青崗坪煤礦自然發(fā)火標(biāo)志氣體來(lái)源研究

劉 揚(yáng)，關(guān)景順，張 輝

(1.中煤科工集團(tuán)沈陽(yáng)研究院有限公司 煤礦安全技術(shù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，遼寧 撫順 113122；2.陜西旬邑青崗坪礦業(yè)有限公司，陜西 咸陽(yáng) 712000)

青崗坪煤田位于黃隴侏羅紀(jì)煤田中段之旬耀礦區(qū)東部，大地構(gòu)造位置處于鄂爾多斯盆地南緣拗陷帶。礦井主采煤層為侏羅系中統(tǒng)延安組的4-2號(hào)煤層，煤系地層的砂巖中多層含油，屬于典型的煤油氣共生煤層[1]。根據(jù)《青崗坪井田勘探地質(zhì)報(bào)告》，含油層位于延安組4-2號(hào)煤層頂?shù)装鍘r層中。4-2號(hào)煤層吸氧量為0.78 cm3/g，屬于Ⅰ類容易自燃煤層。根據(jù)《青崗坪煤礦4-2號(hào)煤層自然發(fā)火標(biāo)志氣體及臨界值測(cè)定報(bào)告》，該礦井的自然發(fā)火預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)標(biāo)志氣體指標(biāo)體系如下：①CO可以作為預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)煤自然發(fā)火的指標(biāo)氣體，CO出現(xiàn)的臨界溫度在49 ℃左右；②烯烴氣體C2H4和C3H6出現(xiàn)的初始溫度分別在139 ℃和169 ℃左右，在有CO存在的前提下，只要出現(xiàn)C2H4或C3H6，即可做出煤已自然發(fā)火的預(yù)報(bào)；③C2H2的出現(xiàn)表明煤已完全進(jìn)入燃燒階段；④C2H4/C2H6可以作為煤礦判別煤自然發(fā)火進(jìn)程的標(biāo)志氣體指標(biāo)；⑤C3H8/C2H6可以作為預(yù)測(cè)煤自然發(fā)火進(jìn)程的標(biāo)志氣體輔助指標(biāo)。自然發(fā)火標(biāo)志性氣體的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)是判斷遺煤氧化自燃進(jìn)程的重要手段[2-4]。青崗坪煤礦工作面回采時(shí)，回風(fēng)隅角及密閉墻內(nèi)常檢測(cè)到CO和C2H6，為礦井防滅火工作帶來(lái)嚴(yán)重困擾。因此，確定CO、C2H4、C2H6以及C3H8等自然發(fā)火標(biāo)志性氣體的來(lái)源，優(yōu)化煤層自然發(fā)火預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)標(biāo)志氣體指標(biāo)體系，對(duì)指導(dǎo)礦井防滅火工作和保證安全生產(chǎn)具有重要意義[5-8]。

1 采空區(qū)氣體來(lái)源分析

青崗坪煤礦采用綜采放頂煤的采煤工藝，采空區(qū)內(nèi)遺煤較多且部分頂煤無(wú)法順利下放，遺煤與頂煤在氧化的過(guò)程中會(huì)釋放出指示自然發(fā)火進(jìn)程的標(biāo)志性氣體[9-11]。在青崗坪煤礦42106工作面回風(fēng)隅角密閉墻內(nèi)埋設(shè)一根深3 m的取樣管，對(duì)采空區(qū)內(nèi)的氣體連續(xù)進(jìn)行約一個(gè)月的取樣和檢測(cè)，每天取樣1次。42106工作面回風(fēng)隅角密閉墻內(nèi)連續(xù)取樣檢測(cè)結(jié)果見(jiàn)表1，其CO與C2H6兩種氣體濃度變化情況如圖1所示。

表1 42106工作面回風(fēng)隅角密閉墻內(nèi)連續(xù)取樣檢測(cè)結(jié)果Tab.1 Gas sampling test results at the return air corner goaf of the 42106 working face

圖1 42106工作面回風(fēng)隅角密閉墻內(nèi)CO與C2H6濃度變化曲線Fig.1 The concentration change curve of CO and C2H6 at the return air corner wall of the 42106 working face

由表1可知，在連續(xù)監(jiān)測(cè)期間沒(méi)有發(fā)現(xiàn)C2H2與C2H4，但每天都可以檢測(cè)出CO與C2H6，說(shuō)明CO與C2H6長(zhǎng)期存在于采空區(qū)內(nèi)。

