工作面采空區自然發火預測預報試驗研究

唐文杰

（潞安化工集團有限公司市場技術部，山西 長治 046202）

1 引言

煤在氧化反應中，會產生多種不同的氣體，這些氣體都有最低反應溫度和氣體的生成量，同時，煤溫之間的關系與煤種的氧化自燃程度有很大關系，而對于巖層的自然發火預測工作還沒有開展過。根據前人總結的經驗，煤自燃可以通過自燃過程中產生的氣體來判斷煤是否自然發火，該種氣體被稱為標志性氣體。《煤礦安全規程》規定，開采一類和二類自燃煤層時，需要明確煤層自然發火的標志性氣體。煤炭開采過程中通過試驗測試，優選出最適合的指標氣體，為煤炭自然火災早期預報提供必要的前提條件，同時也使得在實際開采過程中的煤炭自燃防治工作更具有針對性[1-3]。

2 煤樣氧化溫升過程的氣體產物特性分析

（1）實驗設備

煤自然發火氣體的反應產物模擬仿真實驗設備原理示意圖，具體如圖1，其通常是由應用程序溫度控制箱、氣體分析測量儀、溫度操控系統、流量控制操作設備等構成。

圖1 指標氣體實驗系統圖

（2）實驗過程

① 樣品選取

從礦井83022 工作面現采煤層選取，經密封儲存郵運至實驗室。采樣前先剝去煤樣表面氧化層，然后對煤樣進行破碎，并篩分出40～80 目的顆粒。

② 實驗步驟

將粒度為40～80 目的混合煤樣50 g 置于銅質煤樣罐內，將煤樣罐置于程序控溫箱內，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。當煤溫達到30 ℃時向煤樣內通入50 mL/min 的干空氣，并將測試爐調整至0.8 ℃/min 程序升溫。在反應初期每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）測試結果

① 測試數據

在上述實驗條件下得到礦井83022 工作面煤樣氣體產物隨溫度的變化。在實驗過程中，隨著溫度的增加，各氣體濃度逐漸發生變化，實驗數據見表1。

表1 煤樣自燃過程指標氣體測試結果（ppm）

對礦井83022 工作面煤樣測試實驗過程中氣體自動生成的實際狀況展開研究分析，其實際有效濃度改變的態勢，具體示意圖如2、圖3。

圖2 礦井煤樣CO、CO2 變化趨勢圖

圖3 礦井8#煤樣CH4、C2H6 、C2H4、C3H8 變化趨勢圖

③ 指標氣體分析

煤樣在30.0～180.0 ℃的溫度作用，其氧化過程中會有規律性的出現一氧化碳、二氧化碳、甲烷、乙烷、丙烷與乙烯等氣體，并且產生量與溫度成正比例關系；在30.0～200 ℃的溫度內，煤樣中沒有產生乙炔，但是一氧化碳、二氧化碳、甲烷等氣體均在30 min 內產生。在試驗初期，一氧化碳量逐漸升高，但是總量較低，煤溫在達到110.0 ℃以后，其生成量快速上升，此時煤樣全面進入了快速氧化反應時期。30.0～200.0 ℃的溫度范圍內，沒有生成乙炔氣體。一氧化碳的生成量在低溫氧化時較低，煤溫到達110.0 ℃以后，其生成量上升速度增加，表明110.0 ℃后，該煤樣已進入快速氧化時期。煤溫達到20 ℃、100 ℃和110 ℃時分別開始出現C2H6氣體、C3H8氣體和C2H4氣體，其濃度不大但隨煤溫升高持續上升。

所以，以一氧化碳作為標志性氣體，并且結合乙烯、丙烷與乙炔來分析煤的自然發火特征。一氧化碳的生成及變化特征能較好表明煤的氧化反應程度；乙烯、丙烷產生說明煤溫早已達到100～110.0 ℃；乙炔的產生表明煤溫早已超越200.0 ℃。煤礦測試現場檢測到乙炔時，就可能已經發生了煤自燃，此時應該立刻采取積極主動的防滅火措施手段。

3 自然發火預測預報指標氣體分析與優選

烯烴、炔烴和一氧化碳是煤產生自然發火氧化反應的結果，是標志煤產生自燃氧化反應進程的重要組分。其中，甲烷與二氧化碳不作為煤自燃氧化反應進程的特點氣體成分，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律，來確定這兩種氣體是否可以作為煤自燃指標性氣體。

調試實驗樣品里，一氧化碳在30.0 ℃時候開始產生，并且其形成量伴隨著煤溫的增高而增大，180.0 ℃以前，這種變化關系還基本符合指數遞增變化規律。一氧化碳的產生說明煤樣早已開始氧化反應，一氧化碳的實際有效濃度愈來愈高，就說明煤樣氧化反應愈來愈激烈，其自燃危險性越大。所以，一氧化碳作為煤自燃預測預報的標志性氣體是可行的，但是在煤自燃氧化過程中，溫度的預測還需與其他氣體的溫度變化一起來分析。

因此，通過對測試樣品的實驗研究，可得出以下結論：

（1）一氧化碳是工作面自然發火的指標性氣體之一。一氧化碳的產生，說明煤樣早已開始氧化反應，一氧化碳的實際有效濃度愈來愈高，就說明煤樣氧化反應愈來愈激烈，危險性越大。但由于在整個自然發火過程中都有一氧化碳產生，因此在實際生產過程中應用一氧化碳標志氣體應該分兩部分考察：① 現場氣體檢測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 產生一氧化碳之后，其實際有效濃度改變態勢怎樣，如果一氧化碳的濃度持續加大，則很有可能是巖樣的氧化反應程度在加劇；如果一氧化碳濃度變化比較平穩，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下降則表明自燃災害得到有效控制。

（2）乙烯是煤樣局部開始進入加速推動氧化反應時期的代表性氣體。乙烯的產生說明煤樣局部實際溫度早已達到110.0 ℃。

（3）乙炔的產生，代表著煤樣的局部實際溫度超越了200.0 ℃。只要在礦井下發現到了乙炔，就應該看作煤層局部早已可能產生明火或者陰燃，采取措施時需更加謹慎。

4 應用驗證

83022 工作面于2019 年11 月25 日開始回采，截至2020 年10 月31 日，工作面累計回采進度為頭1 088.5 m、尾1 090.5 m。工作面采用預埋雙管注氮，1#注氮管路進入采空區61 m，2#注氮管路進入采空區31 m，注氮總流量為1600 m3/h，平均日注氮約38 400 m3。工作面束管測點共5 個，分別為23022 巷2 趟、53022 巷2 趟、83022 頂回1 趟。根據束管監測系統每日監測數據和觀測站觀測數據繪制采空區自然發火標志氣體變化曲線如圖4。

圖4 83022 工作面采空區束管內CO 濃度變化曲線

由上圖CO 濃度變化曲線可知，83022 綜放工作面采空區內自然發火標志性氣體CO 濃度維持在較高水平，最高CO 濃度達67 ppm，但采空區內尚無C2H4出現。采空區內CO 濃度維持在較低水平，采空區無明顯自然發火跡象，采空區內氧氣濃度維持在12%的防火墮化指標以下，需加強采空區注氮，密切關注采空區內CO 等指標氣體變化情況，一旦發現異常及時采取措施進行處理。同時，加強束管監控系統日常維護管理，確保采空區氣體監測數據準確。