魏墻煤礦1313工作面自然發火標志性氣體確定

王 飛

(陜西延長石油集團 橫山魏墻煤業有限公司，陜西 榆林 719000)

礦井火災是煤礦的主要災害之一，其中自然發火是最常見的礦井火災[1-3]。因此在煤炭自燃災害發生的初期進行自然發火預測預報是煤礦井下防滅火工作的重要基礎。只有做到準確、適時地對煤層自然發火進行預測預報，才能及時采取有效措施預防[4-5]礦井自然發火災害的發生。

煤在氧化過程中會產生多種氣體成分，其中可以用來預報煤炭自然發火的氣體稱之為標志氣體。由于煤在氧化過程中各種氣體產生的最低溫度、氣體生成量和煤溫之間的關系因煤質的不同而產生迥異[6-9]。因此，有必要通過實驗室實驗優選合適的標志氣體，為煤炭自燃火災的早期預報提供基礎參數。

1 魏墻煤礦1313回采工作面概況

1313回采工作面為魏墻煤業首采一盤區第7個綜采工作面，位于一盤區開拓大巷以南、1311工作面以西，其南部、西部為未開采區。工作面走向長為4 487 m、傾向寬300 m，煤層厚度2.7～3.6 m，平均厚度3.05 m，煤層傾角小于1°，煤層賦存穩定且結構較簡單。工作面布置如圖1所示。

圖1 魏墻煤礦1313工作面布置Fig.1 Layout of 1313 working face in Weiqiang Coal Mine

2 自然發火標志性氣體實驗室測定

2.1 自然發火標志性氣體的優選原則

煤在氧化升溫過程中，會釋放出CO、CO2、烷烴、烯烴以及炔烴等氣體，這些氣體的產生率隨煤溫上升而發生規律性的變化，能預測和反映煤自然發火狀態。為了使預報自然發火更為及時準確，所選擇的標志性氣體必須具備下列條件[10-12]：①靈敏性：一旦煤炭處于自燃狀態且煤炭溫度超過一定數值時，該標志性氣體一定會出現，并且該標志性氣體的生成量隨煤炭溫度的升高而穩定增加；②規律性：標志性氣體的濃度變化與煤炭溫度之間有較好的對應關系，表現出一定的規律性，且重復性好；③可測性：方便標志性氣體的監測，普通氣相色譜分析儀能檢測到標志性氣體的存在。

2.2 實驗設備

標志性氣體實驗系統主要由氣路控制系統、溫度控制系統、煤樣罐、程序控溫箱、測溫儀、氣體分析檢測儀等組成。煤炭自燃標志性氣體實驗測試系統如圖2，標志性氣體實驗裝置如圖3所示。

圖2 煤炭自燃標志性氣體實驗測試系統Fig.2 Experimental test system for landmark gas of coal spontaneous combustion

圖3 標志性氣體實驗裝置Fig.3 Lconic gas experiment device

2.3 實驗過程

(1)煤樣采集。在陜西榆林魏墻煤礦1313回采工作面采集新揭露的煤體，經密封儲存轉運到中國礦業大學相關實驗室。

(2)實驗過程[13-15]。在實驗室內先對煤樣表面氧化層進行剝離處理工作，然后對煤樣進行破碎并篩分出40～80目的顆粒50 g作為實驗煤樣。將實驗煤樣置于煤樣罐內，并將煤樣罐置于程序控溫箱內，然后連接好進氣氣路、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。實驗開始后，向煤樣內通入50 mL/min的干空氣。在程序控溫箱控制下對煤樣進行加熱。當測試煤樣溫度達到指定測試溫度時，采集煤樣氧化過程中釋放的氣樣，并進行氣體成分和濃度分析。

3 實驗結果分析

通過上述實驗系統，對魏墻煤礦1313工作面3號煤煤樣氧化過程中各氣體成分、濃度和標志氣體分析如下。

3.1 氣體隨溫度變化曲線

對1313回采工作面3號煤層煤樣氣體進行分析可得其產生趨勢如圖4所示。

3.2 3號煤樣氧化自燃標志性氣體綜合分析

根據魏墻煤礦開采煤層的實際條件與實驗室煤樣氧化實驗分析，氧化實驗溫度到達173℃時，煤樣中釋放的氣體有一氧化碳(CO)、二氧化碳(CO2)、甲烷(CH4)、乙烷(C2H6)、乙烯(C2H4)、丙烷(C3H8)6種。

(1)魏墻煤礦1313工作面3號煤樣氧化氣體綜合分析。①在常溫下，魏墻煤礦1313工作面3號煤煤樣未釋放CO，當煤溫上升至42 ℃時，煤樣開始釋放CO氣體；煤樣在42～122 ℃的溫度下時，CO的釋放量較小且上升速率較低，呈現平穩上升趨勢，此時煤炭氧化較為平緩；122 ℃后，CO釋放量驟升，煤炭氧化程度加劇。因此，CO可作為煤炭自燃的早期預報氣體，一旦在氣體成分中發現CO的存在，必須及時跟蹤監測CO濃度的變化趨勢。當發現CO濃度持續上升或驟升時，即有自燃征兆，必須立即采取措施預防煤炭自燃。②乙烷(C2H6)氣體生成情況。在1313工作面3號煤煤樣實驗過程中，在103 ℃時檢測到乙烷(C2H6)氣體，濃度為0.69×10-6，在150 ℃時檢測到乙烯(C2H4)氣體，濃度為5.7×10-6，在173 ℃時檢測到丙烷(C3H8)氣體，濃度為5.23×10-6。由此可見，乙烷(C2H6)氣體在1313工作面3號煤煤樣需要達到100 ℃以上高溫時才能產生，乙烯(C2H4)氣體和丙烷(C3H8)氣體需要達到150 ℃以上高溫時才能產生，并且氣體濃度隨溫度的升高而不斷增大，因此可以作為預測預報魏墻煤礦1313回采工作面3號煤層氧化自燃的標志性氣體。③乙炔(C2H2)氣體在1313工作面3號煤煤樣在實驗中沒有產生，故不能作為預測預報1313工作面3煤層氧化自燃的標志性氣體。因此，魏墻煤礦1313工作面3號煤層氧化自燃過程中，選取一氧化碳(CO)、乙烷(C2H6)、乙烯(C2H4)和丙烷(C3H8)氣體為主要標志性氣體。

(2)烯烷比。根據《煤層自然發火標志氣體色譜分析及指標優選方法》(AQ/T 1019—2006)中確定的標志性氣體優選原則[16]：中變質程度的焦煤、瘦煤及貧煤，應優先考慮CO、烯烴及烯烷比標志氣體及其指標。魏墻煤礦1313回采工作面3號煤煤樣自然發火標志性氣體中烯烷比隨著溫度的升高呈增大趨勢(圖5)，因此烯烷比可作為魏墻煤礦1313工作面3煤自然發火標志性氣體的輔助指標。

各種標志性氣體對應出現溫度及濃度見表1。

表1 魏墻煤礦1313工作面3號煤煤樣標志性氣體Tab.1 Symbolic gas of No.3 coal sample in 1313 working face of Weiqiang Coal Mine

4 結論

通過對魏墻煤礦1313工作面3號煤煤樣進行自然發火標志性氣體實驗室測試，確定選取一氧化碳(CO)、乙烷(C2H6)、乙烯(C2H4)、丙烷(C3H8)為預防3號煤層自然發火主要標志性氣體，烯烷比為輔助指標。