龍灘煤礦K1煤層自燃標志氣體及其臨界值研究

王 毅,周 余,羅 廣,張定山,陳占全

(1.重慶工程職業(yè)技術學院,重慶 402260; 2.中煤科工集團重慶研究院有限公司,重慶 400039; 3.四川華鎣山龍灘煤電有限責任公司,四川 廣安 638500)

采空區(qū)遺煤自燃是煤礦火災中的一種,嚴重威脅著煤礦生產安全[1]。研究具有煤層自燃傾向的煤礦現(xiàn)場是否排除煤自燃的因素至關重要。

導致煤礦火災發(fā)生的因素較多,包括煤層性質、現(xiàn)場通風狀況、煤自燃產生的氣體等[2]?；谇叭搜芯亢凸こ炭偨Y,對煤自燃中產生的氣體進行研究,有助于預防火災[3]。王永敬[4]、彥鵬[5]、易欣[6]、楊永辰[7]等對現(xiàn)場取的煤樣進行升溫實驗得到了自然發(fā)火標志性氣體,并對工程現(xiàn)場的CO濃度進行監(jiān)測,建立了四級火災預警響應模型;朱令起等[8]利用CO2和CO濃度的比值η與溫度擬合建立煤自燃早期預測模型;孫留濤等[9]基于煤自燃實驗優(yōu)選標志性氣體后,對采空區(qū)自燃“三帶”進行了劃分;付晶等[10]運用灰色關聯(lián)法對煤層自燃標志性氣體進行了優(yōu)選;邊冰等[11]以標志氣體分析法為基礎,提出了一種基于學習向量量化神經(jīng)網(wǎng)絡的煤自然發(fā)火預報系統(tǒng);梁運濤等[12]對煤層自然發(fā)火標志氣體中烷烴氣體進行色譜分析,運用改進的Tikhonov正則化方法進行特征變量的提取,建立了小樣本高精度的分析模型;文虎[13]、魏超[14]、劉愛華[15]、 謝中朋[16]等通過分析煤層自燃現(xiàn)狀,建立自燃災害預警體系,并對大量數(shù)據(jù)庫進行挖掘,設計了煤層自燃預警系統(tǒng)。

基于前人的研究成果,筆者通過對煤樣開展程序升溫實驗,分析出應用于現(xiàn)場的標志性氣體,運用數(shù)學方法計算出煤自燃的臨界溫度,并在現(xiàn)場鋪設氣體和溫度監(jiān)測系統(tǒng),運用煤自燃的臨界溫度推算煤自燃標志性氣體的濃度臨界值。結合實驗室實驗和現(xiàn)場試驗,測試標志性氣體濃度與溫度,綜合預測預防煤自燃引發(fā)的火災。

1 煤自燃標志氣體

1.1 煤自燃標志氣體確定方法

煤炭氧化是一個放熱的過程,煤溫會隨氧化程度加劇而逐漸上升,同時產生CO等氣體產物。將部分氣體作為標志性氣體對煤礦中煤自燃所引發(fā)的火災進行預測是當下的主要煤自燃預測方法[17-19]。在長期的研究中, CO作為煤自然發(fā)火的主要標志氣體已被認可。在煤自燃氧化的過程中,CO是出現(xiàn)最早的氣體,且貫穿于整個氧化過程,故煤礦通常把CO的出現(xiàn)作為煤自燃的征兆。

CO出現(xiàn)的臨界值,現(xiàn)階段主要通過數(shù)學模型法和實驗測試法進行確定。

1)數(shù)學模型法[20]認為上隅角CO主要來自于采空區(qū)遺煤氧化,根據(jù)采空區(qū)自燃帶的CO總產生量與采空區(qū)漏風量之比可得到工作面正?；夭蓵r上隅角CO濃度計算模型。

2)實驗測試法通過檢測煤樣升溫燃燒產生的氣體,獲取CO臨界值。

2種方法目前雖應用較廣,但也存在明顯不足。實驗測試法無法模擬現(xiàn)場的地質條件、氧化環(huán)境和采掘因素的干擾;數(shù)學模型法則未結合采空區(qū)CO濃度隨煤溫的變化規(guī)律,導致建立的采空區(qū)CO生成與運移模型的假設條件過于理想化,無法真實有效地反映煤層在整個回采期間的自然發(fā)火情況。

