工作面采空區(qū)自然發(fā)火預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)試驗(yàn)研究

唐文杰

（潞安化工集團(tuán)有限公司市場(chǎng)技術(shù)部，山西 長(zhǎng)治 046202）

1 引言

煤在氧化反應(yīng)中，會(huì)產(chǎn)生多種不同的氣體，這些氣體都有最低反應(yīng)溫度和氣體的生成量，同時(shí)，煤溫之間的關(guān)系與煤種的氧化自燃程度有很大關(guān)系，而對(duì)于巖層的自然發(fā)火預(yù)測(cè)工作還沒有開展過。根據(jù)前人總結(jié)的經(jīng)驗(yàn)，煤自燃可以通過自燃過程中產(chǎn)生的氣體來判斷煤是否自然發(fā)火，該種氣體被稱為標(biāo)志性氣體。《煤礦安全規(guī)程》規(guī)定，開采一類和二類自燃煤層時(shí)，需要明確煤層自然發(fā)火的標(biāo)志性氣體。煤炭開采過程中通過試驗(yàn)測(cè)試，優(yōu)選出最適合的指標(biāo)氣體，為煤炭自然火災(zāi)早期預(yù)報(bào)提供必要的前提條件，同時(shí)也使得在實(shí)際開采過程中的煤炭自燃防治工作更具有針對(duì)性[1-3]。

2 煤樣氧化溫升過程的氣體產(chǎn)物特性分析

（1）實(shí)驗(yàn)設(shè)備

煤自然發(fā)火氣體的反應(yīng)產(chǎn)物模擬仿真實(shí)驗(yàn)設(shè)備原理示意圖，具體如圖1，其通常是由應(yīng)用程序溫度控制箱、氣體分析測(cè)量?jī)x、溫度操控系統(tǒng)、流量控制操作設(shè)備等構(gòu)成。

圖1 指標(biāo)氣體實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)圖

（2）實(shí)驗(yàn)過程

① 樣品選取

從礦井83022 工作面現(xiàn)采煤層選取，經(jīng)密封儲(chǔ)存郵運(yùn)至實(shí)驗(yàn)室。采樣前先剝?nèi)ッ簶颖砻嫜趸瘜?，然后?duì)煤樣進(jìn)行破碎，并篩分出40～80 目的顆粒。

② 實(shí)驗(yàn)步驟

將粒度為40～80 目的混合煤樣50 g 置于銅質(zhì)煤樣罐內(nèi)，將煤樣罐置于程序控溫箱內(nèi)，連接好進(jìn)氣氣路、出氣氣路和溫度探頭（探頭置于煤樣罐的幾何中心），檢查氣路的氣密性。當(dāng)煤溫達(dá)到30 ℃時(shí)向煤樣內(nèi)通入50 mL/min 的干空氣，并將測(cè)試爐調(diào)整至0.8 ℃/min 程序升溫。在反應(yīng)初期每10 ℃分析一次氣體成分和濃度，加速氧化階段每12 min分析一次氣體成分和濃度。

（3）測(cè)試結(jié)果

① 測(cè)試數(shù)據(jù)

在上述實(shí)驗(yàn)條件下得到礦井83022 工作面煤樣氣體產(chǎn)物隨溫度的變化。在實(shí)驗(yàn)過程中，隨著溫度的增加，各氣體濃度逐漸發(fā)生變化，實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)見表1。

表1 煤樣自燃過程指標(biāo)氣體測(cè)試結(jié)果（ppm）

對(duì)礦井83022 工作面煤樣測(cè)試實(shí)驗(yàn)過程中氣體自動(dòng)生成的實(shí)際狀況展開研究分析，其實(shí)際有效濃度改變的態(tài)勢(shì)，具體示意圖如2、圖3。

圖2 礦井煤樣CO、CO2 變化趨勢(shì)圖

圖3 礦井8#煤樣CH4、C2H6 、C2H4、C3H8 變化趨勢(shì)圖

③ 指標(biāo)氣體分析

煤樣在30.0～180.0 ℃的溫度作用，其氧化過程中會(huì)有規(guī)律性的出現(xiàn)一氧化碳、二氧化碳、甲烷、乙烷、丙烷與乙烯等氣體，并且產(chǎn)生量與溫度成正比例關(guān)系；在30.0～200 ℃的溫度內(nèi)，煤樣中沒有產(chǎn)生乙炔，但是一氧化碳、二氧化碳、甲烷等氣體均在30 min 內(nèi)產(chǎn)生。在試驗(yàn)初期，一氧化碳量逐漸升高，但是總量較低，煤溫在達(dá)到110.0 ℃以后，其生成量快速上升，此時(shí)煤樣全面進(jìn)入了快速氧化反應(yīng)時(shí)期。30.0～200.0 ℃的溫度范圍內(nèi)，沒有生成乙炔氣體。一氧化碳的生成量在低溫氧化時(shí)較低，煤溫到達(dá)110.0 ℃以后，其生成量上升速度增加，表明110.0 ℃后，該煤樣已進(jìn)入快速氧化時(shí)期。煤溫達(dá)到20 ℃、100 ℃和110 ℃時(shí)分別開始出現(xiàn)C2H6氣體、C3H8氣體和C2H4氣體，其濃度不大但隨煤溫升高持續(xù)上升。

