綜放面采空區煤自燃早期分級預警方法研究

王 喆，王新堂，姬乃啟，馬 德，張 勛，張建忠

(1.西安天河礦業科技有限責任公司，陜西 西安 710054；2.陜煤銅川礦業有限公司下石節煤礦，陜西 銅川 727101；3.西安科技大學安全科學與工程學院，陜西 西安 710054；4.陜西煤業化工技術研究院有限責任公司，陜西 西安 710000)

0 引言

煤自燃是一種物理和化學反應共同作用的結果，整個過程也是不斷產生熱量和放熱的過程，全過程主要為煤氧復合過程。煤氧復合過程的特性跟多種因素都有關系，因溫度、孔隙率、與空氣接觸面積等的不同都會有不同的結果[1-4]。

目前國內外使用較多的預測煤自燃程度方法有：直接感覺法、氣體分析法、測溫法和物探法等。其中氣體分析法較其他方法操作便捷，可信度高，現已普遍應用于煤自燃預測中。由于煤礦井下現場環境受其他因素影響較大，現主要通過程序升溫實驗確定某個煤樣的標志性氣體。煤自燃過程中伴隨著各種不同的氣體產生，其中主要有CO、CO2、C2H2、C2H4、C2H6等氣體，在煤溫升高的過程中產生氣體的種類和氣體量也有所不同，所有可通過監測標志性氣體進行煤自燃預測預報工作[5-9]。

以銅川某礦近距離煤層群煤自燃情況為例進行分析。該礦井222工作面開采4-2煤層，垂直上方3-2(4-1)煤層2301工作面采空區，間距3.7～38.4 m，平均21.76 m。正在回采的4-2煤層為Ⅰ類易自燃煤層。222工作面既是近距離煤層群開采，又是易自燃煤層，做好防滅火的預測預警工作至關重要。

1 實驗

1.1 實驗目的

開展礦井回采工作面采空區的防滅火工作，首先要對工作面所屬煤層特性有一定的了解，對本煤層煤自然發火時產生的各類氣體和氣體量進行定性及定量分析，為下一步防滅火工作打牢基礎。

本煤層各類標志性氣體種類和氣體量的確定可采用程序升溫實驗，該實驗是將不同粒徑煤樣放到程序升溫箱中加熱，不斷地升高箱溫，在實驗的不同過程測試煤樣的特性及各類氣體產生溫度及產生量。煤體溫度超過170 ℃之后達到著火點大概只需要1 d時間，研究煤體超過170 ℃之后的溫度對煤自燃來講失去了預測預警的意義，所以本實驗最終將煤體溫度升至170 ℃。

1.2 實驗裝置

本實驗裝置如圖1所示，將稱好的煤樣裝入直徑10 cm，長22 cm的鋼管中，給其均勻通氣，管子兩端均空出2 cm左右，然后置于利用可控硅控制溫度的程序升溫箱內加熱，并送入預熱空氣，實驗過程中收集不同煤溫時產生的氣體，然后對采集氣體進行成分和定量分析[7-12]。

圖1 程序加熱升溫實驗流程Fig.1 Process of temperature programmed experiment

1.3 實驗條件及過程

實驗煤樣在銅川某礦4-2煤層采取。將原煤樣破碎并篩分出5種粒度的煤樣，分別為：0～0.9 mm、0.9～3 mm、3～5 mm、5～7 mm和7～10 mm，及5種粒度煤樣各220 g組成的混合煤樣，向煤樣中通入流量為120 mL/min的空氣，同時給升溫箱持續加熱[13]，升溫速率0.3 ℃/min，升溫溫度范圍為30～170 ℃，溫度每升高10 ℃取一次氣體，然后使用色譜進行分析。

2 煤自燃預警指標分析

在選擇煤自燃預警指標氣體時，氣體有靈敏性、規律性、可測性的特點，不能單純以產生氣體作為指標。除了可以利用CO濃度、CH4濃度、C2H6和C2H4濃度來預測煤自燃程度外，格氏系數、鏈烷比、烯烷比等參數均能夠避免環境因素的影響對煤自燃程度進行準確識別及預警[13]。

通過煤自燃預警指標的選擇要求，結合銅川某礦4-2煤層的實際情況，對本煤層預警指標進行選擇：CO是煤氧化產生的氣體，煤溫升高過程中其濃度靈敏上升，而且CO濃度增長有一定的規律可循。選擇CO作為煤自燃預警的主要指標，將CH4濃度選作輔助指標；C2H4氣體大多是煤溫較高時產生的氣體，C2H6氣體在某些礦井煤處于低溫時也可出現，但這2種氣體隨煤溫上升濃度都會繼續增大。這里可以選擇C2H4作為煤自燃預警的指標，C2H6作為輔助指標；格氏系數R2值可以反映煤升溫過程中不同階段的特征溫度，煤氧化升溫的程度。因此將格氏系數R2值選作煤自燃預報的主要指標，并輔以格氏系數R3、C2H4/C2H6值。