由圖1可以看出，采空區(qū)內(nèi)CO和C2H6濃度變化規(guī)律不同，CO濃度變化比較平穩(wěn)，波動(dòng)小，且濃度值一般不超過(guò)30×10-6；C2H6濃度變化較大，濃度在40×10-6～130×10-6。若采空區(qū)內(nèi)CO與C2H6只來(lái)自于遺煤氧化，則二者濃度的變化趨勢(shì)應(yīng)保持一致，由此可以判斷CO和C2H6的來(lái)源不完全相同。初步分析認(rèn)為，CO和C2H6來(lái)源于煤層原生氣體、采空區(qū)遺煤氧化以及含油砂巖層。

2 烴類氣體來(lái)源分析

2.1 原生油氣賦存規(guī)律

根據(jù)陜西省煤田地質(zhì)局一九四隊(duì)2006年9月提交的《青崗坪井田勘探地質(zhì)報(bào)告》，青崗坪井田勘探鉆孔中有7個(gè)鉆孔見(jiàn)油，含油層位于直羅組和延安組中，其中直羅組中細(xì)砂巖含油的有4個(gè)鉆孔，延安組中細(xì)砂巖含油的有5個(gè)鉆孔，含油級(jí)別為油跡—油斑。礦井在一采區(qū)3條集中巷開(kāi)拓及回采巷道掘進(jìn)過(guò)程中，亦在局部地段煤層及頂板巖層中揭露石油的存在，表現(xiàn)為支護(hù)錨索、錨桿滴油。

根據(jù)青崗坪井田煤層底板等高線繪制了煤層賦存的三維圖，能更加形象地顯示出油點(diǎn)與煤層賦存之間的關(guān)系。井田內(nèi)煤層呈現(xiàn)出北高南低、西高東低的埋深關(guān)系，井田內(nèi)存在東西走向的2條向斜和1條背斜，幾乎貫穿井田的東西范圍。PK2、PK4、PK6、PK14、PK17與PK9等地勘出油點(diǎn)與A、B、C等采掘過(guò)程中發(fā)現(xiàn)的出油點(diǎn)皆位于井田內(nèi)的兩處向斜軸部附近。

根據(jù)地勘數(shù)據(jù)、井下實(shí)際揭露情況結(jié)合三維示意圖進(jìn)行分析，井田內(nèi)油氣顯示主要有以下3個(gè)較為明顯的特點(diǎn)：①含油層巖性主要以細(xì)、中粒砂巖為主；②含油砂巖為透鏡狀分布，平面展布的面積較??；③含油點(diǎn)多位于向斜的軸部?jī)蓚?cè)(或隆起的上傾方向)。

圖2 青崗坪井田煤層出油點(diǎn)分布三維示意Fig.2 Three-dimensional schematic of distribution of oil outlet points in the Qinggangping Mine Coal Seams

目前生產(chǎn)的42106工作面位于PK17點(diǎn)附近，位于一個(gè)小型向斜的翼部。根據(jù)以上分析，工作面內(nèi)頂板有含油區(qū)域，采空區(qū)內(nèi)應(yīng)存在一定的油氣分布。

2.2 原生油氣成分分析

油氣中含有多種烷烴類物質(zhì)，不僅會(huì)影響井下瓦斯爆炸的上下限，而且會(huì)影響礦井的自然發(fā)火預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)標(biāo)志氣體指標(biāo)體系[12-15]。為采集到油氣樣品，在42106回風(fēng)巷車場(chǎng)處選擇滲油嚴(yán)重區(qū)域向巖層內(nèi)施工鉆孔，鉆孔施工完畢在孔內(nèi)下入φ15 mm鋼管，采用“兩堵一注”方式進(jìn)行封孔，封孔長(zhǎng)度大于所穿過(guò)的煤層厚度5 m以上，用膠管連接取樣器與鋼管端頭的球閥出氣嘴進(jìn)行采集氣樣。對(duì)氣樣進(jìn)行15 d的檢測(cè)分析，檢測(cè)結(jié)果見(jiàn)表2。

表2 42106回風(fēng)巷車場(chǎng)巖孔內(nèi)氣樣連續(xù)檢測(cè)分析結(jié)果Tab.2 Detection results of gas samples in the rock hole of 42106 return airway tank yard

由表2可知，巖孔內(nèi)C2H6的濃度變化不大，無(wú)明顯衰減現(xiàn)象，濃度保持在2 000×10-6～3 000×10-6，由此可判斷鉆孔密封良好，數(shù)據(jù)穩(wěn)定可靠；CO濃度僅為0～3×10-6，且后期無(wú)CO存在?？紤]到施工鉆孔時(shí)穿過(guò)了4～5 m厚的煤層，鉆具與煤層摩擦隨著溫度升高會(huì)產(chǎn)生部分CO，且CO分子量與空氣平均分子量十分接近，產(chǎn)生的CO不易從孔內(nèi)排出，可判斷巖孔內(nèi)的CO為打鉆過(guò)程中生成并非油氣內(nèi)含有。

