采空區(qū)煤炭自然發(fā)火標(biāo)志性氣體實(shí)驗(yàn)研究及確定

賈文東

（同煤集團(tuán)挖金灣虎龍溝煤業(yè)有限公司，山西 大同037042）

1 引言

采空區(qū)煤炭自然發(fā)火是煤礦開采的主要危害之一，在煤炭自燃災(zāi)害發(fā)生的早期階段對(duì)其進(jìn)行預(yù)警是礦工生產(chǎn)中井下防滅火工作的基礎(chǔ)[1-3]，只有做到了準(zhǔn)確、適時(shí)地對(duì)煤層火災(zāi)進(jìn)行預(yù)報(bào)，才能及時(shí)采取預(yù)防煤層火災(zāi)措施[4,5]。煤的燃燒是一個(gè)化學(xué)變化的過程，期間會(huì)放出多種氣體。所以在進(jìn)行煤炭自然發(fā)火預(yù)測(cè)的時(shí)候，可以利用這個(gè)原理對(duì)氣體變化進(jìn)行監(jiān)測(cè)，去推測(cè)自燃煤所處階段，這個(gè)技術(shù)中，最重要的是指標(biāo)性氣體的確定，這關(guān)乎著整個(gè)防滅火工作的成敗[6,7]。

為了解某礦5#煤自然發(fā)火標(biāo)志性氣體，選取5#煤層81503工作面煤樣進(jìn)行自然發(fā)火標(biāo)志性氣體指標(biāo)實(shí)驗(yàn)研究。

2 實(shí)驗(yàn)方案及結(jié)果

煤自燃過程伴隨熱量釋放與積聚，從分子化學(xué)的角度來看，其內(nèi)部的煤基質(zhì)受外部環(huán)境影響，發(fā)生了化學(xué)反映。分子的橋鍵發(fā)生斷裂，并與存在的自由基分子發(fā)生化學(xué)合成作用，重新組合形成了多種產(chǎn)物，其中最主要的氣體產(chǎn)物是CO、CH4、C2H4以及C2H6。

2.1 實(shí)驗(yàn)方案

煤樣采于該礦5#煤層，粉碎、篩分后，選取粒徑為0～80 目的煤粒80 g，運(yùn)用實(shí)驗(yàn)室中的智能煤升溫氧化實(shí)驗(yàn)裝置，如圖1 所示，對(duì)所取煤樣進(jìn)行程序升溫-氣象色譜實(shí)驗(yàn)研究。根據(jù)以往經(jīng)驗(yàn)和防滅火要求，指標(biāo)性氣體的監(jiān)測(cè)主要為CO、CH4、C2H4以及C2H6。

圖1 智能煤升溫氧化實(shí)驗(yàn)裝置示意圖

該礦井下溫度一年中時(shí)常穩(wěn)定于25℃左右，并且按照煤體自燃氧化過程發(fā)展客觀趨勢(shì)以及該煤礦特定的防滅火要求，進(jìn)行30℃常溫條件及連續(xù)升溫條件下煤炭自燃氧化規(guī)律實(shí)驗(yàn)，明確自燃標(biāo)志性氣體。

2.2 煤升溫氧化實(shí)驗(yàn)結(jié)果

2.2.1 30℃溫度條件下的煤樣氧化實(shí)驗(yàn)

實(shí)驗(yàn)中，維持溫度為30℃，以供風(fēng)量為變量，將供風(fēng)量設(shè)置為50 mL/min、80 mL/min、125 mL/min 以及165 mL/min，相當(dāng)于實(shí)時(shí)風(fēng)速為0.1 m/min～0.32 m/min，并且設(shè)置通風(fēng)時(shí)間270 min，通過改變供風(fēng)量進(jìn)行煤樣氧化實(shí)驗(yàn)。圖2為整個(gè)不同漏風(fēng)強(qiáng)度下CO變化。

圖2 30℃不同漏風(fēng)強(qiáng)度下CO變化曲線

從圖2可以看出：在保持溫度為30℃，改變供風(fēng)量的實(shí)驗(yàn)情況下，CO產(chǎn)生量在相應(yīng)供風(fēng)量條件下變化不大，除空氣流量在80 mL/min 時(shí)CO氣體濃度略有上升外，其余實(shí)驗(yàn)條件下，CO 產(chǎn)生量變化趨勢(shì)均與供風(fēng)量的增大呈現(xiàn)反比，并且不同條件下，CO 產(chǎn)生量濃度差較小，沒有出現(xiàn)大的變化，趨于穩(wěn)定。在相應(yīng)的供風(fēng)量情況下，實(shí)驗(yàn)過程中CO釋放量差距變化不大，差距最大僅為10 ppm。

