沿空掘巷工作面采空區(qū)自燃標(biāo)志性氣體識(shí)別試驗(yàn)

周 濤

(山西焦煤集團(tuán) 介休正益煤業(yè)有限公司， 山西 介休 032000)

井下火災(zāi)的早期監(jiān)測(cè)和發(fā)現(xiàn)是礦井火災(zāi)防治的前提，根據(jù)《礦井防滅火規(guī)范》規(guī)定：一、二級(jí)自燃礦井應(yīng)建立火災(zāi)預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)系統(tǒng)。目前,礦井火災(zāi)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)最常用的是礦井自燃火災(zāi)束管監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。束管監(jiān)測(cè)系統(tǒng)主要由束管取樣系統(tǒng)和地面氣體分析中心組成，通過(guò)束管將監(jiān)測(cè)點(diǎn)氣體取樣到地面，利用氣相色譜分析儀連續(xù)分析氣體組分濃度，通過(guò)各組分濃度的變化對(duì)煤層氧化自燃過(guò)程進(jìn)行判斷分析，并進(jìn)行煤自燃發(fā)火的早期預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)[1-2]. 正益煤業(yè)有限公司主采11號(hào)煤層屬特中硫～高硫煤，自燃傾向性高。采用長(zhǎng)壁式采煤法，11-110工作面皮帶巷為窄煤柱沿空掘巷，受工作面采動(dòng)影響，煤柱易產(chǎn)生較大的孔隙和裂隙，沿空掘巷巷道采空區(qū)存在較大的漏風(fēng)自燃風(fēng)險(xiǎn)。為此，亟需對(duì)11-110沿空掘巷工作面采空區(qū)氣體進(jìn)行標(biāo)志性氣體識(shí)別，并建立預(yù)警系統(tǒng)，防治煤層自燃。

1 煤自燃指標(biāo)氣體試驗(yàn)

在煤自燃的全過(guò)程中，一般可以劃分為3個(gè)時(shí)期[3]：

1) 潛伏期。這一階段，煤體的溫度比較低，一般與周?chē)沫h(huán)境溫度一致或略低于環(huán)境溫度，煤的復(fù)合氧化反應(yīng)速率偏低，化學(xué)反應(yīng)后釋放出的各類(lèi)氣體也偏少，很難被探測(cè)到，但是煤的化學(xué)活性卻在緩慢增強(qiáng)。

2) 自熱期。進(jìn)入這一時(shí)期，煤的復(fù)合氧化反應(yīng)迅速增加，反應(yīng)過(guò)程中大量生成各種氣體，如CO、CO2等，煤中的原生水也會(huì)析出，隨著熱量的產(chǎn)生，煤炭溫度不斷上升，繼而發(fā)生煤的干餾，會(huì)生成各類(lèi)碳?xì)浠衔铮鏑2H6、C2H4、C2H2.

3) 燃燒期。隨著熱量不斷積聚，煤炭溫度不斷升高，達(dá)到燃點(diǎn)后進(jìn)入燃燒期。在這一階段，煤炭燃燒規(guī)模迅速擴(kuò)大，并可能導(dǎo)致其他災(zāi)害發(fā)生。

煤自燃指標(biāo)氣體預(yù)警，是目前應(yīng)用較廣的預(yù)警方式。該方式的一般建立步驟為：通過(guò)實(shí)驗(yàn)室程序升溫實(shí)驗(yàn)，確定具備良好規(guī)律的標(biāo)志性氣體及臨界值，繼而建立自燃預(yù)警體系。

1.1 試驗(yàn)步驟

1) 煤樣采集及加工。對(duì)11#煤現(xiàn)場(chǎng)采樣，煤樣絕氧處理后迅速運(yùn)至地面實(shí)驗(yàn)室，經(jīng)破碎、振篩后，將符合實(shí)驗(yàn)要求的煤樣(200 g)放入煤樣罐，進(jìn)行后續(xù)實(shí)驗(yàn)。

2) 煤樣脫水干燥處理。采用氮?dú)飧邷馗稍锏姆绞綄?duì)罐內(nèi)的煤樣進(jìn)行干燥，干燥溫度為105 ℃，并恒溫10 h.

