甘莊煤礦煤自燃特征及分級(jí)預(yù)警體系研究

楊五五

（山西中新甘莊煤業(yè)有限責(zé)任公司，山西大同 037000）

煤的自燃過(guò)程相當(dāng)復(fù)雜[1-6]，一直是國(guó)內(nèi)外學(xué)者研究和討論的熱點(diǎn)和難點(diǎn)。文虎[7]研究了煤自燃高溫點(diǎn)的發(fā)展規(guī)律，提出了煤自燃與煤的氧化、放熱以及漏風(fēng)和供氧等條件是相關(guān)的；張玉濤[8]分析了煤溫度與氧化氣體的相互作用關(guān)系，驗(yàn)證了溫度與氧化產(chǎn)物的非線性特性；晉樹清[9]利用“煤自燃特性綜合測(cè)試系統(tǒng)”得到了鳳凰山煤礦煤自燃的特征氣體CO為主，C2H4和C2H2為輔。諸多研究表明[10-11]，研究煤炭自燃特征和確定煤炭自燃分級(jí)預(yù)警指標(biāo)對(duì)防治煤層自燃具有較為深遠(yuǎn)的意義。

甘莊煤礦11#煤層位于大同煤田大同組下部，煤層平均厚度3.51 m。該煤層8507 工作面，由于部分采空區(qū)遺留煤較多，在開(kāi)采活動(dòng)和大氣壓力變化的影響下，易發(fā)生“呼吸”，從而造成煤炭自燃隱患，所以急需研究煤炭火災(zāi)預(yù)警系統(tǒng)。

1 自然發(fā)火實(shí)驗(yàn)裝置

針對(duì)甘莊煤礦11#煤的自燃實(shí)驗(yàn)，利用煤低溫自燃實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，模擬了實(shí)驗(yàn)條件下煤自燃氧化的升溫過(guò)程，通過(guò)對(duì)煤的溫度、耗氧量以及一氧化碳生成量等氣體含量變化過(guò)程的監(jiān)測(cè)和分析，獲得了煤自燃的特征參數(shù)。

XK-IV型煤低溫自燃實(shí)驗(yàn)平臺(tái)由爐體、氣體回路和控制檢測(cè)系統(tǒng)3部分組成，整體結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖1（a）。爐體見(jiàn)圖1（b），呈圓形，高度為195 cm，內(nèi)徑為120 cm，總裝煤量約為1 950 kg，爐內(nèi)設(shè)置了測(cè)溫探頭和氣體采樣點(diǎn)。氣路系統(tǒng)見(jiàn)圖1（c），氣體通過(guò)壓縮機(jī)、空氣包、穩(wěn)流閥以及紫銅管等進(jìn)入爐內(nèi)。氣樣分析系統(tǒng)見(jiàn)圖1（d），采用氣相色譜儀，監(jiān)測(cè)的氣體主要有O2、CO、CO2、CH4、C2H6、C2H4、CH2、N2等8種氣體。

圖1 實(shí)驗(yàn)平臺(tái)

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

2.1 煤自然升溫過(guò)程

低溫自然發(fā)火實(shí)驗(yàn)歷時(shí)55 d，爐體內(nèi)最高煤溫由26.3 ℃升至170 ℃。實(shí)驗(yàn)可知，甘莊煤礦11#煤層煤在自然氧化條件充分時(shí)的實(shí)驗(yàn)自然發(fā)火期為55 d，以該礦井生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際圍巖溫度20 ℃計(jì)算出煤樣實(shí)驗(yàn)自然發(fā)火期為62 d。在實(shí)驗(yàn)自然升溫過(guò)程當(dāng)中，隨自然升溫時(shí)間不斷增長(zhǎng)，爐體內(nèi)的溫度也隨之發(fā)生變化，見(jiàn)圖2。

圖2 中心軸測(cè)點(diǎn)溫度與爐體高度位置關(guān)系

由圖2可知，11號(hào)煤層煤樣氧化升溫在實(shí)驗(yàn)初期較慢，而隨著供風(fēng)時(shí)間超過(guò)34 d，煤樣的氧化升溫開(kāi)始加速，臨界溫度為61.6 ℃；49 d后，氧化升溫迅速進(jìn)一步加快，干裂溫度為107.6 ℃；在53 d 時(shí)，升溫速度再次加快，裂變溫度為140 ℃，而根據(jù)煤自然發(fā)火規(guī)律，24 h 后煤的溫度可以超過(guò)380 ℃的燃點(diǎn)。同時(shí)，爐內(nèi)中心軸測(cè)點(diǎn)溫度隨氧化天數(shù)的增大，高溫點(diǎn)的位置逐漸降低，在氧化天數(shù)超過(guò)40 d 后，高溫點(diǎn)降低至25 cm位置。

