紅慶河煤礦3-1煤層自然發(fā)火標(biāo)志性氣體研究及應(yīng)用*

許永成，劉春江，呂會慶，田學(xué)剛

(北京天地華泰礦業(yè)管理股份有限公司，北京 100013)

0 引言

紅慶河煤礦井田位于內(nèi)蒙古自治區(qū)鄂爾多斯市伊金霍洛旗境內(nèi)(東勝煤田南緣東部)，其南北長約19 km，東西寬約8.6～13 km，面積181.44 km2；其構(gòu)造形態(tài)與區(qū)域含煤地層構(gòu)造形態(tài)一致，總體為一向西傾斜的單斜構(gòu)造，傾角一般 1°～3°，地層產(chǎn)狀沿走向及傾向均有一定變化，但變化不大。礦井生產(chǎn)能力為1 500萬t/a，服務(wù)年限99.3 a。采用立井開拓方式，共設(shè)主、副井，中央1#、2#風(fēng)井4個井筒。該礦采用分區(qū)式通風(fēng)、機械抽出式通風(fēng)方法，由主、副井進風(fēng)，中央1#、2#風(fēng)井回風(fēng)。屬低瓦斯礦井，主采3-1煤層，平均厚度6.6 m；3-1煤層以不粘煤為主，含少量長焰煤。自燃傾向性為容易自燃，最短自然發(fā)火期45 d。綜采工作面回采過程中由于采空區(qū)遺煤氧化出現(xiàn)了CO超限現(xiàn)象。

煤從開始蓄熱發(fā)展到燃燒整個過程中，會生成不同的氣體，這些氣體是在一定溫度下所生成的產(chǎn)物，隨著溫度的升高，氣體生成量呈現(xiàn)規(guī)律性變化，用它們可以推測出煤體溫度，這種氣體稱之為指標(biāo)氣體[1-4]。利用指標(biāo)氣體可以找到高溫?zé)嵩?，可以分析煤自燃的發(fā)展程度，從而有足夠的時間提出相應(yīng)的措施去治理煤自然發(fā)火，避免因煤自燃給礦井、給工人帶來的災(zāi)害。因此，選擇合適的標(biāo)志性氣體，可通過標(biāo)志性氣體的檢測，對自燃火災(zāi)進行早期預(yù)測預(yù)報[5-8]。為掌握3-1煤層自然發(fā)火標(biāo)志性氣體，指導(dǎo)礦井安全生產(chǎn)，在3-1402綜采工作面采集煤樣，對自然發(fā)火標(biāo)志性氣體進行檢測、分析。

1 煤樣采集與試驗過程

1.1 煤樣的采集與制備

試驗煤樣取自紅慶河煤礦3-1煤層3-1402綜采工作面，試驗時，去掉大塊煤外殼，取芯粉碎，選取粒徑：0～1 mm、1～3 mm、3～5 mm、5～10 mm共計4種煤粒，用盒子密封保存。為反映煤粒粒徑對煤自燃的影響，選用4種粒徑質(zhì)量比1∶1∶1∶1的混合煤樣來測試紅慶河3-1煤層自然發(fā)火標(biāo)志性氣體。

1.2 試驗過程

在試驗過程中將4種不同粒徑的煤樣按質(zhì)量比1∶1∶1∶1混合后，在煤樣罐中裝入1.2 kg煤樣，進行程序升溫試驗。

檢查裝置氣密性，調(diào)試、校準(zhǔn)氣體分析裝置，向煤樣罐內(nèi)通入130 mL/min的不同濃度的氧氣。

試驗時升溫速率為0.5 ℃/min，溫度上升至測試溫度時，穩(wěn)定2 min后，進行氣樣采集，分析氣體成分與濃度。

為使試驗結(jié)果更加準(zhǔn)確，向煤樣供給不同濃度的O2，進行程序升溫試驗，對煤樣在不同供氧條件下氧化過程中的氣體產(chǎn)物進行測試，分析不同溫度下氣體產(chǎn)物中各種氣體出現(xiàn)的溫度、CO變化規(guī)律以及O2濃度的變化趨勢。