1.2 煤氧化CO臨界值確定

煤的自燃一般分為低溫緩慢氧化階段和高溫劇烈氧化階段,兩階段分界點對應的溫度即為煤自燃臨界溫度。

氧化反應的初期CO濃度隨煤溫升高緩慢上升,隨著氧化持續(xù)進行,煤溫不斷升高。當煤溫超過臨界溫度時,煤的氧化反應將由低溫緩慢氧化階段上升到高溫劇烈氧化階段,該階段CO濃度急劇上升。當煤溫達到自燃臨界溫度時,對應的CO質量濃度即為CO臨界值。當采空區(qū)CO質量濃度超過該臨界值時,說明煤溫已經(jīng)超過臨界溫度,煤自燃反應速度會迅速加快直至發(fā)生自燃。

因此,可在實驗室開展煤樣程序升溫氧化實驗,計算獲得煤自燃臨界溫度值。同時,在現(xiàn)場實測正?；夭汕闆r下采空區(qū)CO濃度與煤溫的實際變化規(guī)律,兩者結合可得到煤自然發(fā)火標志氣體CO臨界值。

2 K1煤層自燃標志氣體實驗測定

從龍灘煤礦3122S回采工作面采集煤樣,設計煤樣程序升溫氧化實驗方案,通過實驗優(yōu)選合適的標志氣體,為防止煤自燃火災提供早期預報。

2.1 實驗設備

實驗設備主要由氣路控制系統(tǒng)、程序控溫箱、煤樣罐、測溫儀、氣體分析檢測儀、溫度控制系統(tǒng)等組成,如圖1所示。

圖1 煤自燃標志氣體實驗系統(tǒng)示意圖

2.2 實驗準備

1)煤樣采集

在龍灘煤礦3122S回采工作面采集新揭露煤體,經(jīng)密封儲存運至實驗室后,剝去煤樣表面氧化層,并破碎篩分出40～80目(粒徑為178～425 μm)的顆粒50 g作為實驗煤樣。

2)實驗過程

將制作的煤樣置于煤樣罐內放入程序控溫箱中,連接好進氣氣路、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;測試時向煤樣內通入50 mL/min的干空氣;對煤樣進行加熱,當達到指定測試溫度時,取氣樣進行氣體成分和濃度分析。

2.3 實驗結果

實驗分析所取煤樣升溫氧化生成的氣體成分,CO、CO2濃度隨溫度變化的分析數(shù)據(jù)見表1。

表1 CO、CO2質量濃度隨溫度變化分析數(shù)據(jù)

對3122S回采工作面煤層煤樣氧化氣體組分進行分析,其變化趨勢如圖2所示。

(a)CO、CO2質量濃度變化

由圖2可知:當氧化實驗溫度到達160 ℃時,煤樣中釋放的氣體有CO、CO2、甲烷(CH4)、乙烷(C2H6)、乙烯(C2H4)、丙烷(C3H8)6種。對6種氣體濃度隨溫度變化進行標志性氣體分析:

1)在常溫下,煤樣未釋放CO;煤樣在溫度上升至40 ℃時開始釋放CO氣體; 40～110 ℃時,CO的釋放量較小且上升速率較低,呈現(xiàn)平穩(wěn)上升趨勢;大于110 ℃后,CO釋放量驟升,煤樣氧化程度加劇。因此,CO可作為煤炭早期預報氣體,一旦發(fā)現(xiàn)CO,必須及時跟蹤監(jiān)測CO濃度的變化趨勢,若是發(fā)現(xiàn)其質量濃度持續(xù)上升,即可視其為自燃征兆。

