顧北煤礦煤自燃試驗及早期多級預警技術

周言安，葉春輝，李毅恒，唐佐勝，孫明福

(1.煤礦瓦斯治理國家工程研究中心，安徽 淮南 232000；2.西安科技大學 安全科學與工程學院，陜西 西安 710054；3.西安天河礦業科技有限責任公司，陜西 西安 710000；4.甘肅靖遠煤電王家山煤礦，甘肅 白銀 730900)

0 引言

礦井煤自燃火災是煤礦五大災害之一，目前，我國煤炭大約90%是通過井工開采生產的[1]。根據統計結果顯示，我國目前共有煤礦大約9 000座，自燃和易自燃煤層占90%以上。而礦井火災中，85%～90%是由煤自燃引起的，近130余個大小礦區均不同程度受煤自燃威脅[2-3]，因此可見煤炭自然發火狀況十分嚴重，極大地威脅著煤礦的安全生產和礦工生命安全，造成巨大的資源損失和環境污染[4-7]。煤炭自燃的主要原因是煤與氧氣結合自發反應放熱所致，該過程存在一定的規律性，依據煤炭自燃規律而進行早期預警的探索一直是該領域學者們研究和討論的重點和難點。張玉濤等[8]通過程序升溫試驗和絕熱氧化試驗，驗證了溫度和氧化產物具有非線性特征。文虎等[9]選用長焰煤、不粘煤、弱粘煤3種煤樣研究不同低變質煤種的自然升溫過程中自燃特性參數的變化規律，分析了耗氧速率、放熱強度、CO、CO2、CH4的生成速率以及C2H6/CH4、C2H4/CH4比值的變化規律，得出相同溫度下CH4的產生速率隨煤質加深而增大；80 ℃以前，相同溫度下放熱強度隨煤質變質程度加深而降低，在100 ℃后，相同溫度下放熱強度隨煤質變質程度加深反而逐漸增大。晉樹青[10]采用“煤自燃特性綜合測試系統”研究鳳凰山煤礦煤自燃標志性氣體，得到15號煤自燃以CO為主、C2H4和C2H2為輔的標志性氣體體系，取得較好效果。GUO[11]提出一種通過監測指標氣體來評價煤自燃的方法，為煤自燃預報奠定了基礎。費金彪[12]針對易自燃煤，建立了煤自燃預警體系，確立了易自燃煤自燃分級預警方法。因此通過煤自燃指標及臨界值規律的研究，所確定出的煤自燃分級預警指標對易自燃和自燃煤層的煤自燃火災防治具有相當深遠的意義。

為此，針對顧北煤礦煤自燃問題，利用XK-Ⅶ型煤自然發火試驗臺開展試驗，模擬顧北煤礦煤自燃的全過程，構建煤自燃指標氣體及臨界值模型，確立專用于顧北煤礦煤自燃多級預警體系，以期對顧北煤礦煤自燃預報預警系統的完善及防滅火工作的實施提供理論依據。

1 試驗裝置及試驗條件

1.1 煤自然發火試驗臺

為模擬顧北煤礦煤樣的煤自燃全過程，利用XK-Ⅶ型煤自然發火試驗臺開展這一試驗。該試驗臺由爐體、氣路及控制檢測3部分組成。試驗臺示意圖、氣體檢測分析系統圖、供風系統流程圖分別如圖1～3所示。

圖1 煤自然發火試驗臺結構示意Fig.1 Schematic diagram of coal spontaneous combustion test-bed

1.2 試驗條件

破碎煤樣的粒度頻度和試驗條件分別見表1、2。

表1 顧北煤粒度篩分析結果Table 1 Results of coal particle size screening

2 試驗結果分析

2.1 特征溫度與氣體表征

自燃升溫過程中，氣體濃度與煤溫關系如圖4所示，各指標氣體比值與溫度關系如圖5所示。由圖4、5可知，顧北煤礦煤在升溫氧化過程中，CH4在升溫初始階段就出現大量氣體，而且在整個試驗過程中都存在。C2H6在升溫到48.6 ℃的時候出現。在煤層自燃過程中，CO是比較靈敏的指標氣體，顧北煤礦煤在試驗開始階段就有一定量CO出現，并且隨著溫度升高近似呈指數規律增加。

圖2 氣體檢測分析系統Fig.2 Gas detection and analysis system diagram

圖3 供風系統流程示意Fig.3 Flow diagram of air supply system

表2 試驗條件Table 2 Test conditions

圖4 煤自燃升溫過程氣體濃度與煤溫關系曲線Fig.4 Relationship between gas concentration and coal temperature during coal spontaneous combustion

圖5 煤自燃升溫過程各指標氣體比值與煤溫關系曲線Fig.5 Relationship between index gas value and coal temperature during coal spontaneous combustion

