基于TDLAS的采空區(qū)煤自燃臨界氧氣體積分數(shù)與“三帶”測定研究

景長寶，沈建廷

（陜西長武亭南煤業(yè)有限責任公司，陜西 咸陽 713602）

煤自燃會生成如CO2、CO、C2H4、C2H2等標志氣體[1-4]，標志氣體能反映煤低溫氧化和燃燒的程度，隨著煤溫的升高，各標志氣體的生成量會發(fā)生明顯變化，因此，在早期可利用標志氣體的體積分數(shù)變化規(guī)律進行預測預報。

針對采空區(qū)自燃“三帶”的研究，國內(nèi)外不少學者利用CFD技術對采空區(qū)煤自燃“三帶”進行模擬研究。李宗翔[5]為劃分自燃“三帶”，建立了采空區(qū)漏風相關的滲流方程及氧濃度的擴散方程；黃伯軒基于火災氣體的流動規(guī)律，針對采空區(qū)火源點位置，構建了專門的數(shù)學模型[6]；馬成軍等[7]對自燃“三帶”的劃分指標進行了更新，增加了浮煤厚度和煤氧化的散熱量。隨著科學技術的發(fā)展，紅外遙感、地質雷達探測等手段[8-10]被廣泛用到煤自燃“三帶”判定。定性而言，“三帶”是客觀存在的，但如何去精確地劃分其范圍，是一個非常復雜的問題。為此，以亭南煤礦4號煤層302工作面采空區(qū)為研究對象，該煤層屬于I類易自燃煤層，通過程序升溫實驗，對煤自燃標志氣體特征及下限氧氣體積分數(shù)進行研究，利用分布式激光檢測氣體系統(tǒng)對采空區(qū)氣體進行實時動態(tài)檢測，分析采空區(qū)自燃“三帶”變化規(guī)律，較全面、系統(tǒng)地掌握高瓦斯易自燃厚煤層綜放開采期間煤層自然發(fā)火規(guī)律，從而確定了綜放工作面采空區(qū)煤自然發(fā)火“三帶”范圍。

1 實驗部分

煤質指標見表1。煤炭低溫氧化程序升溫實驗裝置如圖1。

表1 煤質指標Table 1 Coal quality index

圖1 煤炭低溫氧化程序升溫實驗裝置Fig.1 Experimental device for low-temperature oxidation of coal

在不同O2體積分數(shù)下進行程序升溫實驗，確定抑制煤自燃的最大O2體積分數(shù)。根據(jù)現(xiàn)場經(jīng)驗，煤自然發(fā)火下限O2體積分數(shù)都小于10%。實驗以1%為間隔，供氧體積分數(shù)由10%依次減小，分別為21%（空氣）、10%、9%、8%和7%。

煤樣取自亭南煤礦302工作面輔運巷，實驗前，將塊狀煤外殼去掉，取心粉碎，選取粒徑為0～<1、1～<3、3～<5、5～10 mm的4種煤樣共計1 200 g，真空密封保存。為反映不同粒徑對煤自燃的影響，選取4種粒徑質量比為1∶1∶1∶1的混合煤樣來進行測試。具體實驗條件見表2。

表2 實驗條件Table 2 Experimental conditions

2 采空區(qū)自燃“三帶”測試方案

激光檢測氣體系統(tǒng)所基于的理論是不同的分子原子對不同波長光的吸收性差異。常用的“三帶”監(jiān)測方法有氣相色譜法、激光氣體監(jiān)測法、光纖測溫法等，氣相色譜結合束管抽測，是相對傳統(tǒng)的監(jiān)測方法，而利用激光氣體檢測技術，可實現(xiàn)對采空區(qū)的氣體在線檢測。

工作面采空區(qū)自燃“三帶”測點布置方案示意圖如圖2。采空區(qū)中部布置2個測點，上隅角和下隅角各設1個測點，由于是實時監(jiān)測，數(shù)據(jù)較多，僅選取部分具有代表性的參數(shù)進行分析。

圖2 302工作面采空區(qū)自燃“三帶”測點布置方案示意圖Fig.2 Schematic diagram of the layout plan of the“three belts”measuring point for spontaneous combustion in the goaf of the 302 face