2.2 煤自燃?xì)怏w數(shù)據(jù)分析

煤樣在自然升溫過(guò)程當(dāng)中，實(shí)驗(yàn)爐頂部氣體采集點(diǎn)各種指標(biāo)氣體濃度及爐內(nèi)相對(duì)應(yīng)的最高溫度，見(jiàn)圖3（a）和（b）；氣體比值與爐體內(nèi)相對(duì)應(yīng)的最高溫度，見(jiàn)圖3（c）。

從圖3（a）可得，在11#煤層煤樣自燃過(guò)程中，氣體CO 較為敏感，在實(shí)驗(yàn)初期煤樣中就出現(xiàn)了一定量的CO，隨著煤樣溫度的升高，CO 濃度近似呈指數(shù)增加；CO2和O2隨煤樣自然溫升穩(wěn)定。由圖3（b）可以看出，在煤樣加熱氧化過(guò)程中，氣體CH4和C2H6不僅出現(xiàn)在自然升溫初期，而且在整個(gè)實(shí)驗(yàn)過(guò)程中都會(huì)出現(xiàn)，指數(shù)氣體C2H4在107.6 ℃后開(kāi)始出現(xiàn)，濃度相對(duì)較小。由圖3（c）可以看出，氣體CO2/CO 比值在實(shí)驗(yàn)開(kāi)始時(shí)就出現(xiàn)了，隨著溫度的升高逐漸升高。當(dāng)溫度為61.6 ℃時(shí)且比值達(dá)到最大值時(shí)，CO2/CO 值在溫度逐漸升高后逐漸降低。隨溫度不斷的升高，煤烷烯比(C2H4/C2H6)在107.6 ℃逐漸呈指數(shù)規(guī)律增加。甘莊煤礦煤11#煤層煤自然發(fā)火過(guò)程中的特征溫度及其氣體表征，見(jiàn)表1。

表1 特征溫度及其氣體表征

圖3 甘莊煤礦11號(hào)煤指標(biāo)氣體與煤溫的關(guān)系曲線

2.3 煤自燃極限參數(shù)

浮煤厚度、煤溫與氧濃度下限三者關(guān)系曲線，見(jiàn)圖4。浮煤厚度為0.73 m、煤溫為60 ℃時(shí)，氧濃度下限21.25%已超過(guò)新風(fēng)。松散浮煤中的氧濃度不可能具有自燃條件。因此，在實(shí)際情況下，浮煤肯定不會(huì)自燃，即如果浮煤的厚度小于0.73 m，煤溫不會(huì)超過(guò)其臨界溫度，就會(huì)發(fā)生自燃。

圖4 下限氧濃度關(guān)系曲線圖

上限漏風(fēng)強(qiáng)度隨著浮煤的厚度增加而增加，即實(shí)際生產(chǎn)的礦山浮煤厚度越大，生成更多的熱量，同時(shí)上限漏風(fēng)強(qiáng)度越大。由浮煤厚度、下限氧濃度以及煤溫三者之間的關(guān)系（見(jiàn)圖5）可以看出，當(dāng)浮煤的厚度小于0.73 m，煤的溫度是60 ℃，漏風(fēng)強(qiáng)度上限將會(huì)是一個(gè)負(fù)值。這時(shí)，煤氧化產(chǎn)生的熱量是通過(guò)熱傳導(dǎo)損失，和漂浮的煤自然不會(huì)加熱，也表明浮煤的厚度小于0.73 m，煤的溫度不會(huì)超過(guò)其臨界溫度，引起自燃。

圖5 上限漏風(fēng)強(qiáng)度關(guān)系曲線圖

由圖6煤樣溫度、漏風(fēng)強(qiáng)度和極限浮煤厚度三者關(guān)系曲線可以看出，最大極限浮煤厚度在60 ℃左右時(shí)，只要浮煤厚度小于極限浮煤厚度，不會(huì)發(fā)生自燃。