為進(jìn)一步確定油氣的成分，采集1份氣樣送至沈陽(yáng)研究院實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行了C3及以上烴類成分分析，氣樣檢測(cè)圖譜如圖3所示，氣樣成分檢測(cè)結(jié)果見(jiàn)表3和表4。

圖3 巖孔內(nèi)氣樣圖譜Fig.3 The atlas of gas sample in the rock hole

表3 巖孔內(nèi)氣樣主要成分檢出時(shí)間Tab.3 Detection time of main components of gas sample in rock hole

表4 42106回風(fēng)巷車場(chǎng)巖孔內(nèi)氣樣主要成分測(cè)試結(jié)果Tab.4 Detection results of of gas samples in the rock hole of 42106 return airway tank yard

由表3和表4可知，含油砂巖層內(nèi)不含有CO，除了含有O2、N2與CO2等成分外，其余成分都是烴類物質(zhì)，主要有CH4、C2H6、C3H8、異丁烷、正丁烷、異戊烷、正戊烷、正己烷、C7H16以及C8H16等，其他組分為含量極少的其他烴類；油氣成分中烴類主要為含1～3個(gè)碳原子的烴類為主，其他烴類含量較少。

3 CO來(lái)源分析

3.1 煤層原生氣體成分分析

在42105工作面新暴露的煤壁上，利用風(fēng)煤鉆施工鉆孔并收集鉆孔內(nèi)煤樣，將煤樣送至沈陽(yáng)研究院實(shí)驗(yàn)室測(cè)定其各成分及含量。青崗坪煤礦4-2號(hào)煤層煤樣實(shí)驗(yàn)室測(cè)定結(jié)果結(jié)果見(jiàn)表5。

表5 青崗坪煤礦4-2號(hào)煤層煤樣實(shí)驗(yàn)室測(cè)定結(jié)果Tab.5 Laboratory test results of coal samples of 4-2 coal seam in Qinggangping Coal Mine

為了驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)室數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性，在42105回風(fēng)巷750 m處重新施工一個(gè)深度為90 m的本煤層鉆孔，封孔后連接到瓦斯抽采系統(tǒng)中，先進(jìn)行為期3 d的抽放，將因鉆孔施工過(guò)程中可能氧化產(chǎn)物預(yù)先排空，再對(duì)鉆孔的氣體進(jìn)行為期6 d的取樣檢測(cè)，氣樣檢測(cè)結(jié)果見(jiàn)表6。

表6 42105回風(fēng)巷750 m處本煤層鉆孔連續(xù)取樣檢測(cè)結(jié)果Tab.6 The continuous test results of the gas sample in the coal seam at 750 m from the 42105 return airway

由表5和表6可知，青崗坪煤礦4-2號(hào)煤層原生氣體成分主要由CH4和N2組成，除CH4外還含有一定量的其他烷烴，其中以C2H6為主，濃度在300×10-6左右，不含有CO、C2H4和C2H2等。

3.2 采空區(qū)遺煤氧化CO產(chǎn)生規(guī)律

為模擬破碎煤體在采空區(qū)內(nèi)的氧化規(guī)律，取42106工作面新鮮煤樣，在實(shí)驗(yàn)室中研究在空氣環(huán)境下煤粉碎過(guò)程中CO的產(chǎn)生與變化規(guī)律。實(shí)驗(yàn)工況條件如下：①粒度100目(<0.15 mm)；②質(zhì)量為1 g；③供氣流量為100 mL/min；④25～80 ℃時(shí)升溫速率為0.5 ℃/min，80～200 ℃時(shí)升溫速率為1.0 ℃/min，200～300 ℃時(shí)升溫速率為2.0 ℃/min；⑤氣樣采集間隔時(shí)間<20 min/次。

在上述實(shí)驗(yàn)條件下測(cè)得的4-2號(hào)煤層煤樣產(chǎn)生CO隨煤溫的變化情況如圖4所示。

圖4 煤樣升溫過(guò)程中CO濃度與煤溫關(guān)系Fig.4 The relationship between CO concentration and coal temperature during heating process of coal sample