通過實(shí)驗(yàn)分析可以看出，當(dāng)該礦煤樣供風(fēng)量在50 mL/min，相當(dāng)于采空區(qū)實(shí)時(shí)風(fēng)速達(dá)到0.10 mL/min 時(shí)，煤樣CO產(chǎn)生量最大，達(dá)到了平均每分鐘產(chǎn)生15.0 mL，但是隨著時(shí)間的變化，煤樣氧化程度在呈現(xiàn)著逐漸降低的趨勢(shì)。這個(gè)現(xiàn)象說明該礦所取煤層煤樣在此實(shí)驗(yàn)情況下，氧化自燃能力最強(qiáng)。所以應(yīng)進(jìn)行供風(fēng)量為50 mL/min的程序升溫煤樣氧化分析。

圖3 30℃氧化實(shí)驗(yàn)風(fēng)速與CO濃度關(guān)系表

圖3 可看出，隨著供風(fēng)量的增強(qiáng)，實(shí)驗(yàn)中煤樣的CO 釋放量在呈現(xiàn)著逐漸減少趨勢(shì)。說明此礦5#煤層煤樣在供風(fēng)量條件為50 mL/min～80 mL/min，相當(dāng)于采空區(qū)實(shí)時(shí)風(fēng)速達(dá)到0.1 mL/min～0.17 mL/min的情況下，氧化自然發(fā)火能力達(dá)到了最強(qiáng)。這個(gè)階段的時(shí)候，發(fā)生煤炭自燃的危險(xiǎn)性較高。當(dāng)供風(fēng)量是156 mL/min，就是說，采空區(qū)風(fēng)速為0.34 mL/min 的時(shí)候，該礦煤樣氧化能力較弱，CO最大釋放量僅為8 ppm左右。

2.2.2 煤樣程序升溫實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析

從試驗(yàn)裝置供風(fēng)系統(tǒng)向程序升溫箱進(jìn)行新鮮風(fēng)流的供應(yīng)，當(dāng)設(shè)置供風(fēng)量是的時(shí)候，進(jìn)行正常氧濃度下實(shí)驗(yàn)，對(duì)該礦所取煤樣的氧化速度和指標(biāo)性氣體的變化情況的溫度極限進(jìn)行研究。下圖描述了在實(shí)驗(yàn)進(jìn)行的全過程中所產(chǎn)生的CO 的變化趨勢(shì)，能夠反映溫度的提升與CO生成量之間的相關(guān)關(guān)系。

圖4 煤樣氧化升溫過程CO的變化情況

由圖4 可以看出，實(shí)驗(yàn)溫度升至30℃的時(shí)候煤樣開始釋放CO 氣體，且濃度只有5 ppm。在溫度升至67℃之前，CO 濃度的增幅均是比較平緩的，僅在19 ppm～135 ppm 之間，當(dāng)實(shí)驗(yàn)溫度升至68℃時(shí)，氣體濃度發(fā)生急劇增加，濃度達(dá)到了280 ppm，到73.5℃時(shí)CO濃度達(dá)到324 ppm；在溫度為73.5℃～113.4℃的階段，CO 釋放量的變化出現(xiàn)了急劇上升的增長趨勢(shì)，CO 的濃度從原來的200 ppm 左右直接上升到了1 300 ppm左右，達(dá)到了上個(gè)階段濃度的6倍。

由此可以看出，CO氣體的生成量隨著溫度是在逐漸增加的。但是在此過程中，CO增幅并不是均勻變化的，當(dāng)達(dá)到某個(gè)溫度值時(shí)會(huì)出現(xiàn)突變。從圖中可以看到，在38℃時(shí)就出現(xiàn)了CO，濃度在幾十個(gè)ppm左右，在70℃左右時(shí)CO 出現(xiàn)了第一次急劇增加的現(xiàn)象；在100℃左右時(shí)CO出現(xiàn)了第二次急劇上升的趨勢(shì)。

圖5 煤樣氧化升溫C2H2、C2H4變化情況

由圖5 可以看出，溫度為262.8℃時(shí)C2H2首次出現(xiàn)，此后逐步消失；C2H4在溫度為101℃的時(shí)候第一次檢測(cè)到，并且在溫度為175℃之前，C2H4釋放量的增長是較為緩慢的，在101℃～170℃時(shí)釋放量濃度的增加幅度較小，在溫度達(dá)到180℃以后增加幅度加快，當(dāng)溫度達(dá)到200℃左右的時(shí)候，C2H4釋放量出現(xiàn)了急劇上升的變化趨勢(shì)，到262.8℃時(shí)，C2H4釋放量達(dá)到了188.38 ppm，在此之后階段雖然釋放量隨溫度的升高在繼續(xù)增加，但幅度不大。C2H4最高濃度達(dá)到了330.61 ppm。