CO2/CO值試驗開始階段就出現并隨著溫度升高逐漸上升，當33 ℃時值達到最大，隨后溫度逐漸上升CO2/CO值逐漸減少。鏈烷比是研究指標氣體濃度與溫度關系的重要依據之一，其可以消除因單一指標氣體由于井下風流及其它條件影響而無法準確判斷等因素，顧北煤礦煤烷烯比(C2H6/C2H4)在100 ℃達到極值后隨溫度的升高而近線性增大。在煤自燃過程中，各種氣體指標在一些溫度段會發生突變，其范圍及表征見表3。

表3 煤自然發火過程中的特征溫度及其氣體表征Table 3 Characteristic temperature and gas characterization during coal spontaneous combustion

2.2 煤自燃指標氣體及臨界值

2.2.1 顧北煤礦煤自燃指標氣體分析

CO氣體：CO是煤氧化過程中出現最早的氧化氣體產物，并且貫穿于整個氧化過程中。CO產生的絕對量是所有標志氣體產物中最大的，CO的產生量隨著煤溫的升高而上升，這種變化表現為單一遞增關系，并基本符合指數關系。因此，CO可以作為標志氣體。但在現場生產環境下，還應考慮風流大小、檢測儀器誤差、取樣地點等特定因素的影響。

CH4氣體：在試驗初期便存在，并一直存在于整個階段，同時CH4是煤層氣的主要成分，因此不適合作為煤自燃標志氣體。

C2H4、C2H6氣體：試驗初期無C2H4氣體，產生的臨界溫度在120℃。相比CO的出現相對明顯。一旦發現C2H4，說明煤溫基本在干裂溫度左右。試驗中的C2H6氣體有相當一部分是煤樣脫附來的；而隨后在高溫階段產生的C2H6氣體主要是煤樣高溫裂解的氣體，這與煤樣的裂解溫度有關，因此，C2H6不能作為指標氣體。

C2H4/C2H6比率：煤氧化過程中，產生C2H4氣體之后的煤自然發火狀態預報，可以將C2H4/C2H6比率作為判斷指標。在使用該指標之前，應當著重將C2H4臨界溫度之前的自然發火狀態考慮清楚。

綜上，結合顧北煤礦煤自然發火試驗數據，選取CO、C2H4、C2H4/C2H6作為主要指標氣體。

2.2.2 顧北煤礦煤自燃指標氣體及臨界值

根據煤自然發火試驗測試結果，分析得到了20%氧濃度條件下顧北煤礦13121工作面煤樣自燃指標氣體及臨界值，可為現場煤自燃預報提供支撐，具體指標氣體及臨界值見表4。

表4 煤樣自燃指標氣體及臨界值Table 4 Index gas and critical value of coal spontaneous combustion

3 顧北煤礦煤自燃分級預警體系

對于煤自燃的危險程度，最直接的表征參數就是煤溫，然而準確直接地獲取煤溫一直是一個業界難題，因此常輔以指標氣體進行判定。大量現場實踐表明，煤在自然升溫過程中，一些特征參數的突變點可以清楚地表征煤自燃的進程，從而為煤自燃的現場防治工作提供理論指導。依據《煤礦安全規程》關于煤自燃監測、標志氣體、臨界值、發火征兆及火災的管理規定，基于顧北煤礦煤自然發火試驗，提出了適用于該礦的煤自燃分級預警指標體系，該指標體系主要包含可以表征煤自燃溫度的5個氣體指標(CO、O2、ΔCO/ΔO2、C2H4、C2H4/C2H6)，確定了易自燃煤層分級預警的溫度范圍和氣體指標臨界值，實現了礦井煤自燃5級預警，見表5。

表5 顧北煤礦煤自燃分級預警體系及指標臨界值Table 5 Hierarchical early-warning system and index critical value of coal spontaneous combustion in Gubei coal mine

4 結論

(1)顧北煤礦煤自然發火試驗的數據分析，確定了煤自然發火過程中的特征溫度及其氣體表征，以及分析選取CO、C2H4、C2H4/C2H6作為煤自燃指標氣體。明確了瓦斯脫附溫度、臨界溫度、干裂溫度、裂變溫度4個特征溫度對應的氣體表征、溫度范圍和極值溫度。

(2)根據顧北煤礦煤自然發火試驗研究，得到20%氧濃度下煤自燃指標氣體及臨界值，為現場煤自燃預報提供依據。

(3)提出適用于顧北煤礦的“灰色、黃色、橙色、紅色、黑色”5個預警級別的煤自燃分級預警指標體系，并明確各預警級別的主要判定依據，可以為顧北煤礦的煤自燃早期預測預報體系建立和現場防治工作提供指導。