2 試驗結(jié)果及其分析

2.1 不同供氧條件下CO與溫度的關(guān)系

試驗結(jié)果如圖1所示，圖1是不同供氧濃度條件下紅慶河煤礦3-1煤層煤樣CO產(chǎn)生量曲線。由圖1可知，3-1煤層煤樣在常溫下有CO出現(xiàn)。在空氣的供氧條件下，煤樣在氧化過程中的CO產(chǎn)生量隨煤溫的升高而增加，呈近似指數(shù)關(guān)系；初始階段，CO產(chǎn)生量曲線斜率較小，CO增長幅度不大且產(chǎn)生量??；當(dāng)煤溫上升到一定溫度后，CO產(chǎn)生量曲線斜率明顯增大，CO產(chǎn)生量增長急??；劇烈氧化階段，CO濃度達到最大值。煤溫達到100 ℃之前，不同供氧(供氧濃度8%、9%和10%)條件下煤樣的CO產(chǎn)生量與空氣供氧條件下的產(chǎn)生量相差不大，當(dāng)煤溫超過100 ℃之后，CO產(chǎn)生量曲線出現(xiàn)逐漸平穩(wěn)的趨勢，且隨著供氧濃度的減少，降幅越明顯。且CO的產(chǎn)生規(guī)律能夠較好地反映紅慶河煤礦3-1煤層的自燃特征，可以作為紅慶河煤礦3-1煤層的自然發(fā)火指標(biāo)氣體。

圖1 不同供氧條件下煤樣CO產(chǎn)生量曲線

2.2 不同供氧條件下C2H4與溫度的關(guān)系

圖2是不同供氧濃度條件下紅慶河煤礦3-1煤層煤樣C2H4產(chǎn)生量曲線。從圖2可知，不同供氧濃度條件下C2H4產(chǎn)生量曲線趨勢基本相同，其產(chǎn)生量隨煤溫的升高而基本呈指數(shù)規(guī)律增大，煤樣溫度達到150 ℃前，C2H4產(chǎn)生量增長緩慢，煤樣溫度達到150 ℃后，C2H4產(chǎn)生量迅速增長。與空氣供氧條件下C2H4產(chǎn)生量曲線相比，低供氧濃度條件下C2H4產(chǎn)生量曲線斜率增長較小。在同一煤溫下，隨氧氣濃度的降低，C2H4產(chǎn)生量呈遞減趨勢。且C2H4氣體產(chǎn)生量隨煤溫變化規(guī)律性較好。因此，C2H4可以作為紅慶河煤礦3-1煤層自然發(fā)火指標(biāo)氣體。

圖2 不同供氧條件下煤樣C2H4產(chǎn)生量曲線

表1是紅慶河煤礦3-1煤在不同供氧條件下首次檢測到C2H4的溫度及濃度。由表1知，低供氧條件下首次檢測到C2H4的溫度比空氣供氧條件下延遲了10℃；在低供氧的條件下，首次檢測到C2H4濃度隨氧氣濃度的升高呈逐漸增大趨勢。

表1 首次檢測到C2H4的溫度及濃度

2.3 不同供氧條件下C2H6與溫度的關(guān)系

圖3是不同供氧濃度條件下紅慶河煤礦3-1煤層煤樣C2H6產(chǎn)生量曲線。從圖3可知，不同供氧濃度條件下C2H6產(chǎn)生量曲線趨勢基本相同，煤樣溫度達到150 ℃前，C2H6產(chǎn)生量增長緩慢，煤樣溫度達到150 ℃后，C2H6產(chǎn)生量迅速增長。與空氣供氧條件下C2H6產(chǎn)生量曲線相比，低供氧濃度條件下C2H6產(chǎn)生量曲線斜率增長較小。在同一煤溫下，隨氧氣濃度的降低，C2H6產(chǎn)生量呈遞減趨勢。且C2H6產(chǎn)生量隨煤溫的升高而增大。因此，C2H6氣體可以作為紅慶河煤礦3-1煤層自然發(fā)火輔助指標(biāo)。

表2是紅慶河煤礦3-1煤在不同供氧條件下首次檢測到C2H6的溫度及濃度。由表2知，低供氧條件下首次檢測到C2H6的溫度比空氣供氧條件下延遲了10 ℃；在低供氧濃度條件下，首次檢測到C2H6濃度隨氧濃度的升高呈現(xiàn)出逐漸增大的趨勢。

