高突礦井自燃煤層分級預(yù)警指標體系研究

葉春輝 ，周言安 ，陳玉良，董振波

(1.平安煤炭開采工程技術(shù)研究院有限責(zé)任公司， 安徽 淮南市 232052；2.淮南礦業(yè)（集團）有限責(zé)任公司， 安徽 淮南市 232001；3.西安科技大學(xué) 安全科學(xué)與工程學(xué)院， 陜西 西安 710054；4.陜西華彬雅店煤業(yè)有限公司， 陜西 咸陽市 713500)

0 引言

煤礦井下自然發(fā)火是礦井的主要災(zāi)害之一[1]，煤炭自燃過程中會釋放大量有毒有害氣體，還容易引發(fā)煤塵與瓦斯爆炸等二次事故，嚴重威脅井下作業(yè)人員的生命安全[2-4]。隨著采煤工藝的改進，煤層開采深度也在不斷增加，導(dǎo)致自然發(fā)火問題越來越嚴重，因此火災(zāi)預(yù)警與超前治理對于煤礦的安全生產(chǎn)來說具有重大意義[5-6]。

近幾年，煤自燃分級預(yù)警預(yù)測技術(shù)研究較多，并在諸多礦井得到了應(yīng)用。很多學(xué)者大多以 CO、C2H4、O2、ΔCO/ΔO2、C2H4/C2H6等作為煤自燃的主要與輔助氣體指標，建立煤自燃多級預(yù)警體系，為礦井煤自燃監(jiān)測與防控提供數(shù)據(jù)支撐[7-11]。

為研究能夠預(yù)測潘二礦1煤自然發(fā)火發(fā)展程度的煤自燃預(yù)警體系，通過對潘二礦1煤煤樣開展煤自然發(fā)火實驗及程序升溫實驗，根據(jù)煤自燃氣體產(chǎn)物選取各個階段的指標氣體數(shù)據(jù)，劃分煤自燃預(yù)警等級，確定相應(yīng)閾值，用以指導(dǎo)礦井煤自燃火災(zāi)防控工作，提高防控效率，減少損失。

1 煤自然發(fā)火實驗

1.1 實驗裝置

使用煤自然發(fā)火實驗臺，模擬真實的自然發(fā)火條件和環(huán)境。以松散煤體為研究對象，提供良好的供風(fēng)和蓄熱環(huán)境，使煤體氧化升溫至自燃，在此過程中通過實驗系統(tǒng)中的溫度和氣體檢測裝置，采集煤自然發(fā)火過程中的溫度和氣體相關(guān)參數(shù)，確定煤自然發(fā)火特性參數(shù)，掌握煤自然發(fā)火規(guī)律，指導(dǎo)煤自燃防治工作。

1.2 實驗條件

實驗前，對煤樣進行了破碎處理，處理后對煤樣進行了粒度以及頻度的分析，結(jié)果見表1，實驗條件見表2。

表1 潘二礦煤樣煤粒度篩分析結(jié)果

表2 實驗條件

1.3 實驗結(jié)果分析

1.3.1 實驗最短自然發(fā)火期

實驗從2021年3月4日開始至2021年5月18日結(jié)束，期間爐內(nèi)最高煤溫從 25.62℃升至192.38℃，共歷時76 d。因此，在實驗條件下，潘二礦煤樣在自然氧化條件充分時的實驗最短自然發(fā)火期為76 d。

自然升溫過程中，煤樣最高溫度點溫度隨時間而變化、各種氣體濃度隨煤溫而變化。統(tǒng)計記錄爐內(nèi)溫度與各項氣體數(shù)值并進行分析。

1.3.2 氣體數(shù)據(jù)分析

自然升溫過程中，實驗爐頂層取氣點各氣體濃度隨煤溫變化關(guān)系見圖1，各種指標氣體比值隨煤溫變化關(guān)系見圖2。

由圖1、圖2可得出分析如下。

圖1 氣體濃度隨煤溫變化曲線

圖2 氣體比值隨煤溫變化曲線

（1）氣體濃度隨煤溫變化規(guī)律。潘二礦煤樣CO氣體在煤自燃整個過程都能檢出，先有少量CO氣體出現(xiàn)，隨著實驗的進行，氣體濃度呈指數(shù)規(guī)律增加。煤樣在升溫過程中，CH4一直存在；在升溫初始階段含有少量C2H6，煤溫到72.17℃以后開始出現(xiàn)明顯增加趨勢；C2H4在 94.19℃開始出現(xiàn)，之后迅速增加，但濃度不大。

