王瑞林
(山西寧武德盛煤業(yè)有限公司,山西 寧武 036700)
據(jù)統(tǒng)計(jì),煤炭自燃火災(zāi)約占煤礦火災(zāi)事故的90%,而井下采空區(qū)由于具有極其復(fù)雜的動態(tài)變化,成為了煤自燃火災(zāi)的主要發(fā)生地點(diǎn)[1]。由于煤的標(biāo)志性氣體具有生成物中獨(dú)有的特點(diǎn),最能表現(xiàn)生成量占比與相應(yīng)溫度,因此,如何科學(xué)地選取標(biāo)志性氣體對礦井進(jìn)行防滅火工作的預(yù)測預(yù)報(bào)非常重要[2-3]。
不同煤質(zhì)的煤炭在氧化自燃熱解中所釋放的氣體產(chǎn)物不盡相同,且這些氣體的熱解溫度同樣差別較大,因此,可以利用其作為標(biāo)志氣體對煤炭自然發(fā)火進(jìn)行監(jiān)測,及時上報(bào)數(shù)據(jù),做到火災(zāi)的有效預(yù)報(bào)[4]。
德盛礦目前開采2#與5#煤層,分別選取煤樣進(jìn)行升溫?zé)峤鈱?shí)驗(yàn)和升溫氧化實(shí)驗(yàn),觀察該兩種煤樣在不同溫度下氧化過程中所釋放氣體的變化規(guī)律與產(chǎn)物溫度。
煤樣升溫?zé)峤夂蜕郎匮趸瘜⒗谩懊鹤匀继匦跃C合測試系統(tǒng)”進(jìn)行實(shí)驗(yàn),該系統(tǒng)主要由預(yù)熱氣路、傳熱罐、控溫箱組成,集成了溫度控制系統(tǒng)、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)和色譜分析系統(tǒng),具有需煤樣少、實(shí)驗(yàn)耗時短、體積小巧、便于操作等優(yōu)點(diǎn)。煤自燃特性實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)原理圖如圖1。
德盛煤礦從井下取得煤樣后,需要運(yùn)至實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行破碎工作,篩分出50 g 粒度為60~80 的煤樣,再將煤樣放入銅質(zhì)存儲罐內(nèi),隨后煤樣置于程序控溫箱內(nèi),再對各氣路管道進(jìn)行氣密性的檢測,校準(zhǔn)無誤后開始實(shí)驗(yàn)。
圖1 煤自燃特性實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)原理圖
實(shí)驗(yàn)過程中,以80 cm3/min 的速度向煤樣內(nèi)充入干空氣,將控溫箱初始溫度調(diào)整為30 ℃,以1℃/min 的速度對煤樣進(jìn)行升溫加熱至220 ℃,加熱過程中每間隔10 ℃對所釋放的氣體進(jìn)行成分分析和濃度測定。
進(jìn)行實(shí)驗(yàn)時,煤自然發(fā)火期間主要經(jīng)歷三個不同階段,所釋放出來的氣體一部分是由于煤自身氧化產(chǎn)生的氣體產(chǎn)物,即煤自燃氧化氣體,另一部分是成煤過程中吸附在其孔隙內(nèi)的氣體,由于煤體溫度升高而解吸出來的,稱煤吸附氣體。2#煤樣與5#煤樣釋放的氣體成分與濃度見表1、表2。
德盛煤礦2#、5#煤樣升溫氧化試驗(yàn)所釋放的氣體主要以CO2和CO為主,其中CO變化規(guī)律性更強(qiáng),隨著溫度的升高而升高;高溫情況下含有少量的H2和CH4,C2H4和C2H6含量極少,C2H2則并無發(fā)現(xiàn),如表1、表2 所示。主要監(jiān)測氣體產(chǎn)物變化規(guī)律如圖2、圖3,分析如下。
CO 氣體的出現(xiàn)貫穿于2#煤樣與5#煤樣的全部實(shí)驗(yàn)過程中,從30~220 ℃都可監(jiān)測。2#煤樣方面,當(dāng)溫度低于110 ℃時,CO 濃度的漲幅隨溫度上升變化較?。粶囟瘸^110 ℃后,CO 濃度大幅上升,其釋放量與溫度呈指數(shù)式增長。5#煤樣方面:當(dāng)溫度低于100 ℃時,CO 濃度的漲幅隨溫度上升變化較?。粶囟瘸^100 ℃后,CO 濃度大幅上升,其釋放量與溫度呈指數(shù)式增長。當(dāng)CO 濃度快速升高時,表明煤樣內(nèi)部已經(jīng)迅速氧化。