由實(shí)驗(yàn)結(jié)果可知，CO的產(chǎn)生量隨著煤溫的升高而上升，其產(chǎn)生的臨界溫度為49 ℃左右，并貫穿于整個(gè)自燃氧化過(guò)程，169 ℃之前，這種變化表現(xiàn)為單一遞增關(guān)系，并基本符合指數(shù)關(guān)系，擬合關(guān)系式為y=0.3e0.049x，擬合優(yōu)度為0.949。由于青崗坪煤礦4-2號(hào)煤屬于容易自燃煤層，煤體自然氧化速度快，加之采用放頂煤的采煤工藝，采空區(qū)遺煤與頂煤留存較多，這部分煤的氧化過(guò)程會(huì)在較低溫度下產(chǎn)生CO。因此，采空區(qū)遺煤與頂煤低溫氧化生成的CO是回風(fēng)隅角及密閉墻內(nèi)CO的主要來(lái)源。

3.3 采煤時(shí)高溫氧化CO產(chǎn)生規(guī)律

采煤機(jī)割煤時(shí)滾筒與煤體碰撞產(chǎn)生的瞬間高溫也會(huì)氧化煤體釋放CO，該現(xiàn)象也可以通過(guò)實(shí)驗(yàn)室有氧升溫實(shí)驗(yàn)進(jìn)行模擬推演。

有研究表明，采煤機(jī)滾筒截齒最高瞬時(shí)溫度可達(dá)600 ℃以上，但時(shí)間極短，且采煤機(jī)上配有噴霧降塵，可降低其溫度。利用手持式紅外測(cè)溫儀在現(xiàn)場(chǎng)測(cè)得采煤時(shí)落煤實(shí)際溫度為70 ℃左右，在實(shí)驗(yàn)室環(huán)境下當(dāng)溫度超過(guò)290 ℃后，煤就會(huì)出現(xiàn)大量煙霧，甚至出現(xiàn)明火，所以實(shí)驗(yàn)溫度控制在0～260 ℃，在70 ℃處恒溫6 min。在70 ℃左右，CO濃度平均30×10-6。從70 ℃降到25 ℃的過(guò)程中，CO平均濃度為10.21×10-6。這說(shuō)明在空氣環(huán)境下采煤機(jī)滾筒截齒與煤體碰撞中產(chǎn)生高溫造成煤體氧化產(chǎn)生CO濃度在10×10-6～30×10-6變化。因?yàn)椴擅寒a(chǎn)生的CO主要隨著風(fēng)流流入回風(fēng)巷，在回風(fēng)隅角處聚集較少，也不會(huì)進(jìn)入采空區(qū)，所以采煤機(jī)采煤時(shí)產(chǎn)生的CO不是回風(fēng)隅角及密閉墻內(nèi)CO的主要來(lái)源。

4 結(jié)論

(1)利用鉆屑法和實(shí)驗(yàn)室測(cè)試確定了青崗坪煤礦4-2號(hào)煤層原生氣體中不含有CO、C2H4和C2H2，但含有一定量的烷烴類，其中以C2H6為主，濃度約為300×10-6。

(2)通過(guò)施工鉆孔取樣，確認(rèn)了青崗坪煤礦4-2號(hào)煤層上覆含油砂巖層內(nèi)的氣體成分中烴類組分主要為CH4、C2H6、C3H8等，不含CO、C2H4、C3H6和C2H2等氣體。

(3)通過(guò)實(shí)驗(yàn)室程序升溫實(shí)驗(yàn)，確定4-2號(hào)煤低溫氧化時(shí)在49 ℃左右開(kāi)始產(chǎn)生CO，169 ℃之前這種變化表現(xiàn)為單一遞增關(guān)系，確定采空區(qū)遺煤與頂煤低溫氧化生成的CO是回風(fēng)隅角及密閉墻內(nèi)CO的主要來(lái)源。

(4)采煤機(jī)采煤時(shí)瞬時(shí)高溫對(duì)煤體氧化會(huì)產(chǎn)生CO，但生成量較小，不是回風(fēng)隅角及密閉墻內(nèi)CO的主要來(lái)源，但會(huì)干擾對(duì)采空區(qū)自然發(fā)火進(jìn)程的判斷。

(5)通過(guò)在煤層和含油砂巖層采集氣樣進(jìn)行實(shí)驗(yàn)室檢測(cè)，進(jìn)一步驗(yàn)證了《青崗坪煤礦4-2號(hào)煤層自然發(fā)火標(biāo)志氣體及臨界值測(cè)定》報(bào)告中所提及的CO、C2H4、C3H6和C2H2等氣體可作為該礦井的自然發(fā)火標(biāo)志性氣體，但報(bào)告中指出的烯烷比(C2H4/C2H6)與鏈烷比(C3H8/C2H6)均不適合作為判斷青崗坪煤礦自然發(fā)火進(jìn)程的指標(biāo)。