（2）CO2/CO隨煤溫變化規(guī)律。CO2/CO值在實驗開始階段較大，在 28.26℃時值達到較大，隨后溫度逐漸上升，CO2/CO值逐漸減少。

（3）C2H4/C2H6隨煤溫變化規(guī)律。潘二礦煤樣烷烯比（C2H4/C2H6）隨溫度的升高呈先增大后減小趨勢，此比值僅在C2H4出現(xiàn)后方可使用。

1.3.3 溫度分析

根據(jù)圖3可得出：實驗初期，煤體升溫速度較慢，煤樣屬于緩慢氧化階段，當(dāng)實驗進行至 69天之后，升溫速度明顯加快，此時對應(yīng)的特征溫度為臨界溫度，對應(yīng)煤溫為72.17℃；當(dāng)實驗進行至72天后，升溫速度再次加快，此時對應(yīng)的特征溫度為干裂溫度，對應(yīng)煤溫為94.19℃；從第74天開始，升溫速度又一次加快，此時對應(yīng)的特征溫度為裂變溫度，對應(yīng)煤溫為 131.81℃。實驗停止時溫度為193.38℃。

圖3 最高溫度點溫度隨時間變化關(guān)系

1.3.4 特征溫度及其氣體表征

在煤的自燃過程中，各種氣體指標在特定溫度段出現(xiàn)突變，其變化溫度范圍和特點見表3。

表3 煤自燃過程中特征溫度及其氣體表征

煤樣在潘二礦1煤層采取。實驗前將煤樣進行破碎處理并區(qū)分粒度，分析結(jié)果見表4。實驗條件見表5。

表4 潘二礦煤樣煤粒度篩分析結(jié)果

表5 實驗條件

2.2 實驗結(jié)果分析

2.2.1 氣體濃度與煤溫關(guān)系分析

通過程序升溫實驗，氣體濃度與煤溫關(guān)系如圖4所示。

（1）從圖4（a）中可以看出，實驗初期 CO的產(chǎn)生量降低，隨著煤溫的升高產(chǎn)生速率增加，產(chǎn)生量曲線圖基本符合指數(shù)狀；由此得出煤樣的氧化速度隨著溫度的升高而明顯加快。

（2）從圖4（b）中可以看出，在煤體升溫氧化過程中，CH4一直存在且量值不大，隨著溫度的升高，CH4氣體濃度迅速上升，說明溫度的增高導(dǎo)致CH4與煤體脫附速度加快。

圖4 氣體濃度與煤溫關(guān)系曲線

（3）從圖4（c）中可以看出，C2H4自 120℃左右檢出，隨后其濃度伴隨著煤溫的增長迅速增加。在實驗初期升溫階段就含有少量 C2H6氣體，說明煤樣中本身就含有C2H6氣體。

2.2.2 CO/O2與煤溫關(guān)系分析

根據(jù)圖5可以看出，從30℃開始至110℃，期間CO/ΔO2隨煤溫升高而不斷變大，并近乎呈現(xiàn)指數(shù)性增大趨勢。在 110℃～140℃之間增大趨勢變緩，這是由此階段CO氣體濃度突增導(dǎo)致。

圖5 CO/ΔO2與煤溫關(guān)系曲線

2.2.3 臨界溫度與干裂溫度分析

根據(jù)潘二礦1煤層煤樣的實驗數(shù)據(jù)分析得出，實驗初期煤樣緩慢氧化，煤體升溫速度較慢，隨著實驗的進程，CO產(chǎn)生率發(fā)生第一次突變，其起點溫度為臨界溫度，對應(yīng)溫度為80℃～90℃。CO產(chǎn)生率發(fā)生第二次突變，其起點溫度即為干裂溫度，對應(yīng)溫度為110℃～120℃。