無論在2#煤樣還是5#煤樣的熱解實(shí)驗(yàn)中,CO2氣體隨溫度升高呈先波動、再上升的變化規(guī)律。分析認(rèn)為,這主要是因?yàn)镃O2的產(chǎn)生一部分來自煤的升溫解析,另一部分來自于受熱氧化,由于變化規(guī)律穩(wěn)定性差,因此不采用此CO2作為標(biāo)志性氣體。
2#煤樣方面:溫度低于170 ℃時,并未檢測到H2;溫度超過170 ℃時,H2開始釋放并隨溫度上升緩慢增加,認(rèn)為該煤樣進(jìn)入快速氧化期。
5#煤樣方面:溫度低于140 ℃時,并未檢測到H2;溫度超過140 ℃時,H2開始釋放并隨溫度上升緩慢增加,認(rèn)為該煤樣進(jìn)入快速氧化期。
表1 德盛煤業(yè)2 號煤層煤樣升溫氧化實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)
表2 德盛煤業(yè)5 號煤層煤樣升溫氧化實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)
圖2 德盛煤礦2#煤樣升溫氧化氣體隨溫度變化圖
無論在2#煤樣還是5#煤樣的熱解實(shí)驗(yàn)中,當(dāng)溫度低于170 ℃時均未檢測到C2H4的出現(xiàn),超過該溫度后,C2H4隨溫度的上升而緩慢增加。
無論在2#煤樣還是5#煤樣的熱解試驗(yàn)中,C2H6濃度隨溫度上升的變化較為規(guī)律。當(dāng)溫度低于150 ℃并未監(jiān)測有C2H6的釋放,高于此溫度后,C2H6含量隨溫度的升高緩慢增加。
圖3 德盛煤礦5#煤樣升溫氧化氣體隨溫度變化圖
在兩個煤樣的氧化升溫實(shí)驗(yàn)中,并未檢測到C2H2,參考相關(guān)資料和實(shí)際經(jīng)驗(yàn)表明,C2H2是煤的氧化進(jìn)入激烈氧化燃燒階段的標(biāo)志,分析認(rèn)為這是由于其出現(xiàn)的溫度高于220 ℃所致[5]。
根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析判斷,將選用CO 的相對量和變化率作為2#、5#煤層自燃傾向的預(yù)測指標(biāo),配合觀測H2、C2H4、C2H6的相對量進(jìn)行自燃狀態(tài)預(yù)測預(yù)報(bào)。具體操作如下:(1)當(dāng)監(jiān)測出現(xiàn)CO 氣體時,說明煤已經(jīng)開始發(fā)生氧化,需繼續(xù)觀察CO 的釋放量同時繪制該測點(diǎn)的CO 變化曲線。當(dāng)監(jiān)測數(shù)據(jù)穩(wěn)定上升時說明CO 濃度在規(guī)律增加,此時煤處于快速氧化階段,必須發(fā)出預(yù)警。(2)H2、C2H4和C2H6可以作為高溫(140~170 ℃)條件下預(yù)測煤自然發(fā)火加速氧化階段的標(biāo)志氣體。如果已經(jīng)監(jiān)測到CO,一經(jīng)發(fā)現(xiàn)H2、C2H4或C2H6氣體逸出,即可判斷為煤的氧化已進(jìn)入自熱加速階段,必須及時發(fā)出警報(bào)并采取措施。(3)值得注意的是,在對煤樣進(jìn)行實(shí)驗(yàn)時并無發(fā)現(xiàn)C2H2,但根據(jù)長久以來煤層自燃的經(jīng)驗(yàn)判斷,C2H2同樣是可作為高溫時煤自燃的標(biāo)志性氣體。建議現(xiàn)場當(dāng)檢測到C2H2,同樣可以判斷監(jiān)測區(qū)內(nèi)煤炭已經(jīng)有燃燒的明火,需采取積極措施,以免誘發(fā)其他事故發(fā)生。
煤炭自燃是制約煤礦安全生產(chǎn)的重要災(zāi)害之一,標(biāo)志性氣體分析法因其具有分析技術(shù)準(zhǔn)確成熟、配套監(jiān)測系統(tǒng)完善的特點(diǎn)被廣泛用于井下火災(zāi)預(yù)測預(yù)報(bào)工作中。德盛煤礦通過“煤自燃特性綜合測試系統(tǒng)”對正在開采的2#、5#煤層煤樣進(jìn)行實(shí)驗(yàn),旨在確定兩層煤層自然發(fā)火的標(biāo)志氣體。最終確定了以監(jiān)測CO 作為煤炭自燃早期預(yù)測預(yù)報(bào)的指標(biāo),配合監(jiān)測H2、C2H4或C2H6的濃度變化以反映煤自燃所處程度,實(shí)現(xiàn)了井下煤炭自燃的監(jiān)測監(jiān)控,對提高煤礦安全生產(chǎn)效率和預(yù)防自然發(fā)火有積極的作用。