圖6 煤樣氧化升溫過程C2H6的變化情況

由圖6可以看出，C2H6在152.3℃開始出現(xiàn)，升溫氧化過程中隨著溫度的升高增加，沒有明顯變化拐點(diǎn)。

3 自然發(fā)火標(biāo)志性氣體分析

結(jié)合實(shí)驗(yàn)室實(shí)驗(yàn)分析以及該煤礦實(shí)際開采條件，當(dāng)煤樣程序升溫氧化試驗(yàn)到達(dá)了煤基質(zhì)熱裂分解反應(yīng)時(shí)，該礦煤樣所釋放氣體主要由以上分析的4 種。從上述分析中可以看出，在進(jìn)行煤自燃災(zāi)害預(yù)報(bào)的時(shí)候選擇指標(biāo)性氣體應(yīng)該采用以CO 為主，C2H4為輔的指標(biāo)預(yù)測(cè)體系。

3.1 CO氣體

（1）當(dāng)溫度達(dá)到30℃的時(shí)候，開始出現(xiàn)了CO，但是，CO濃度較低，大約在十幾ppm，此狀況說明，所取煤樣在這個(gè)溫度的情況下就已經(jīng)發(fā)生了低溫氧化情況，開始釋放CO氣體。但是，如果隨著時(shí)間的推移，CO濃度沒有出現(xiàn)持續(xù)增加的現(xiàn)象，說明這個(gè)時(shí)候位于采空區(qū)內(nèi)的遺煤,只是處于氧化升溫的前期，沒有火災(zāi)發(fā)展趨勢(shì)，不需要采取防滅火措施；

（2）當(dāng)以CO 氣體為指標(biāo)氣體進(jìn)行預(yù)報(bào)時(shí)，要在煤樣氧化第一個(gè)階段之前（70℃）進(jìn)行。因?yàn)椋?dāng)煤炭氧化程度到達(dá)一級(jí)氧化階段后，其能力將迅速增強(qiáng)，氧化速度急劇增加，若此時(shí)才預(yù)報(bào)，為時(shí)已晚，已不能夠準(zhǔn)時(shí)對(duì)煤炭自燃進(jìn)行防治；

（3）在該礦井煤炭防滅火實(shí)際工作中，當(dāng)采用CO作為該礦煤層預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)煤炭氧化自燃標(biāo)志性氣體時(shí)，相應(yīng)的溫度與CO 釋放量、CO 釋放速率等相關(guān)參數(shù)指標(biāo)如表1所示。

表1 煤炭氧化自燃標(biāo)志性氣體參數(shù)

以CO 氧化速率增幅為標(biāo)志：介于1.5～2 ppm/℃時(shí)，應(yīng)進(jìn)行預(yù)報(bào)，當(dāng)增幅超過2 ppm/℃，要采取強(qiáng)制措施；以CO 氣體濃度為標(biāo)志：介于20 ppm～80 ppm，應(yīng)進(jìn)行預(yù)報(bào)，當(dāng)度大于80 ppm～120 ppm時(shí)應(yīng)采取措施。

3.2 C2H4 氣體

C2H4可以當(dāng)做輔助性的指標(biāo)性氣體在進(jìn)行該礦煤炭自然發(fā)火預(yù)測(cè)時(shí)發(fā)揮作用。一句以上程序升溫氧化實(shí)驗(yàn)結(jié)果可以看出，當(dāng)實(shí)驗(yàn)溫度達(dá)到100.9℃開始出現(xiàn)，隨著實(shí)驗(yàn)溫度的逐漸增大，C2H4的產(chǎn)生量逐漸增大，并且在180℃階段出現(xiàn)了陡增。所以在以該氣體進(jìn)行預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)的時(shí)候，若開始出現(xiàn)C2H4，且其濃度在逐漸增大，可以認(rèn)為這是該礦煤炭開始出現(xiàn)自燃發(fā)火的征兆，并且采空區(qū)內(nèi)溫度已經(jīng)達(dá)到了100℃以上的高溫，應(yīng)盡快采取措施，防止災(zāi)害的發(fā)生。

4 結(jié)論

結(jié)合實(shí)驗(yàn)室實(shí)驗(yàn)以及該煤礦實(shí)際開采現(xiàn)場分析，能夠得到以下結(jié)論：

（1）當(dāng)溫度為30℃的時(shí)候，該礦井5#煤層煤樣能夠釋放出CO氣體。

（2）該礦煤層工作面，當(dāng)采空區(qū)漏風(fēng)強(qiáng)度達(dá)到每分鐘0.1 mL～0.2 mL的時(shí)候，煤炭氧化程度較為強(qiáng)烈，采空區(qū)遺煤更傾向于自然發(fā)火。

（3）當(dāng)采空區(qū)溫度在30℃～50℃時(shí)，煤炭氧化時(shí)候的CO 釋放量與溫度呈現(xiàn)出了正相關(guān)的關(guān)系，且增幅較大。溫度繼續(xù)增加，當(dāng)上升至70℃的時(shí)候，CO 釋放量急劇增加。50℃～70℃時(shí)期是自燃預(yù)報(bào)與防治主要時(shí)期。

（4）該礦應(yīng)采用以CO氣體為主，以C2H4氣體為輔的預(yù)測(cè)自燃?xì)怏w指標(biāo)。