十一礦己16-17煤自燃標(biāo)志氣體優(yōu)選實(shí)驗(yàn)研究

崔 巖工程師 徐同震 駱大勇

(1.平煤股份十一礦，河南 平頂山 457047； 2.安徽理工大學(xué)，安徽 淮南 232001；3.重慶工程職業(yè)技術(shù)學(xué)院，重慶 402260)

0 引言

長(zhǎng)期以來(lái)，煤自燃火災(zāi)是威脅井下設(shè)備和人員安全的最主要危害之一，嚴(yán)重影響煤礦安全生產(chǎn)。煤礦發(fā)生自燃因素除煤層自燃傾向性高等因素外，無(wú)法及時(shí)依據(jù)早期預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)指標(biāo)對(duì)煤自燃發(fā)展情況提前預(yù)測(cè)預(yù)防是另一原因。指標(biāo)氣體分析法作為預(yù)測(cè)煤礦井下煤早期自燃火災(zāi)發(fā)生的一種主要方式，一直以來(lái)被學(xué)者們廣泛運(yùn)用。文虎等以不同形式的數(shù)學(xué)模型，得出煤樣在不同溫度階段分別以二氧化碳(CO)、甲烷(CH)、一氧化碳(CO)等為預(yù)測(cè)指標(biāo)性氣體；王月紅等運(yùn)用氧化升溫實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，得出煤樣在氧化升溫過(guò)程中產(chǎn)生的CO、乙烯(CH)、乙烷(CH)等氣體與溫度呈正比關(guān)系；戴廣龍?jiān)趯?duì)煤低溫氧化過(guò)程進(jìn)行分段的基礎(chǔ)上給出以CO、CH等氣體為指標(biāo)的預(yù)測(cè)指標(biāo)體系；王怡等通過(guò)實(shí)驗(yàn)探究煤低溫氧化過(guò)程中的氣體變化規(guī)律，選擇CO作為煤層自燃的主要指標(biāo)氣體，其他部分烴類(lèi)氣體作為輔助性參考指標(biāo)氣體。綜上所述，煤樣受熱分解產(chǎn)物與煤樣溫度之間有著密切聯(lián)系，其中主要代表性指標(biāo)氣體為CO，因此通過(guò)分析煤樣各階段產(chǎn)生的氣體與溫度之間的關(guān)系，找出能反映各溫度階段的指標(biāo)性氣體，對(duì)預(yù)防礦井火災(zāi)的發(fā)生具有重要作用。本文通過(guò)對(duì)十一礦己工作面不同煤層內(nèi)的煤樣進(jìn)行程序升溫實(shí)驗(yàn)，采集分析不同溫度狀況下煤樣中氣體產(chǎn)生變化的情況，優(yōu)選出己工作面在不同溫度階段的指標(biāo)性氣體，以期得到煤自燃發(fā)展變化規(guī)律，進(jìn)而提高十一礦煤自燃預(yù)報(bào)的可靠性，為預(yù)測(cè)十一礦煤層自燃發(fā)火提供參考依據(jù)。

1 煤自燃指標(biāo)氣體實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

1.1 實(shí)驗(yàn)樣品

對(duì)十一礦己工作面上部、中部和下部3個(gè)不同位置處的煤樣進(jìn)行采集，密封處理后運(yùn)至實(shí)驗(yàn)室，對(duì)采集的不同位置處煤樣進(jìn)行工業(yè)分析實(shí)驗(yàn)，具體測(cè)試結(jié)果，見(jiàn)表1。由測(cè)試結(jié)果可知，己工作面不同位置處煤樣之間的整體差異不大，工業(yè)分析結(jié)果接近相同。因此選擇這3處不同位置煤樣進(jìn)行實(shí)驗(yàn)分析，使得分析結(jié)果能夠真實(shí)反應(yīng)煤層的自燃特性。

表1 十一礦己16-17工作面煤樣工業(yè)分析測(cè)試結(jié)果Tab.1 Industrial analysis and test results of coal samples came from Ji16-17 working face of No.11 Coal Mine