3 煤自燃分級預(yù)警指標體系構(gòu)建

3.1 指標氣體分析

氣體檢測設(shè)備采用的是氣相色譜儀，主要檢測O2、N2、CO、CO2、CH4、C2H2、C2H4、C2H6、C3H8等9種氣體。

在煤體自燃過程中，根據(jù)各種氣體的產(chǎn)生原因，可根據(jù)氣體產(chǎn)生的原因?qū)⑵浞譃閮深悾阂活悶槊后w氧化產(chǎn)生的氣體，主要為CO和CO2；一類為煤體熱解產(chǎn)生的氣體，主要有CH4、C2H6、C3H8、C2H4、C2H2。

通過兩組實驗的相互驗證對比，選取CO、O2、C2H4、CO/CH4、CO/ΔO2、CO2/CO、CH4/C2H6作為煤自燃指標氣體。

3.2 煤自燃指標氣體選取

3.2.1 CO氣體

煤的自然發(fā)火過程一直有CO的生成和釋放。因此CO作為煤自燃指標氣體表征煤的氧化反應(yīng)，并表現(xiàn)出一定特征。但檢測CO濃度時，對應(yīng)溫度區(qū)間較大，導(dǎo)致以此為預(yù)報指標時預(yù)報范圍過大，很難準確判段煤自燃過程中與溫度的關(guān)系；實驗中CO隨煤溫的變化曲線呈指數(shù)狀，但在井下真實環(huán)境中，受各種環(huán)境、設(shè)備因素的影響，從氣體濃度值分析找出其對應(yīng)的溫度值難度很大。因此可以將CO作為煤自然發(fā)火過程中的預(yù)測預(yù)報指標氣體，結(jié)合煤礦井下實際情況來說，還需考慮井下環(huán)境和條件造成的影響。

3.2.2 C2H4氣體

煤樣在實驗初始階段無 C2H4氣體，隨著實驗的進程，溫度在120℃左右出現(xiàn)少量C2H4氣體，隨后濃度緩慢增加。C2H4出現(xiàn)以后，煤樣氧化進入加速氧化階段。

3.2.3 C2H4/C2H6

由實驗數(shù)據(jù)分析可得，C2H4/C2H6比率曲線圖呈拋物線狀，該指標僅用于 C2H4氣體出現(xiàn)階段。C2H4/C2H6比率可作為C2H4氣體出現(xiàn)后、C2H2氣體出現(xiàn)前判斷煤體自燃的預(yù)測預(yù)報指標。

3.2.4 CO/ΔO2

以往運用指標氣體分析法預(yù)測預(yù)報煤自燃僅采用CO一種氣體指標，但結(jié)合現(xiàn)場應(yīng)用實踐表明，單一的CO指標不能滿足要求。因此國內(nèi)外除主要的CO、CH4、C2H4等氣體外，還采用CO/ΔO2作為煤自燃指標氣體，多種指標聯(lián)合判斷有助于消除單一氣體判斷不準確的影響。

綜上分析，結(jié)合潘三礦 13煤樣程序升溫實驗結(jié)果，選取 CO、O2、CO/ΔO2、C2H4、C2H4/C2H6作為主要的指標氣體。

3.3 分級預(yù)警體系構(gòu)建

依據(jù)煤自燃七階段精細劃分理論與方法，結(jié)合煤自然發(fā)火實驗與程序升溫實驗結(jié)果與指標氣體選取理論分析，提出了以 CO、O2、CO/ΔO2、C2H4、C2H4/C2H6作為煤自燃氣體指標。分級預(yù)警指標體系見表6。

表6 潘二礦1煤分級預(yù)警指標體系

4 結(jié)論

（1）在煤自然發(fā)火實驗條件下，潘二礦 1煤自然氧化條件充分時實驗最短自然發(fā)火期為76 d。

（2）根據(jù)煤自然發(fā)火實驗以及程序升溫實驗結(jié)果，結(jié)合指標氣體選取分析，得到潘二礦1煤自燃主要氣體指標為：CO、O2、CO/ΔO2、C2H4、C2H4/C2H6。

（3）結(jié)合煤自燃七階段精細劃分理論與方法，依據(jù)實驗測試結(jié)果與指標氣體分析結(jié)果，構(gòu)建出擁有“灰色、藍色、黃色、橙色、紅色、黑色”6個預(yù)警級別的潘二礦1煤分級預(yù)警指標體系，對不同煤自燃階段進行準確預(yù)警，以指導(dǎo)現(xiàn)場煤自燃防控工作。