3 測試結果

3.1 標志氣體特征

不同供氧條件氣體產(chǎn)生量曲線如圖3。在空氣條件，隨煤溫的升高，CO產(chǎn)生量近似指數(shù)型增加；煤溫在100℃以前，O2體積分數(shù)7.0%、8.0%、9.0%和10.0%條件下CO產(chǎn)生量與空氣條件下幾乎一致，煤溫在100℃以后，CO產(chǎn)生量隨O2體積分數(shù)的降低逐漸平穩(wěn)。

圖3 不同供氧條件氣體產(chǎn)生量曲線Fig.3 Gas production curves under different oxygen supply conditions

煤快速氧化的一個重要特征是C2H4的出現(xiàn)。由圖3（b）可以看出，煤溫在150℃以后，C2H4產(chǎn)生量快速增加，相對于空氣供氧條件下，低氧下C2H4產(chǎn)生量斜率較小。且首次檢測到C2H4的溫度延遲了10℃左右，C2H4產(chǎn)生量隨O2體積分數(shù)的增加逐漸升高。

3.2 下限O2體積分數(shù)

由阿倫尼烏斯方程，任意溫度耗氧速率與反應速率為：

通過對式（1）處理得到ln Cout與1/T的關系為：

式中：S為煤樣罐的底面積，m2；L為煤樣罐的高度，m；k為單位換算系數(shù)，22.4×109；vg為氣體流速，m3/s；Cout為煤樣罐出口的CO體積分數(shù)，10-6。

對亭南煤礦4號煤層在不同溫度下CO體積分數(shù)進行計算擬合，得到的不同O2體積分數(shù)ln Cout與1/T的關系（圖略），ln Cout與1/T斜率發(fā)生突變點對應的溫度為臨界溫度。得到亭南煤礦4號煤層不同O2體積分數(shù)（21.0%、10.0%、9.0%、8.0%、7.0%）發(fā)生變化的1/T分別為0.002 792、0.002 716、0.002 680、0.002 644、0.002 610，對應的溫度為85、95、100、105、115℃。

臨界溫度隨O2體積分數(shù)的變化趨勢如圖4，不同供氧條件下煤樣動力學參數(shù)見表3。

圖4 臨界溫度隨O2體積分數(shù)的變化趨勢Fig.4 Variation trend of temperature with oxygen concentration

表3 不同供氧條件下煤樣動力學參數(shù)Table 3 Kinetic parameters of coal samples under different oxygen supply conditions

臨界溫度隨O2體積分數(shù)的減小而增大。在不同條件下，O2體積分數(shù)7.0%下自燃臨界溫度最高，比空氣氛圍高出30℃，比O2體積分數(shù)8.0%下高出10℃，說明O2體積分數(shù)為7.0%時，煤加速氧化階段難發(fā)生。在快速氧化階段，O2體積分數(shù)大于9.0%時，斜率絕對值幾乎不變，活化能為70 kJ/mol左右；O2體積分數(shù)為8.0%和7.0%時，斜率絕對值分別增加1 058、502，活化能分別增加8 799、4 175 J/mol。因此，亭南煤礦4號煤層自燃臨界O2體積分數(shù)為8.0%。

3.3 實測氣體特征

根據(jù)以上實驗結果，亭南4號煤層采空區(qū)自燃“三帶”劃分依據(jù)為：①散熱帶：O2體積分數(shù)＞18%；②氧化帶：18%≥O2體積分數(shù)≥8%；③窒息帶：O2體積分數(shù)＜8%。

進回風側O2體積分數(shù)隨埋深變化曲線如圖5。亭南煤礦302工作面進回風側O2體積分數(shù)隨測點距工作面距離的增加而減少；在回風側，28 m時O2體積分數(shù)為18.0%，105 m時O2體積分數(shù)下降至8.0%；而在進風側，測點距工作面距離為115 m時O2體積分數(shù)首次降到18%，測點距工作面距離為208 m時O2體積分數(shù)下降到8.0%。

圖5 進回風側O2體積分數(shù)隨測點距工作面距離變化曲線Fig.5 Change curves of O2 concentration on the inlet and return air side with the distance between measuring point and working face

