煤層原生CO鉆孔探測(cè)試驗(yàn)

秦汝祥， 徐少偉， 侯樹(shù)宏， 田文雄， 楊志華， 傅師貴

(1.安徽理工大學(xué) 安全科學(xué)與工程學(xué)院， 安徽 淮南 232001； 2.安徽理工大學(xué) 煤炭安全精準(zhǔn)開(kāi)采國(guó)家地方聯(lián)合工程研究中心， 安徽 淮南 232001； 3.國(guó)家能源集團(tuán)寧夏煤業(yè)有限責(zé)任公司 羊場(chǎng)灣煤礦， 寧夏 靈武 751410； 4.寧夏煤炭科學(xué)技術(shù)研究所有限公司， 寧夏 銀川 750000)

0 引言

我國(guó)寧夏、內(nèi)蒙古和甘肅等地區(qū)開(kāi)采易自燃煤層時(shí)，普遍存在工作面上隅角CO濃度超出《煤礦安全規(guī)程》要求的現(xiàn)象。煤氧化產(chǎn)生CO已經(jīng)成為共識(shí)[1-2]。有研究者認(rèn)為煤體破碎過(guò)程會(huì)產(chǎn)生CO：采煤機(jī)破煤作業(yè)過(guò)程中，破壞煤分子結(jié)構(gòu)的共價(jià)鍵，形成煤分子脫羰，產(chǎn)生CO[3-4]；破煤作業(yè)會(huì)產(chǎn)生自由基，并與空氣中的氧發(fā)生反應(yīng)，生成CO[5]。也有研究者認(rèn)為煤層中存在原生CO氣體：賈海林等[6]提出CO氣體成因類(lèi)型由原生CO氣體和次生CO氣體構(gòu)成；鄔劍明等[7]通過(guò)解吸法測(cè)出中煤大同能源有限責(zé)任公司塔山煤礦煤層中原生CO的含量為(1.3～3.7)×10-6mL/g；朱令起等[8]通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)鉆孔試驗(yàn)和真空自然解吸試驗(yàn)得到開(kāi)灤(集團(tuán))林南倉(cāng)煤礦11、12號(hào)煤層中均賦存有CO，現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)到的CO來(lái)源于煤層解吸；朱紅青等[9]通過(guò)恒溫解吸實(shí)驗(yàn)，得到在極限條件下林南倉(cāng)煤礦和山西興縣金地煤礦煤樣平均可解吸原生CO約0.15 L/t，證明了煤層賦存原生CO的可能；C. E. Melton等[10-11]將不同產(chǎn)地的煤樣放入高真空度的封閉系統(tǒng)內(nèi)進(jìn)行研磨和溶解實(shí)驗(yàn)，應(yīng)用質(zhì)譜分析法測(cè)得實(shí)驗(yàn)產(chǎn)生的氣體中CO體積分?jǐn)?shù)為3%～21%，由此得出實(shí)驗(yàn)中產(chǎn)生的CO來(lái)源于煤體中原生賦存。

原生CO 賦存規(guī)律的主要研究方法如下：通過(guò)解吸法測(cè)定煤層原生CO含量；通過(guò)研磨和溶解試驗(yàn)探究CO的賦存規(guī)律；統(tǒng)計(jì)分析煤中原生CO的賦存量。上述研究均得出煤層賦存原生CO氣體的結(jié)論，但是未考慮鉆孔施工過(guò)程中產(chǎn)生的CO被煤體吸附的可能。針對(duì)該問(wèn)題，筆者選定原始煤層進(jìn)行試驗(yàn)，在鉆孔成孔后，注入高純N2置換鉆孔內(nèi)氣體，采用專(zhuān)用抽氣泵抽取鉆孔內(nèi)氣體，使鉆孔煤壁氣室形成負(fù)壓，再對(duì)密閉氣室取氣分析。消除鉆孔施工及后續(xù)煤體氧化產(chǎn)生的CO，以此探討煤層是否存在原生CO氣體。

1 煤層原生CO鉆孔探測(cè)基礎(chǔ)