圖6 極限浮煤厚度關(guān)系曲線圖

3 TG/DSC煤自燃特性參數(shù)研究

3.1 實(shí)驗(yàn)條件及分析方法

通過(guò)使用TG209C型熱重實(shí)驗(yàn)儀采用氮氧混合氣體的方式，分別采用5 種不同氧濃度為21%、17%、13%、9%、5%的混合氣體以100 mL/min 的流量，在2.5、5、10、15 ℃/min的升溫速率下通過(guò)樣品，對(duì)煤自然特征溫度以及煤在不同升溫速率、不同氧濃度對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果的影響進(jìn)行實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分析，結(jié)合諸多學(xué)者的研究成果[12-13]，得到煤的燃燒氧化特性，從而為煤自燃和煤發(fā)火傾向性提供參考依據(jù)。

3.2 特征溫度分析

通過(guò)對(duì)熱重實(shí)驗(yàn)所測(cè)數(shù)據(jù)的整理和分析，得到了甘莊11#煤煤樣在不同升溫速率和不同氧濃度下的燃燒特性參數(shù)，見(jiàn)圖7。

由圖7 可知，甘莊煤礦煤樣的4 個(gè)自燃特征溫度分別為：①著火溫度T1反映了煤體內(nèi)的官能團(tuán)開(kāi)始全面分解，煤表面的揮發(fā)分和氣體開(kāi)始燃燒。煤樣的著火溫度為370 ℃。②最大失重速率溫度T2反映了在升溫過(guò)程中，由于煤的氧化分解，煤體內(nèi)官能團(tuán)燃燒分解，在降低煤樣重量的過(guò)程中，最大失重速率溫度為571 ℃。③燃盡溫度T3是煤體在燃燒末期，由于煤體內(nèi)部的可燃燒物質(zhì)全部消耗，煤體無(wú)法再進(jìn)行燃燒，只留下有機(jī)物質(zhì)（如灰分等），該溫度表示煤的燃燒速度和在不同氧氣濃度和升溫速率下完全反應(yīng)所需的條件。煤樣的燃盡溫度為668 ℃。④臨界溫度T4是升溫實(shí)驗(yàn)中，失重第一次明顯下降的溫度。在這個(gè)溫度點(diǎn)，煤體內(nèi)的氣體(CO2、CH4等)開(kāi)始解吸，同時(shí)煤樣內(nèi)的少量水分也開(kāi)始蒸發(fā)。煤樣臨界平均為溫度為73 ℃。

圖7 甘莊煤礦11#煤樣自燃特征溫度

隨著氧濃度的逐漸增加，煤樣的著火溫度、最大失重速率溫度和燃盡溫度逐漸降低，且呈單調(diào)狀態(tài)。這說(shuō)明氧氣濃度是直接決定反應(yīng)速率的最直接參數(shù)，氧濃度越高，反應(yīng)進(jìn)行得越充分，煤-氧復(fù)合效果越好，反應(yīng)速度越快，這就降低了達(dá)到點(diǎn)火溫度所需的時(shí)間，從而增加了風(fēng)險(xiǎn)，導(dǎo)致了達(dá)到著火溫度所需時(shí)間較低，故而危險(xiǎn)性增大。

4 自燃分級(jí)預(yù)警指標(biāo)體系建立

根據(jù)CO、O2、C2H4等氣體濃度在自然升溫過(guò)程中的變化規(guī)律，以及CO2/CO、C2H4/C2H6等氣體濃度比值的變化規(guī)律，將曲線特性(起點(diǎn)、拐點(diǎn)、突變點(diǎn)、極端點(diǎn))作為分類的基礎(chǔ)，根據(jù)煤自燃階段分類的方法，結(jié)合我國(guó)《煤礦安全規(guī)程》煤自燃監(jiān)測(cè)的相關(guān)要求（標(biāo)志氣體、臨界值、發(fā)火特征），通過(guò)實(shí)驗(yàn)和現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)對(duì)接，采用煤自燃溫度的5 個(gè)氣體指標(biāo)（CO、O2、ΔCO/ΔO2、C2H4、C2H4/C2H6）確定了甘莊煤礦11#煤層分級(jí)預(yù)警的溫度范圍和氣體指標(biāo)臨界值（見(jiàn)表2），煤炭自燃6 級(jí)預(yù)警體系為煤礦自燃從被動(dòng)管理向主動(dòng)預(yù)防的轉(zhuǎn)變提供了指導(dǎo)。

表2 甘莊煤礦11#煤煤層自燃傾向分級(jí)預(yù)警指標(biāo)