3) 設(shè)置升溫程序。煤樣冷卻到室溫，依據(jù)實(shí)驗(yàn)要求，通過(guò)溫度控制軟件，對(duì)升溫速率、溫度頂點(diǎn)進(jìn)行設(shè)置。

4) 數(shù)據(jù)分析記錄。按照實(shí)驗(yàn)要求，在升溫期間，以10 ℃溫度變化為標(biāo)志，進(jìn)行色譜采集分析操作并記錄數(shù)據(jù)。

1.2 試驗(yàn)結(jié)果分析

11#煤自燃標(biāo)志氣體測(cè)試結(jié)果見(jiàn)表1.

表1 煤樣升溫氧化過(guò)程氣體產(chǎn)物分析結(jié)果表

由表1可知，11#煤層煤樣在30～220 ℃溫度范圍內(nèi)升溫氧化過(guò)程中有規(guī)律出現(xiàn)H2、CO、CO2、CH4和C2H6氣體。

1) CO氣體生成變化規(guī)律。

實(shí)驗(yàn)煤樣升溫氧化過(guò)程中CO、CO2濃度隨溫度變化關(guān)系圖見(jiàn)圖1，圖2. 由圖1可知，CO產(chǎn)生量與煤溫呈指數(shù)式關(guān)系，CO在起始溫度30 ℃便開(kāi)始出現(xiàn)但濃度較低，存在于整個(gè)氧化過(guò)程中。伴隨著煤炭溫度不斷上升，CO的濃度迅速以指數(shù)曲線(xiàn)升高。特別是在溫度達(dá)到110 ℃時(shí)，CO濃度出現(xiàn)了“拐點(diǎn)”，濃度增加速率迅速加劇。類(lèi)似地，CO2也隨著溫度的變高而濃度變大，在120 ℃左右出現(xiàn)了拐點(diǎn)。

圖1 CO濃度隨溫度變化關(guān)系圖

圖2 CO2濃度隨溫度變化關(guān)系圖

2) H2、C2H4氣體生成變化規(guī)律。

實(shí)驗(yàn)煤樣升溫氧化過(guò)程中H2、C2H4隨溫度變化關(guān)系見(jiàn)圖3，圖4. 由圖3可知，煤自燃氧化氣體中H2在160 ℃時(shí)開(kāi)始出現(xiàn)，其濃度隨煤溫的升高而逐漸增大。由圖4可知，煤自燃氧化氣體中C2H4生成與H2有著相類(lèi)似的規(guī)律，其在150 ℃時(shí)開(kāi)始出現(xiàn)，其后濃度隨煤溫的升高而增大。C2H4的濃度伴隨著溫度的上升而增加，呈現(xiàn)出比較好的規(guī)律性變化，體現(xiàn)了良好的對(duì)應(yīng)關(guān)系。在實(shí)驗(yàn)溫度達(dá)到160 ℃時(shí)，開(kāi)始檢測(cè)到C2H4氣體，此后，伴隨著溫度的持續(xù)上升，氣體濃度也不斷升高，表現(xiàn)出了明顯的單調(diào)遞增規(guī)律。在溫度達(dá)到190 ℃時(shí)，C2H4氣體的濃度上升速率出現(xiàn)“拐點(diǎn)”，說(shuō)明煤樣出現(xiàn)了劇烈的氧化反應(yīng)，析出了更多的氣體?？梢哉J(rèn)為，在井下，一旦檢測(cè)到該氣體，說(shuō)明煤溫至少已達(dá)到160 ℃，進(jìn)入了劇烈氧化階段，危險(xiǎn)性很高?；贑2H4具備良好的規(guī)律與對(duì)應(yīng)關(guān)系，同時(shí)井下環(huán)境對(duì)氣體的影響較小，將C2H4與H2作為預(yù)警礦井11#煤層自燃發(fā)火的指標(biāo)氣體。

圖3 H2隨溫度變化關(guān)系圖

圖4 C2H4隨溫度變化關(guān)系圖

3) 烷烴氣體(CH4、C2H6)規(guī)律。

實(shí)驗(yàn)煤樣升溫氧化過(guò)程中CH4、C2H6隨溫度變化關(guān)系見(jiàn)圖5. 考慮到現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際，井下采空區(qū)的CH4、C2H6的濃度受到諸多因素的影響，特別是礦井通風(fēng)狀況的影響，這兩種氣體的濃度變化機(jī)理十分復(fù)雜，所以上述兩種氣體不能作為指標(biāo)氣體。綜上，正益煤業(yè)11號(hào)煤層自燃標(biāo)志氣體應(yīng)以CO為主，H2、C2H4為輔。