所以，以一氧化碳作為標(biāo)志性氣體，并且結(jié)合乙烯、丙烷與乙炔來分析煤的自然發(fā)火特征。一氧化碳的生成及變化特征能較好表明煤的氧化反應(yīng)程度；乙烯、丙烷產(chǎn)生說明煤溫早已達(dá)到100～110.0 ℃；乙炔的產(chǎn)生表明煤溫早已超越200.0 ℃。煤礦測(cè)試現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)到乙炔時(shí)，就可能已經(jīng)發(fā)生了煤自燃，此時(shí)應(yīng)該立刻采取積極主動(dòng)的防滅火措施手段。

3 自然發(fā)火預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)指標(biāo)氣體分析與優(yōu)選

烯烴、炔烴和一氧化碳是煤產(chǎn)生自然發(fā)火氧化反應(yīng)的結(jié)果，是標(biāo)志煤產(chǎn)生自燃氧化反應(yīng)進(jìn)程的重要組分。其中，甲烷與二氧化碳不作為煤自燃氧化反應(yīng)進(jìn)程的特點(diǎn)氣體成分，而乙烷、丙烷氣體則需要參考初始的溫度值與后期溫度變化規(guī)律，來確定這兩種氣體是否可以作為煤自燃指標(biāo)性氣體。

調(diào)試實(shí)驗(yàn)樣品里，一氧化碳在30.0 ℃時(shí)候開始產(chǎn)生，并且其形成量伴隨著煤溫的增高而增大，180.0 ℃以前，這種變化關(guān)系還基本符合指數(shù)遞增變化規(guī)律。一氧化碳的產(chǎn)生說明煤樣早已開始氧化反應(yīng)，一氧化碳的實(shí)際有效濃度愈來愈高，就說明煤樣氧化反應(yīng)愈來愈激烈，其自燃危險(xiǎn)性越大。所以，一氧化碳作為煤自燃預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)的標(biāo)志性氣體是可行的，但是在煤自燃氧化過程中，溫度的預(yù)測(cè)還需與其他氣體的溫度變化一起來分析。

因此，通過對(duì)測(cè)試樣品的實(shí)驗(yàn)研究，可得出以下結(jié)論：

（1）一氧化碳是工作面自然發(fā)火的指標(biāo)性氣體之一。一氧化碳的產(chǎn)生，說明煤樣早已開始氧化反應(yīng)，一氧化碳的實(shí)際有效濃度愈來愈高，就說明煤樣氧化反應(yīng)愈來愈激烈，危險(xiǎn)性越大。但由于在整個(gè)自然發(fā)火過程中都有一氧化碳產(chǎn)生，因此在實(shí)際生產(chǎn)過程中應(yīng)用一氧化碳標(biāo)志氣體應(yīng)該分兩部分考察：① 現(xiàn)場(chǎng)氣體檢測(cè)中是否存在一氧化碳，如果存在一氧化碳，則表明巖樣開始氧化。② 產(chǎn)生一氧化碳之后，其實(shí)際有效濃度改變態(tài)勢(shì)怎樣，如果一氧化碳的濃度持續(xù)加大，則很有可能是巖樣的氧化反應(yīng)程度在加??；如果一氧化碳濃度變化比較平穩(wěn)，這說明低溫氧化得到一定程度的控制；如果一氧化碳濃度持續(xù)下降則表明自燃災(zāi)害得到有效控制。

（2）乙烯是煤樣局部開始進(jìn)入加速推動(dòng)氧化反應(yīng)時(shí)期的代表性氣體。乙烯的產(chǎn)生說明煤樣局部實(shí)際溫度早已達(dá)到110.0 ℃。

（3）乙炔的產(chǎn)生，代表著煤樣的局部實(shí)際溫度超越了200.0 ℃。只要在礦井下發(fā)現(xiàn)到了乙炔，就應(yīng)該看作煤層局部早已可能產(chǎn)生明火或者陰燃，采取措施時(shí)需更加謹(jǐn)慎。

4 應(yīng)用驗(yàn)證

83022 工作面于2019 年11 月25 日開始回采，截至2020 年10 月31 日，工作面累計(jì)回采進(jìn)度為頭1 088.5 m、尾1 090.5 m。工作面采用預(yù)埋雙管注氮，1#注氮管路進(jìn)入采空區(qū)61 m，2#注氮管路進(jìn)入采空區(qū)31 m，注氮總流量為1600 m3/h，平均日注氮約38 400 m3。工作面束管測(cè)點(diǎn)共5 個(gè)，分別為23022 巷2 趟、53022 巷2 趟、83022 頂回1 趟。根據(jù)束管監(jiān)測(cè)系統(tǒng)每日監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)和觀測(cè)站觀測(cè)數(shù)據(jù)繪制采空區(qū)自然發(fā)火標(biāo)志氣體變化曲線如圖4。

圖4 83022 工作面采空區(qū)束管內(nèi)CO 濃度變化曲線

由上圖CO 濃度變化曲線可知，83022 綜放工作面采空區(qū)內(nèi)自然發(fā)火標(biāo)志性氣體CO 濃度維持在較高水平，最高CO 濃度達(dá)67 ppm，但采空區(qū)內(nèi)尚無C2H4出現(xiàn)。采空區(qū)內(nèi)CO 濃度維持在較低水平，采空區(qū)無明顯自然發(fā)火跡象，采空區(qū)內(nèi)氧氣濃度維持在12%的防火墮化指標(biāo)以下，需加強(qiáng)采空區(qū)注氮，密切關(guān)注采空區(qū)內(nèi)CO 等指標(biāo)氣體變化情況，一旦發(fā)現(xiàn)異常及時(shí)采取措施進(jìn)行處理。同時(shí)，加強(qiáng)束管監(jiān)控系統(tǒng)日常維護(hù)管理，確保采空區(qū)氣體監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)準(zhǔn)確。