根據以上分析，文中選擇以CO濃度、C2H4濃度、格氏系數R2值作為銅川某礦4-2煤層煤自燃預警的主要指標，以CH4濃度、C2H6濃度、格氏系數R3、C2H4/C2H6值作為輔助指標。然后結合煤樣升溫實驗，通過對6組不同粒度的煤樣升溫實驗得到的氣體濃度數據進行分析，以確定具體的指標所對應數據。

3 實驗結果及預警指標分析

3.1 CO氣體濃度分析

在煤氧化過程中CO氣體相對來講是出現最早的，并且在整個實驗過程中都會產生。在程序升溫過程中，煤樣產生的CO氣體濃度變化情況，如圖2所示。

圖2 不同粒徑煤樣CO濃度與溫度關系曲線Fig.2 Relationship between CO concentration and temperature of coal samples with different particle sizes

根據圖2分析，在實驗剛開始階段能夠檢測出少量的CO氣體，說明銅川某礦4-2煤層中含有低濃度CO。整個實驗初期，CO濃度與煤樣粒徑大小關系不明確，隨著實驗不斷進行，當煤溫高于70 ℃時開始出現較明顯的差異，其中混合煤樣產生的CO濃度基本處于中間位置，可以看出在實驗過程中煤樣產生氣體與其本身粒徑有一定關系，即與煤樣表面積相關，與氧接觸表面積越大，即粒徑越小，易氧化，產生的CO氣體也就越多，反映出濃度隨粒徑變小而增大，CO濃度隨溫度升高明顯增大[14]。

3.2 CH4氣體濃度分析

CH4氣體的產生與煤樣煤質的不同區別較大，但同個煤層的氣體差距不是很明顯，以下為本實驗過程中煤樣產生CH4氣體濃度的變化情況，如圖3所示。

圖3 不同粒徑煤樣CH4濃度與溫度關系曲線Fig.3 Relationship between CH4 concentration and temperature of coal samples with different particle sizes

從圖3可以看出，從常溫至高溫階段，CH4含量較大，說明銅川某礦4-2煤層煤樣中富含瓦斯氣體較多，試驗初期就可以測出一定含量的CH4氣體，在實驗過程中，均可測出有CH4氣體產生。在煤溫不斷升高的過程中，煤體中分子的范德華力越來越小，對CH4的吸附能力逐漸減弱，所以在較高溫時會快速產生CH4[15]。在50～120 ℃階段CH4脫附基本完成，此后基本上均是煤熱解產生的CH4。不同粒徑的煤樣均產生較多的CH4氣體，而小粒徑煤樣相對于高粒徑煤樣，解吸速度更快。銅川某礦4-2煤層各粒徑煤樣CH4脫附溫度及脫附峰濃度見表1，相關曲線如圖4、圖5所示。

表1 CH4脫附情況一覽Table 1 Overview of CH4 desorption

圖4 各粒徑煤樣CH4脫附溫度Fig.4 CH4 desorption temperature of coal samples with different particle sizes

圖5 各粒徑煤樣CH4脫附峰濃度Fig.5 CH4 desorption peak concentration of coal samples with different particle sizes

3.3 C2H6和C2H4氣體

在煤自燃過程中會生成C2H6和C2H4氣體，兩者屬于裂解氣體，但也存在煤中本身賦存一定量氣體，這時就需要經過專業知識對氣體進行分析，6組煤樣中C2H4和C2H6的濃度與溫度關系，如圖6～11所示。

從圖6～圖11可以看出，實驗煤樣在實驗初期沒有C2H4氣體，煤溫達到100 ℃左右時，檢測出極少量的C2H4氣體。說明該礦煤樣富含一定濃度的C2H4氣體，隨著實驗不斷進行，C2H4氣體產生隨之增多，其主要是煤樣高溫裂解生成；C2H6氣體在實驗初期出現，說明煤樣中本來就吸附一定量的C2H6氣體，在隨著煤溫升高過程中發生脫附并釋放出來。C2H6氣體一部分來源于煤體賦存，另一部分來源于煤體高溫裂解，所以C2H6氣體不能作為煤自燃的預報性指標氣體。以上2種氣體產生率與粒徑有關，粒徑越小，產生量越多，并且溫度越高，產生率越高。