當(dāng)前認(rèn)為煤層含有原生CO氣體的研究者觀點(diǎn)如下[12-14]：煤層原生CO氣體是在漫長(zhǎng)的成煤過(guò)程中產(chǎn)生的，地質(zhì)運(yùn)動(dòng)導(dǎo)致煤層暴露，其中部分CO氣體擴(kuò)散至古大氣中，部分CO氣體在煤的強(qiáng)吸附作用下進(jìn)入到煤層內(nèi)部的孔隙中，從而在煤層中形成現(xiàn)存的原生CO氣體。

煤層開(kāi)采揭露前若含有原生CO，將以2種形態(tài)存在于煤體中，一種以游離態(tài)存在于煤體孔隙裂隙中，另一種以吸附態(tài)存在于煤體孔隙裂隙的表面。對(duì)煤吸附氣體的特性研究表明，溫度升高或氣體壓力降低時(shí)，氣體狀態(tài)由吸附態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)橛坞x態(tài)。向原始煤層施工鉆孔并密封，在孔底形成密閉氣室，利用高純N2置換氣室內(nèi)氣體，消除鉆孔施工過(guò)程中產(chǎn)生的CO后，抽取密閉氣室內(nèi)氣體，人為形成原始煤層中氣室空間的負(fù)壓狀態(tài)。當(dāng)煤層含有原生CO時(shí)，CO會(huì)從煤體孔隙裂隙解吸進(jìn)入密閉氣室，使氣室內(nèi)氣體壓力再次升高，并與煤體中游離氣體之間形成新的氣體壓力平衡。通過(guò)檢測(cè)氣室內(nèi)氣體成分及濃度可判定煤體是否含有原生CO。

2 煤層原生CO探測(cè)方案

為判定原始煤層是否含有原生CO，采用原位鉆孔探測(cè)方法進(jìn)行驗(yàn)證。

2.1 探測(cè)位置

試驗(yàn)地點(diǎn)為寧夏煤業(yè)有限責(zé)任公司羊場(chǎng)灣煤礦2號(hào)煤層150201回風(fēng)巷終采線外上幫，該區(qū)域煤層為不受采動(dòng)影響區(qū)，地質(zhì)條件好，沒(méi)有明顯的地質(zhì)構(gòu)造。共布置3個(gè)探測(cè)鉆孔，各探測(cè)鉆孔如圖1所示。1號(hào)鉆孔距離15采區(qū)排水巷貫位以里10 m，2號(hào)鉆孔和3號(hào)鉆孔與1號(hào)鉆孔一字排開(kāi)，間距為20 m，偏角為60°，仰角為2°。

2.2 探測(cè)鉆孔設(shè)計(jì)

探測(cè)鉆孔孔徑為75 mm，孔深為30 m，封孔長(zhǎng)度為27 m，氣室長(zhǎng)度為1 m，鉆孔結(jié)構(gòu)如圖2所示。鉆孔開(kāi)孔位置距底板1.5 m。成孔后，鉆孔內(nèi)置2根6 mm厚壁高壓軟管(孔底0.5 m范圍為花管)，其中一根為注氮管，另一根為取樣兼出氣管。采用囊袋式兩堵一注裝置及工藝封孔，內(nèi)囊袋距孔口29 m，外囊袋距孔口2 m，封孔后外段2 m鉆孔用聚氨酯充填。

圖1 原生CO探測(cè)鉆孔Fig.1 Primary CO detection boreholes

2.3 探測(cè)鉆孔施工與氣體采集

探測(cè)原生CO時(shí)需要消除鉆孔施工和封孔過(guò)程中煤氧化產(chǎn)生的CO，并避免產(chǎn)生的CO滯留觀測(cè)氣室。為此，鉆孔成孔后立即封孔，并用99.99%的高純N2置換鉆孔內(nèi)氣體，隨后關(guān)閉鉆孔取樣嘴。