圖3 不同供氧條件下煤樣C2H6產(chǎn)生量曲線

表2 首次檢測到C2H6的溫度及濃度

2.4 不同供氧條件下C3H8與溫度的關(guān)系

圖4是不同供氧濃度條件下紅慶河煤礦3-1煤層煤樣的C3H8產(chǎn)生量曲線。從圖4可知，不同供氧濃度條件下C3H8產(chǎn)生量曲線趨勢基本相同，煤樣溫度達到150 ℃前，C3H8產(chǎn)生量增長緩慢，煤樣溫度達到150 ℃后，C3H8產(chǎn)生量開始迅速增長。與空氣供氧條件下C3H8產(chǎn)生量曲線相比，低供氧濃度條件下C3H8產(chǎn)生量曲線斜率增長較小。在同一煤溫下，隨氧氣濃度降低，C3H8產(chǎn)生量呈遞減趨勢。且C3H8產(chǎn)生量隨煤溫升高總體呈增大趨勢。因此，C3H8可作為紅慶河煤礦3-1煤層自然發(fā)火輔助指標(biāo)。

圖4 不同供氧條件下煤樣C3H8產(chǎn)生量曲線

表3是紅慶河煤礦3-1煤在不同供氧條件下首次檢測到C3H8的溫度及濃度。由表3知，低供氧條件下首次檢測到C3H8溫度比空氣供氧條件下延遲了10 ℃；在低供氧條件下，首次檢測到C3H8的濃度隨著氧濃度的升高呈現(xiàn)出逐漸增大的趨勢。

表3 首次檢測到C3H8的溫度及濃度

2.5 C2H2氣體

C2H2僅產(chǎn)生于煤的劇烈氧化階段，具有較強的溫度區(qū)間特征。雖然在20～200 ℃試驗條件下沒有C2H2出現(xiàn)，可一旦在井下檢測到C2H2，則說明煤溫已超過200 ℃，表明煤已經(jīng)發(fā)生劇烈的化學(xué)反應(yīng)。因此，將C2H2作為紅慶河煤礦3-1煤層劇烈氧化階段的指標(biāo)氣體之一。

3 煤炭自燃分級預(yù)警指標(biāo)

根據(jù)現(xiàn)場觀測及分析并參考相鄰煤礦的經(jīng)驗，紅慶河煤礦3-1402綜采工作面CO主要由以下原因產(chǎn)生[9-11]：采空區(qū)遺煤氧化；井下車輛作業(yè)產(chǎn)生的尾氣；采煤機割煤過程中局部高溫點產(chǎn)生。

其中采空區(qū)遺煤氧化產(chǎn)生的CO是3-1402綜采工作面CO超限的主要原因，如果工作面車輛集中作業(yè)，也將造成工作面CO超限。根據(jù)相鄰煤礦的經(jīng)驗結(jié)合紅慶河煤礦的實際情況，確定工作面回風(fēng)隅角CO濃度按24 ppm為限進行管理，自燃預(yù)警濃度按50 ppm為限進行管控?；仫L(fēng)隅角CO呈升高趨勢或大于50 ppm時，必須進行匯報，并查明超限原因，加強氣體檢測，采取措施將CO濃度控制不超過50 ppm。

日常管理中當(dāng)CO濃度超過50 ppm，不超過130 ppm時，必須匯報總工程師、安全副礦長，并采取預(yù)防性注氮措施，加快推進速度，采面每日推進不少于1.78 m，每天兩班注氮量不低于10 000 m3/d。

日常管理中CO濃度超過130 ppm時，采取黃泥灌漿、注氮、噴灑阻化劑等措施，每天三班注氮且注氮量不低于15 000 m3/d，兩班灌漿量不低于450 m3/d。

4 結(jié)論

(1)根據(jù)煤自燃標(biāo)志性氣體選取原則，結(jié)合煤樣程序升溫試驗結(jié)果，選擇將CO、C2H4與C2H2作為紅慶河煤礦3-1煤層自然發(fā)火的指標(biāo)氣體，C2H6、C3H8作為紅慶河煤礦3-1煤層自然發(fā)火輔助指標(biāo)。

(2)煤樣在常溫下就有CO出現(xiàn)，表明煤已發(fā)生低溫氧化反應(yīng)；C2H4具有可測性、靈敏性及規(guī)律性，程序升溫試驗中的出現(xiàn)溫度為100 ℃，C2H4的出現(xiàn)表明煤已進入加速氧化階段；C2H2的出現(xiàn)說明煤溫已超過200 ℃，煤已經(jīng)發(fā)生劇烈的化學(xué)反應(yīng)。

(3)3-1402綜采工作面回風(fēng)隅角CO濃度日常按24 ppm為限進行管理，自燃預(yù)警濃度按50 ppm為限進行管控。