1.2 實(shí)驗(yàn)測(cè)試裝置及流程

實(shí)驗(yàn)裝置主要包括供氣系統(tǒng)、程序升溫系統(tǒng)和氣樣分析裝置3部分。實(shí)驗(yàn)裝置主要部件包括程序控溫爐、煤樣罐、溫度測(cè)量、顯示和控制系統(tǒng)、流量傳感器及氣路系統(tǒng)穩(wěn)壓、穩(wěn)流等，如圖1。

圖1 實(shí)驗(yàn)裝置系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖Fig.1 System structure diagram of experimental device

開(kāi)始實(shí)驗(yàn)時(shí)，首先將現(xiàn)場(chǎng)采集密封的煤樣快速取出，剝離煤樣中的氧化表皮，利用碎煤機(jī)對(duì)煤樣破碎處理，篩分粒徑為0.15～0.25mm的煤樣90g，將制作好的煤樣放入煤樣罐內(nèi)，連接好實(shí)驗(yàn)裝置放入控溫爐膛，接下來(lái)將進(jìn)、出氣管路連接好后，檢查裝置氣密性進(jìn)行相應(yīng)實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)開(kāi)始后，裝置內(nèi)部通入空氣，流量為80ml/min，氧氣濃度為20.96%的干空氣，選用高純度氮?dú)鉃檠b置的載氣，程序升溫裝置升溫速率為3℃/min，實(shí)驗(yàn)裝置達(dá)到預(yù)設(shè)溫度所需時(shí)間為2min。當(dāng)裝置達(dá)到預(yù)設(shè)溫度后，將采集到的氣體通入氣象色譜儀(GC-4085型)進(jìn)行色譜分析，根據(jù)檢測(cè)出的不同氣體含量?jī)?yōu)選出煤自燃指標(biāo)氣體。

2 煤自燃指標(biāo)氣體優(yōu)選

煤在氧化進(jìn)程中隨著溫度的變化，產(chǎn)生的氣體不同，因此在不同溫度階段會(huì)出現(xiàn)不同氣體，煤自燃發(fā)展變化過(guò)程中的指標(biāo)氣體的優(yōu)選原則應(yīng)符合敏感性、規(guī)律性和可檢測(cè)性3個(gè)特點(diǎn)。實(shí)驗(yàn)時(shí)，對(duì)己工作面采集的3個(gè)煤樣進(jìn)行處理后，放入實(shí)驗(yàn)測(cè)試裝置進(jìn)行相應(yīng)的實(shí)驗(yàn)檢測(cè)，實(shí)驗(yàn)重復(fù)進(jìn)行多次，對(duì)多次測(cè)得的實(shí)驗(yàn)測(cè)試結(jié)果進(jìn)行總體分析，發(fā)現(xiàn)十一礦己工作面采集的不同位置處煤樣的氣體產(chǎn)生的最低溫度，見(jiàn)表2。從表2可以看出，隨著裝置中煤樣溫度的升高， CO、CH、丙烷(CH)和CH4種氣體逐漸出現(xiàn)，且氣體濃度均在逐漸升高。因此，依據(jù)煤自燃指標(biāo)氣體的優(yōu)選原則，并結(jié)合礦井下實(shí)際氣體隨溫度發(fā)生的變化情況，選擇實(shí)驗(yàn)測(cè)試所得的4種氣體作為己工作面煤自燃預(yù)報(bào)的指標(biāo)氣體。

表2 各煤樣指標(biāo)氣體出現(xiàn)的最低溫度Tab.2 Minimum temperature of index gas of each coal sample

由表2可知，4種指標(biāo)氣體在己工作面不同煤層處出現(xiàn)的最低溫度不同，但每種氣體的出現(xiàn)整體滿足一個(gè)區(qū)間：CO在70～90℃時(shí)開(kāi)始出現(xiàn)，CH在110～140℃時(shí)開(kāi)始出現(xiàn)，CH在110～150℃時(shí)開(kāi)始出現(xiàn)，CH在150～160℃時(shí)開(kāi)始出現(xiàn)。因此，通過(guò)實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析，可以選擇該4種氣體作為己工作面煤早期自燃的預(yù)測(cè)氣體。