圖6 1#煤樣C2H4和C2H6濃度與溫度關系曲線Fig.6 Relationship between C2H4 and C2H6 concentration and temperature of 1# coal sample

圖7 2#煤樣C2H4和C2H6濃度與溫度關系曲線Fig.7 Relationship between C2H4 and C2H6 concentration and temperature of 2# coal sample

圖8 3#煤樣C2H4和C2H6濃度與溫度關系曲線Fig.8 Relationship between C2H4 and C2H6 concentration and temperature of 3# coal sample

圖9 4#煤樣C2H4和C2H6濃度與溫度關系曲線Fig.9 Relationship between C2H4 and C2H6 concentration and temperature of 4# coal sample

圖10 5#煤樣C2H4和C2H6濃度與溫度關系曲線Fig.10 Relationship between C2H4 and C2H6 concentration and temperature of 5# coal sample

圖11 6#煤樣C2H4和C2H6濃度與溫度關系曲線Fig.11 Relationship between C2H4 and C2H6 concentration and temperature of 6# coal sample

3.4 格氏系數及C2H4/C2H6的比值分析

格氏系數是由煤的氧化過程中CO2濃度的增量、CO濃度的增量和O2濃度的減少量進行計算而來[15]。格氏系數R2、R3計算公式如下

R2=+ΔCO/(-ΔO2)

(1)

R3=+CO/(+ΔCO2)

(2)

由于其使用氣體變量間的比值計算，不受風量等其他因素的影響，比單氣體指標更為準確。將實驗數據帶入上式進行計算，得到格氏系數R隨煤溫的變化規律，如圖12～14所示。

圖12 R2與煤溫關系曲線Fig.12 Relationship curve between R2 and coal temperature

由圖12可知，在實驗初期，由于煤樣溫度較低，煤溫從30 ℃升至70 ℃比值上升緩慢，煤與氧氣不完全氧化產生CO較少，格氏系數R2值約在0.020左右。煤溫在70～120 ℃之間格氏系數R2值曲線比較平緩增速較低。當煤溫達到70 ℃，此時已經超過臨界溫度，煤氧反應充分CO產生量也增加，格氏系數R2值大概在0.030左右。當煤溫大于120 ℃，此時已經超過熱解溫度。煤樣復合反應加快，格氏系數R2值增加速度極快，呈指數函數增加。因此，當格氏系數R2值大于0.020時，煤溫已達到或高于臨界溫度；當格氏系數R2值大于0.030左右時，煤溫超過熱解溫度，煤氧反應極速增加。

由圖13表明，從煤樣升溫初期到70 ℃左右時，格氏系數R3值增速較慢。煤溫在70～120 ℃，格氏系數R3值增加速率變得緩慢，此時煤樣溫度已經超過臨界溫度，煤樣復合反應不完全氧化程度加快，CO產生量超過CO2產生量，所以格氏系數R3值增加速度較小。當煤溫超過熱解溫度即120 ℃時，產生大量CO，格氏系數R3值增加速度再次加快，這是煤分子結構中惰性官能團激活參與反應所致。

圖13 R3與煤溫關系曲線Fig.13 Relationship curve between R3 and coal temperature

由圖14可知，實驗過程中，C2H4/C2H6值隨煤溫升高而升高，在煤溫高于110 ℃后C2H4/C2H6隨粒徑減小而升高，且隨煤溫升高，粒徑越小，C2H4/C2H6增速越大。

圖14 C2H4/C2H6值與煤溫關系曲線Fig.14 Relationship curve between C2H4/C2H6 value and coal temperature

4 分級預警體系及閾值確定

在該工作面推采過程中，可以利用預警指標對采空區遺煤自燃程度進行判定，然后采取對應的措施，這樣就可以早發現早治理，有效防治煤自燃災害的發生。結合采空區煤自燃主動分級預警方法，根據相關氣體指標和溫度劃分，將煤自燃預警劃分為3個等級，分別為一級預警、二級預警和三級預警，通過指標氣體來判定采空區遺煤自燃程度，得出氣體指標模型，見表2。

表2 煤自燃分級預警模型Table 2 Classified early warning model of coal spontaneous combustion

5 結論

(1)通過程序升溫實驗，測試了銅川某礦4-2煤層的煤自燃特性參數，得到了指標氣體隨煤溫的變化規律。

(2)分析了銅川某礦4-2工作面煤自燃預警的主要指標氣體和輔助指標氣體，確定了預警指標。

(3)基于本次實驗數據，構建了銅川某礦煤自燃分級預警指標氣體和閾值。為實際生產中積極主動地進行防滅火工作提供了指導，為礦井的安全生產保駕護航。