圖5 CH4、C2H6隨溫度變化關(guān)系圖

2 煤自燃監(jiān)測(cè)系統(tǒng)應(yīng)用

2.1 礦井火災(zāi)監(jiān)控系統(tǒng)

在利用礦井原有的煤礦安全監(jiān)控系統(tǒng)上，做適當(dāng)增容。

CO傳感器：回采工作面上隅角、距采煤工作面10 m處、緊急避災(zāi)硐室、采區(qū)回風(fēng)巷等處設(shè)置CO傳感器。CO傳感器報(bào)警濃度為0.002 4%.

溫度傳感器：在主要機(jī)電硐室、緊急避災(zāi)硐室、井下各變電所處設(shè)置溫度傳感器，報(bào)警溫度34 ℃.

煙霧傳感器：在回采工作面順槽皮帶、掘進(jìn)巷道皮帶、運(yùn)輸巷皮帶以及主井皮帶風(fēng)下側(cè)10 m等處設(shè)置煙霧傳感器。

2.2 束管監(jiān)測(cè)系統(tǒng)

煤礦自燃火災(zāi)束管監(jiān)測(cè)預(yù)報(bào)系統(tǒng)能對(duì)井下任意地點(diǎn)的O2、N2、CO、CH4、CO2、C2H4、C2H6、C2H2等氣體含量進(jìn)行24 h連續(xù)循環(huán)監(jiān)測(cè)，經(jīng)過(guò)對(duì)自燃火災(zāi)標(biāo)志氣體的確定和分析，及時(shí)預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)沿空掘巷工作面發(fā)火點(diǎn)的溫度變化[4]. 正益煤業(yè)采用KSS-200煤礦自燃火災(zāi)束管監(jiān)測(cè)預(yù)報(bào)系統(tǒng)對(duì)采空區(qū)氣體進(jìn)行監(jiān)測(cè)。

2.3 人工檢測(cè)和取樣分析

根據(jù)沿空掘巷礦井防滅火的需要，在掘進(jìn)工作面以及采煤工作面上下隅角、進(jìn)回風(fēng)順槽等處每班檢測(cè)2次。如果任何一處CO或溫度異常，可隨時(shí)根據(jù)變化情況設(shè)置測(cè)點(diǎn)，且增加每班觀測(cè)次數(shù)。

2.4 礦井火災(zāi)預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)管理

1) 加大布點(diǎn)密度，提高預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)精度。

2) 嚴(yán)格氣樣分析日?qǐng)?bào)制度，并當(dāng)天審核上報(bào)。

3) 做好防滅火監(jiān)測(cè)，針對(duì)火區(qū)和重點(diǎn)監(jiān)測(cè)點(diǎn)要繪制指標(biāo)氣體變化曲線(xiàn)圖，有針對(duì)性地提出合理化建議，從而指導(dǎo)防火工作的現(xiàn)場(chǎng)實(shí)施。

3 應(yīng)用效果

在11-110工作面回采過(guò)程中通過(guò)對(duì)煤自燃監(jiān)測(cè)系統(tǒng)監(jiān)控信息進(jìn)行綜合分析研判，可以得到沿空掘巷工作面自燃煤層采空區(qū)發(fā)火位置。通過(guò)對(duì)獲取標(biāo)準(zhǔn)參數(shù)進(jìn)行綜合分析，解決了傳統(tǒng)火災(zāi)監(jiān)控系統(tǒng)誤報(bào)率。監(jiān)控系統(tǒng)應(yīng)用后，通過(guò)及時(shí)采取防滅火措施，以及以CO為主，H2、C2H4為輔的標(biāo)志性氣體進(jìn)行監(jiān)測(cè)預(yù)警，沿空巷道采空區(qū)未發(fā)生明顯的自燃事件，表明該系統(tǒng)應(yīng)用效果較好。

4 結(jié) 論

通過(guò)升溫氧化實(shí)驗(yàn)確定了正益煤業(yè)11-110沿空掘巷工作面采空區(qū)發(fā)火標(biāo)志氣體以CO為主，H2、C2H4為輔，建立了沿空掘巷采空區(qū)煤自燃監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。煤自燃發(fā)火預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)指標(biāo)體系是基于煤層建立的，取得了較好的應(yīng)用效果。