3 煤自燃指標(biāo)氣體隨溫度變化規(guī)律分析

根據(jù)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)結(jié)果，繪制出不同煤層處煤樣的標(biāo)志性氣體產(chǎn)生量隨溫度變化曲線，各氣體具體變化情況，如圖2。

煤溫在200℃變化范圍內(nèi)，由圖2(a)可知，3種煤樣CO濃度變化趨勢(shì)基本一致，在70～120℃，CO增加量比較平緩，120℃以后CO濃度開(kāi)始快速增加，說(shuō)明120℃以后煤樣的煤氧復(fù)合作用加快，煤自燃發(fā)展變化進(jìn)程加快。對(duì)比不同煤樣的CO濃度變化趨勢(shì)發(fā)現(xiàn)，煤中CO產(chǎn)生量與溫度之間呈指數(shù)規(guī)律變化，并且所有不同位置處的煤樣具有相同的變化趨勢(shì)，即CO氣體產(chǎn)生速率隨煤中溫度的升高而增大。同時(shí)，隨著實(shí)驗(yàn)中煤樣溫度不斷升高，不同煤層處煤樣CO生成量會(huì)出現(xiàn)一定差異，十一礦己中部煤樣的CO生成量小于工作面上部和下部的CO生成量，說(shuō)明此時(shí)中部煤樣的煤氧復(fù)合作用較為微弱，其他不同位置處煤樣的煤氧復(fù)合作用較強(qiáng)，因此，能夠根據(jù)CO含量的變化確定煤樣所處的溫度階段，CO氣體產(chǎn)生量符合指標(biāo)氣體優(yōu)選原則。

圖2 各氣體產(chǎn)生量與溫度關(guān)系Fig.2 Relationship between gas production and temperature

煤溫在200℃變化范圍內(nèi)，CH生成量隨溫度的變化規(guī)律圖，如圖2(b)。CH是一種不飽和烯烴，在溫度達(dá)到150℃以后開(kāi)始出現(xiàn)，且隨著溫度逐漸升高，CH含量開(kāi)始快速升高，說(shuō)明此時(shí)煤樣已經(jīng)進(jìn)入加速氧化階段，雖然各煤層煤樣出現(xiàn)CH的最低溫度不同，但CH產(chǎn)生量與溫度之間呈指數(shù)規(guī)律變化的趨勢(shì)是一致的，即CH產(chǎn)生速率隨煤樣中實(shí)驗(yàn)溫度的升高而快速增大，規(guī)律性明顯。溫度越高，CH產(chǎn)生的速率就越大，因此CH能夠作為預(yù)測(cè)煤自燃過(guò)程中的指標(biāo)性氣體。

當(dāng)煤溫處于200℃變化范圍內(nèi)，CH濃度隨溫度的變化規(guī)律圖，如圖2(c)。不同位置處煤樣CH出現(xiàn)的最低溫度整體上不同，但CH產(chǎn)生量與溫度之間呈指數(shù)規(guī)律變化的趨勢(shì)基本相同，即其產(chǎn)生的速率隨煤溫的升高而增大，在160℃以后，CH含量開(kāi)始劇烈增加，說(shuō)明此時(shí)煤自燃已經(jīng)達(dá)到劇烈的反應(yīng)階段，此時(shí)應(yīng)盡快采取防范措施，因此CH也可以作為判斷煤自燃的一種指標(biāo)性氣體。

