)看，進(jìn)風(fēng)流、進(jìn)風(fēng)隅角未發(fā)現(xiàn)CO，從進(jìn)風(fēng)隅角至回風(fēng)隅角，CO濃度呈遞增趨勢(shì)?；仫L(fēng)隅角、回風(fēng)流、架間CO濃度分布如圖9。架間CO濃度在（0~29）×10-6區(qū)間波動(dòng)，受風(fēng)流、大氣壓的相互作用，不斷涌向涌向工作面，架間氧氣濃度較高，平均值為20.3%，總體上較為平穩(wěn)，風(fēng)流通暢，該區(qū)域CO濃度較低，平均值為11×10-6?；仫L(fēng)隅角CO濃度在布置的5個(gè)測(cè)點(diǎn)當(dāng)中，濃度值最高，普遍處于15×10-6以上，觀測(cè)其氧氣濃度波動(dòng)較大，最大值為20.5%，最小值為17.9%，部分存在渦流區(qū)域，CO涌出較多，平均值為57.6×10-6?；仫L(fēng)流 CO 濃度在（0~40）×10-6間，氧氣濃度存在一定波動(dòng)，經(jīng)過(guò)新鮮風(fēng)流的稀釋，其CO濃度低于回風(fēng)隅角，平均值為18×10-6。

圖9 不同測(cè)試位置CO濃度變化曲線

3 CO臨界值確定

在現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)期間，采空區(qū)未發(fā)現(xiàn)明顯的溫度異常點(diǎn)，但CO氣體濃度總體上呈現(xiàn)高位運(yùn)行狀態(tài)，采空區(qū)回風(fēng)側(cè)氧化帶內(nèi)CO平均濃度約240×10-6。在現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)期間采空區(qū)未發(fā)現(xiàn)溫度異常前提下，回風(fēng)隅角CO平均濃度約57.6×10-6，回風(fēng)流CO平均濃度約18×10-6。綜合自然發(fā)火標(biāo)志氣體實(shí)驗(yàn)測(cè)試和現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試結(jié)果，確定3#煤層綜放工作面采空區(qū)、回風(fēng)隅角和回風(fēng)流CO濃度臨界值分別為242×10-6、59.6×10-6和 20×10-6。根據(jù)上述分析，建立了 3#煤層綜放工作面煤自然發(fā)火分級(jí)復(fù)合指標(biāo)預(yù)警體系（圖10），分別為綠（I級(jí)）、藍(lán)（II級(jí)）、橙（III級(jí)）和紅（IV級(jí)）。

4 結(jié)論

圖10 3#煤層分級(jí)復(fù)合預(yù)警體系

1）通過(guò)實(shí)驗(yàn)確定了3#煤層自然發(fā)火標(biāo)志氣體分別為CO、C2H4和C2H2，其分別為自然發(fā)火初期、加速氧化和激烈氧化階段的標(biāo)志氣體。

2）通過(guò)實(shí)驗(yàn)和現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)分析得到采空區(qū)、回風(fēng)隅角、回風(fēng)流中CO濃度臨界值分別為242×10-6、59.6×10-6、20×10-6。

3）對(duì)采空區(qū)、回風(fēng)隅角和回風(fēng)流3個(gè)區(qū)域，建立了綠（I級(jí)）、藍(lán)（II級(jí)）、橙（III級(jí)）和紅（IV級(jí)）4級(jí)預(yù)警響應(yīng)，為煤礦建立具體的響應(yīng)計(jì)劃提供了依據(jù)。