圖2 原生CO探測(cè)鉆孔結(jié)構(gòu)
Fig.2 Structure of primary CO detection boreholes

置換鉆孔密封氣室內(nèi)氣體時(shí)，利用15 MPa高壓N2對(duì)鉆孔密封性能進(jìn)行檢測(cè)，將減壓閥低壓端控制在1.4 MPa后，發(fā)現(xiàn)2號(hào)鉆孔和3號(hào)鉆孔氣室內(nèi)氣體壓力迅速上升至1.4 MPa，并維持2 h，未出現(xiàn)明顯下降，而1號(hào)鉆孔壓力表讀數(shù)為零，表明1號(hào)鉆孔漏氣，2號(hào)和3號(hào)鉆孔封孔質(zhì)量良好。取氣樣時(shí)，采用專(zhuān)用抽氣泵抽取鉆孔密閉氣室內(nèi)氣體，為消除取樣管內(nèi)殘存氣體，將初始?xì)鈽优趴铡Ｈ咏Y(jié)束后，先關(guān)閉取樣嘴閘閥，再關(guān)閉抽氣泵。考慮到可能存在前期O2濃度變化明顯、后期變化趨緩的情況，前期取氣間隔為1 d，后期為2 d或3 d。鉆孔密封與氣樣采集如圖3所示。

(a) 密封前鉆孔

(b) 密封后鉆孔

(c) 探測(cè)鉆孔全景

(d) 鉆孔氣室取氣

3 試驗(yàn)結(jié)果及分析

3.1 試驗(yàn)結(jié)果

3個(gè)探測(cè)鉆孔封孔后，1號(hào)鉆孔氣室內(nèi)充滿了水，且試驗(yàn)過(guò)程中一直出水，未能實(shí)現(xiàn)鉆孔氣室的完全密封，1號(hào)鉆孔報(bào)廢，2號(hào)和3號(hào)鉆孔正常。氣相色譜分析顯示，鉆孔內(nèi)氣體主要是N2，O2，CO，CO2及少量CH4，其中O2和CO體積分?jǐn)?shù)變化曲線如圖4所示。

3.2 CO氣體隨時(shí)間變化特征

從圖4可看出，首次采集的氣體中，O2濃度較高，表明鉆孔施工過(guò)程中空氣中的O2擴(kuò)散進(jìn)入了鉆孔的密閉氣室。鉆孔封孔后，第1 d測(cè)得2號(hào)、3號(hào)鉆孔氣室內(nèi)CO體積分?jǐn)?shù)分別為108×10-6，204×10-6，表明鉆孔施工過(guò)程中存在煤體氧化現(xiàn)象。隨著時(shí)間變化，探測(cè)鉆孔密閉氣室內(nèi)O2與CO濃度變化具有明顯的規(guī)律性，抽取密閉氣室內(nèi)氣體的前6 d(2020-09-29—10-04)，氣室內(nèi)O2與CO濃度均快速降低，相應(yīng)的N2濃度逐漸升高，這是氣室內(nèi)氣體被抽取的直接表現(xiàn)，體現(xiàn)了鉆孔具有較高的密閉質(zhì)量。第6～12 d(2020-10-04—10)，氣室內(nèi)氣體濃度下降比較緩慢，這是非置換條件下普通抽采泵難以對(duì)探測(cè)鉆孔的密閉氣室形成完全真空的表現(xiàn)。第12 d后，密閉氣室內(nèi)仍含有少量O2(體積分?jǐn)?shù)低于2%)，O2濃度變化較小，連續(xù)7 d氣相色譜儀未能檢測(cè)到CO氣體。

(a) 2號(hào)鉆孔

(b) 3號(hào)鉆孔

3.3 成孔初期CO來(lái)源

鉆孔成孔初期檢測(cè)到的CO來(lái)源于煤常溫氧化或鉆頭破煤作業(yè)，也有2種來(lái)源共同存在的情況。

(1) 煤常溫氧化產(chǎn)生CO。采集探測(cè)地點(diǎn)煤樣并破碎至粒徑為0.2～0.25 mm，取100 g密封至錐形瓶?jī)?nèi)開(kāi)展常溫氧化試驗(yàn)。CO體積分?jǐn)?shù)變化曲線如圖5所示。可以看出，常溫下該煤樣氧化并產(chǎn)生CO氣體，隨著氧化時(shí)間延長(zhǎng)，氣體產(chǎn)生量逐漸增大。400 h后，CO體積分?jǐn)?shù)逐漸下降，這是因?yàn)槊貉趸a(chǎn)生CO的速率低于煤樣吸附CO的速率。由此可見(jiàn)，易自燃煤在空氣環(huán)境常溫恒溫下氧化可以產(chǎn)生CO氣體。H.Wang等[15]認(rèn)為在低溫環(huán)境下煤中的羰基可裂解產(chǎn)生CO氣體。隨著羰基官能團(tuán)數(shù)量降低，裂解產(chǎn)生的CO氣體量也相應(yīng)降低。