當(dāng)煤溫處于200℃變化范圍內(nèi)，CH濃度隨溫度的變化規(guī)律圖，如圖2(d)。不同位置的煤樣在達(dá)到一定溫度時(shí)，均會(huì)出現(xiàn)CH氣體，雖然CH氣體產(chǎn)生的最低溫度有所不同，但氣體生成規(guī)律均與溫度的變化呈指數(shù)變化規(guī)律，可以發(fā)現(xiàn)所有不同煤樣當(dāng)溫度升高到110～150℃時(shí)，煤樣中開(kāi)始出現(xiàn)CH氣體產(chǎn)物。與此同時(shí)，對(duì)煤樣進(jìn)行3個(gè)月的常溫氧化實(shí)驗(yàn)所得到的實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行色譜分析，并未檢測(cè)到CH氣體，說(shuō)明常溫下十一礦己工作面煤樣自然氧化時(shí)是不會(huì)產(chǎn)生CH氣體。因此，在正常工作狀況下，一旦在十一礦礦井內(nèi)部檢測(cè)發(fā)現(xiàn)CH氣體，則表明此時(shí)煤層中的煤炭氧化自燃溫度達(dá)到了110℃以上，需要及時(shí)對(duì)煤層采取防火措施。由此得出，CH是作為預(yù)測(cè)煤自燃最適合的指標(biāo)性氣體之一。

結(jié)合不同的實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析后發(fā)現(xiàn)，在成煤過(guò)程中CH氣體是始終存在的，且其含量在各煤層處分布不均勻，無(wú)明顯變化規(guī)律，不符合指標(biāo)氣體的優(yōu)選原則。在煤樣常溫氧化3個(gè)月后，通過(guò)氣象色譜實(shí)驗(yàn)抽取煤樣中的氣體進(jìn)行檢驗(yàn)，最終檢測(cè)出常溫氧化后的煤樣氣體中含有CH和CH氣體。結(jié)合上述實(shí)驗(yàn)分析結(jié)果最終優(yōu)選出CO和CH2種氣體作為十一礦己工作面煤自燃早期預(yù)報(bào)的主要指標(biāo)氣體，同時(shí)選擇CH和CH作為煤自燃預(yù)測(cè)的輔助指標(biāo)氣體。

綜上所述，CO、CH、CH和CH4種氣體均為煤自燃氧化過(guò)程的產(chǎn)物，不同煤層處氣體產(chǎn)物隨著煤溫升高產(chǎn)量是不同的。不同位置處煤樣中的溫度升高后依次出現(xiàn)的氣體是：CO(70℃)→CH或CH(110℃)→CH(150℃)；實(shí)驗(yàn)中可以發(fā)現(xiàn)煤樣中CO開(kāi)始出現(xiàn)的溫度較低并且極為接近；煤樣中開(kāi)始出現(xiàn)CH、CH和CH的溫度相對(duì)較高，因此可根據(jù)煤層中氣體出現(xiàn)的種類(lèi)對(duì)煤層所處的溫度范圍和煤自燃發(fā)展過(guò)程所處的階段進(jìn)行準(zhǔn)確判斷。

4 結(jié)論

對(duì)比十一礦己工作面不同位置處的煤樣低溫氧化實(shí)驗(yàn)?zāi)軌虬l(fā)現(xiàn)，當(dāng)煤樣的溫度在200℃范圍內(nèi)變化時(shí)，隨著煤樣中溫度升高，煤樣中發(fā)生氧化氣體產(chǎn)物會(huì)出現(xiàn)不同變化，在不同溫度階段會(huì)出現(xiàn)不同的氣體產(chǎn)物，CO、CH、CH和CH4種氣體隨著溫度的升高會(huì)依次出現(xiàn)。因此，可將實(shí)驗(yàn)得到的4種氣體作為判斷十一礦己工作面煤樣氧化的標(biāo)志。

結(jié)合煤樣常溫氧化的實(shí)驗(yàn)結(jié)果，最終選擇CO和CH2種氣體作為判斷煤自燃的主要指標(biāo)性氣體，其他2種不同氣體作為輔助性指標(biāo)氣體。通過(guò)利用CO產(chǎn)生量判斷煤層的自燃發(fā)展變化情況，當(dāng)檢測(cè)出CO，說(shuō)明煤中溫度已經(jīng)達(dá)到70℃；利用CH判斷煤炭加速氧化的過(guò)程，當(dāng)煤層中檢測(cè)出CH氣體時(shí)，說(shuō)明煤樣中溫度已經(jīng)達(dá)到了110℃以上。