2)CO2受井下大氣環(huán)境影響較大,CH4為煤炭開采時常溫下正常釋放的氣體,因此這2種氣體一般不作為預測預報煤炭自燃的標志性氣體。

3)常溫下,煤樣就釋放有C2H6、C3H8氣體,并且釋放量隨溫度的升高而不斷增大,可認為原始煤層中含有C2H6、C3H8氣體。因此,C2H6、C3H8氣體不作為預測預報該煤層自燃的標志性氣體。

4)溫度上升至160 ℃時,檢測到C2H4質量濃度為0.90 mg/L。由此可見,C2H4在煤樣氧化過程中,需要煤樣達到160 ℃以上高溫時才能產生,并且氣體濃度隨溫度的升高而不斷增大,因此可以將其作為預測該煤層煤炭氧化自燃的標志性氣體。

因此,龍灘煤礦3122S回采工作面煤炭氧化自燃過程中,選取CO、C2H4為主要標志性氣體。

根據(jù)《煤層自然發(fā)火標志性氣體色譜分析及指標優(yōu)選方法》中的標志性氣體優(yōu)選原則:中變質程度的焦煤、瘦煤及貧煤,應優(yōu)先考慮CO、烯烴及烯烷比(C2H4與C2H6濃度比)作為標志氣體及其指標。3122S回采工作面煤樣自燃標志性氣體中烯烷比隨溫度變化情況如圖3所示。

圖3 龍灘煤礦煤樣氧化生成氣體的烯烷比

由圖3可知:在160～210 ℃,煤樣氧化過程中所測氣體的烯烷比最大值約為0.04,此時對應的溫度為210 ℃。烯烷比隨著溫度的升高呈增大的趨勢,因此烯烷比可以作為3122S回采工作面煤炭氧化自燃標志氣體的輔助指標。

3 煤自燃臨界溫度確定

綜上所述,對煤樣程序升溫實驗得到的CO產生速率和溫度進行處理,計算得到lncout與(-1/T),并繪制出lncout隨(-1/T)的變化圖,進行線性擬合。擬合直線斜率(E/R)的變化,可以反映煤氧化過程中不同階段表觀活化能的變化,表觀活化能發(fā)生突變的點對應的溫度即為臨界溫度。

煤樣在160 ℃時釋放C2H4氣體,表明此時煤樣已經(jīng)進入了劇烈氧化階段。由于煤的自燃溫度一般為60～80 ℃,因此,重點研究40～160 ℃內的煤氧化反應活化能變化情況。lncout與-1/T的值見表2,lncout與(-1/T)關系曲線如圖4所示。

表2 實驗室所測數(shù)據(jù)ln cout與-1/T值

圖4 龍灘煤礦煤樣ln cout與-1/T關系曲線

對整體曲線進行分段擬合后,2條擬合直線的擬合優(yōu)度R2分別達到了0.971 3與0.981 0,擬合程度較高。將2條擬合直線聯(lián)立:

(1)

可以得到,當(-1/T)取-0.011 5時,2條直線相交,即溫度為87 ℃時活化能發(fā)生了突變。因此,3122S回采工作面煤層煤樣自燃臨界溫度為87 ℃。

4 煤層自然發(fā)火標志氣體現(xiàn)場測試

4.1 現(xiàn)場測試設備及系統(tǒng)

1)溫度測試系統(tǒng)

現(xiàn)場測試采用高精度白金電阻溫度表作為測試儀表,測溫元件采用集成溫度傳感器PT100(測溫范圍為-50～200 ℃)。

2)抽氣系統(tǒng)

井下氣樣采集儀器采用CFZ22(A)型煤礦井下專用的防爆型氣體自動負壓采樣器。

3)氣相色譜分析系統(tǒng)

采用氣囊將井下收集的氣體帶入實驗室;利用氣相色譜儀進行色譜分析。

4.2 測點布置

抽氣管和溫度傳感器PT100的布置方式采用工作面回風巷埋管。由于現(xiàn)場條件的限制,在工作面回風巷中共設2個測點,兩測點沿走向間距為20 m,在回風巷的支架后方先布置一個采樣點進行采樣。3122S回采工作面推進20～30 m后,再在回風巷的支架后方布置另一個采樣點,此后,2個測點同時進行采樣。采樣點布置如圖5所示。