進回風側CO體積分數(shù)隨測點距工作面距離變化曲線如圖6。在回風側，采空區(qū)CO體積分數(shù)隨測點距工作面距離增加呈現(xiàn)波動性變化。測點距工作面距離約12 m時CO體積分數(shù)約為6×10-6；當測點距工作面距離在70～100 m之間，CO體積分數(shù)達到最大值174×10-6，此時O2體積分數(shù)為13%左右，表明此時漏風速度適宜，CO產(chǎn)生量增加。隨后CO體積分數(shù)逐漸降低，測點距工作面距離為110 m時O2體積分數(shù)為6.5%，CO體積分數(shù)為56×10-6；進風側具有相似的規(guī)律，但CO體積分數(shù)較小。

圖6 進回風側CO體積分數(shù)隨測點距工作面距離變化曲線Fig.6 Change curves of CO concentration on the inlet and return wind the distance between measuring point and working face

進回風側φ（CO）/φ（CO2）比值隨測點距工作面距離變化曲線如圖7。在進風側，隨測點距工作面距離的增加，φ（CO）/φ（CO2）比值呈現(xiàn)周期性上下波動；而在回風側先增加后減少，在測點距工作面距離約75 m時達到極大值，處于氧化帶，氧化反應劇烈，隨著采空區(qū)的進一步深入，逐漸進入窒息帶，φ（CO）/φ（CO2）比值降低。

圖7 進回風側φ（CO）/φ（CO2）比值隨測點距工作面距離變化曲線Fig.7 Change curves of CO/CO2 ratio on the inlet and return air side with the distance between measuring point and working face

進回風側CH4體積分數(shù)隨測點距工作面距離變化曲線如圖8。因亭南煤礦為高瓦斯礦井，采空區(qū)CH4體積分數(shù)較高，CH4體積分數(shù)隨著測點距工作面距離的增加而增大，進回風側CH4最高體積分數(shù)分別為39.526%、52.096%，且大部分為游離瓦斯，極小部分由氧化反應產(chǎn)生。

圖8 進回風側CH 4體積分數(shù)隨測點距工作面距離變化曲線Fig.8 Change curves of CH 4 concentration on the inlet and return air side with the distance between measuring point and working face

3.4 采空區(qū)自燃“三帶”劃分

為得到亭南煤礦302工作面采空區(qū)“三帶”特征，統(tǒng)計了4個相關采空區(qū)“三帶”數(shù)據(jù)作對比研究，采空區(qū)“三帶”對比分析見表4。

表4 采空區(qū)“三帶”對比分析Table 4 Comparative analysis of the“three belts”in the goaf

亭南煤礦302工作面采空區(qū)“三帶”具體為：進風側散熱帶、氧化升溫帶、窒息帶分別為0～115 m、115～210 m、大于210 m；回風側散熱帶、氧化升溫帶、窒息帶分別為0～28、28～105、大于105 m。另外，通過對比1#～4#采空區(qū)“三帶”數(shù)據(jù)，發(fā)現(xiàn)在進風側302工作面采空區(qū)散熱帶寬度大于1#～4#，回風側較小，進回風側氧化升溫帶最大寬度較小，“三帶”整體向采空區(qū)深部移動，主要因為采空區(qū)遺煤和鄰近煤層解吸出來的CH4氣體沖淡了O2體積分數(shù)。

4 結 語

1）通過分析亭南煤礦4號煤層自燃過程中氣體產(chǎn)生規(guī)律及在不同O2體積分數(shù)下的煤自燃特性，得到亭南煤礦4號煤層下限O2體積分數(shù)為8.0%。

2）采用現(xiàn)場測試方法，利用O2體積分數(shù)劃分了采空區(qū)自燃“三帶”，得到亭南煤礦302采空區(qū)進風側氧化帶較寬，最大寬度為95 m，距工作面下隅角較遠。回風側較窄，為77 m，距工作面上隅較近，且進風側的氧化帶寬度大于回風側；

3）通過對比1#～4#采空區(qū)“三帶”數(shù)據(jù)，發(fā)現(xiàn)在進風側302工作面采空區(qū)散熱帶寬度大于1#～4#，而回風側寬度較小，進回風側氧化帶最大寬度均小于1#～4#，“三帶”整體向采空區(qū)深部移動。