圖5 采樣點布置示意圖

4.3 現(xiàn)場實測數(shù)據(jù)分析

2022年7月8日至8月27日,對龍灘煤礦3122S回采工作面采空區(qū)氧化帶中各種氣體濃度進行實測。現(xiàn)場采用高精度溫度表及溫度傳感器PT100測定采空區(qū)的溫度;統(tǒng)計工作面推進期間回風巷測點與工作面的距離;通過數(shù)據(jù)處理得到距工作面不同位置測點的溫度及氣體濃度。

龍灘煤礦3122S工作面采空區(qū)中1#、2#測點CO質量濃度隨推進距離的分布曲線如圖6所示。

(a)1#測點

4.4 采空區(qū)CO臨界值確定

基于煤礦現(xiàn)場CO和C2H4實測結果,構建一種煤層自然發(fā)火標志氣體臨界值確定方法,可準確地對煤自燃災害進行預測預報,為防止采空區(qū)煤自燃提供重要保障。

繪制1#、2#測點的CO質量濃度與溫度對應的散點圖,分別對散點圖進行對數(shù)擬合,如圖7所示。

(a)1#測點

根據(jù)擬合曲線及數(shù)據(jù)結果可知,1#、2#測點數(shù)據(jù)擬合的對數(shù)函數(shù)表達式如下:

y=76.562lnx-236.59

(2)

y=64.42lnx-198.86

(3)

式中:y為CO質量濃度,mg/L;x為溫度,℃。

根據(jù)實驗測得龍灘煤礦K1煤層煤自燃臨界溫度為87 ℃,將x=87 ℃代入式(2)中,計算得到1#測點此溫度下CO質量濃度為105.30 mg/L;同理將x=87 ℃代入式(3)中,得到2#測點此溫度下CO質量濃度為88.80 mg/L。

綜上所述,1#測點、2#測點的CO臨界質量濃度分別為105.30、88.80 mg/L。出于安全考慮,將采空區(qū)CO質量濃度臨界值確定為88.80 mg/L。當采空區(qū)CO質量濃度接近105.30 mg/L時,就需及時采取防滅火措施。

4.5 采空區(qū)C2H4臨界值確定

現(xiàn)場測試中,在3122S回采工作面采空區(qū)氧化帶內未檢測到C2H4氣體,因此無法采用上述方法確定采空區(qū)氧化帶C2H4的臨界值。但根據(jù)實驗室煤自然發(fā)火標志氣體實驗結果可知,煤樣首次出現(xiàn)C2H4氣體時,溫度為160 ℃、質量濃度為0.90 mg/L,隨著溫度的增高,C2H4氣體濃度迅速增大。

因此,如果在回采工作面采空區(qū)或回風流中檢測出C2H4氣體,說明煤樣已進入加速氧化階段,采空區(qū)已存在160 ℃以上的高溫區(qū)域,應立即采取措施,及時治理煤層自燃。

5 結束語

1)通過煤樣程序升溫氧化實驗,確定了龍灘煤礦K1煤層選取CO、C2H4作為煤自然發(fā)火主要標志氣體,烯烷比作為煤自然發(fā)火標志氣體的輔助指標。

2)龍灘煤礦K1煤層煤樣出現(xiàn)CO氣體時,溫度為40 ℃、質量濃度為10.28 mg/L;出現(xiàn)C2H4氣體時,溫度為160 ℃、質量濃度為0.90 mg/L,隨著溫度的增高,C2H4氣體質量濃度迅速增大。在40～210 ℃內,龍灘煤礦煤樣所測氣體的烯烷比隨著溫度的升高呈增大的趨勢。

3)構建了基于采空區(qū)內部CO質量濃度隨煤溫變化規(guī)律及煤自燃特性的煤層自然發(fā)火標志氣體CO臨界值確定方法;通過綜合分析現(xiàn)場實測的采空區(qū)自然發(fā)火標志氣體,確定了龍灘煤礦K1煤層回采工作面采空區(qū)的自燃標志氣體CO、C2H4臨界值分別為88.80、0.90 mg/L。