圖5 煤樣常溫氧化產(chǎn)生的CO體積分?jǐn)?shù)變化曲線Fig.5 Variation curve of CO volume fraction produced by normal temperature oxidation of coal samples

(2) N2氣氛下破煤產(chǎn)生CO。將采集的煤樣在密封空間內(nèi)空氣和N2氣氛下進(jìn)行破碎，產(chǎn)生的CO氣體體積分?jǐn)?shù)隨破碎時(shí)間變化曲線如圖6所示。可以看出，無(wú)論是在空氣氣氛還是在N2氣氛下，煤樣破碎過(guò)程均能產(chǎn)生CO氣體，且隨著破碎時(shí)間的增加CO氣體產(chǎn)生量有增長(zhǎng)趨勢(shì)。破碎煤樣量越大，產(chǎn)生的CO氣體越多。空氣氣氛下破碎產(chǎn)生的CO氣體量多于N2氣氛下產(chǎn)生的CO氣體量。試驗(yàn)結(jié)果可以說(shuō)明采煤機(jī)割煤作業(yè)、放頂煤作業(yè)及工作面移架對(duì)煤體的破壞能夠產(chǎn)生CO氣體。

圖6 煤樣不同氣氛下破碎產(chǎn)生的CO體積分?jǐn)?shù)變化曲線Fig.6 Variation curves of CO volume fraction produced by crushing coal samples under different atmospheres

3.4 封孔取氣后CO逐漸消失的原因

鉆孔施工過(guò)程中，破煤作業(yè)、常溫氧化產(chǎn)生的CO氣體會(huì)吸附于鉆孔孔壁煤體。鉆孔密封及N2置換密閉氣室內(nèi)氣體后，不能完全消除氣室內(nèi)O2，殘余的O2與鉆孔壁面煤體發(fā)生常溫氧化反應(yīng)，產(chǎn)生CO氣體。當(dāng)O2體積分?jǐn)?shù)低于5%后，常溫環(huán)境下煤與氧的反應(yīng)受到抑制[16]。圖4表明，O2體積分?jǐn)?shù)低于2%后，孔壁煤體不再與氧發(fā)生反應(yīng)，此時(shí)鉆孔密閉氣室內(nèi)CO氣體來(lái)源或者是煤層原生CO，或者是鉆孔施工過(guò)程中產(chǎn)生的吸附于煤體中的CO再解吸，或者是這2種情況的綜合結(jié)果。

常溫常壓下，煤吸附-解吸混合氣體實(shí)驗(yàn)表明，煤對(duì)混合氣體的吸附能力為CO2>CO>CH4>N2[17]；不同預(yù)氧化溫度的煤樣在二次氧化初期對(duì)CH4的吸附能力強(qiáng)于N2，對(duì)N2的吸附能力強(qiáng)于O2[18]。通過(guò)煤對(duì)不同氣體的吸附性能研究發(fā)現(xiàn)，煤對(duì)氣體競(jìng)爭(zhēng)吸附的結(jié)果不僅和煤對(duì)單一氣體吸附能力有關(guān)，還與被吸附氣體分壓力有關(guān)[19]。氣體分壓越高，其競(jìng)爭(zhēng)吸附能力越強(qiáng)，因而存在吸附能力弱而分壓高的氣體置換吸附能力強(qiáng)而分壓低的氣體的情況。鉆孔密閉氣室內(nèi)CO與O2濃度均較低時(shí)，N2分壓所占比例較大，在煤體表面的N2會(huì)與吸附于煤體上的CO和O2進(jìn)行置換，部分CO和O2從煤中解吸，N2吸附于新的附著位上。因此，隨著時(shí)間的延長(zhǎng)及后續(xù)對(duì)密閉氣室進(jìn)行負(fù)壓取氣，鉆孔施工過(guò)程中產(chǎn)生的CO不斷從煤體中被N2置換而抽出，以致CO氣體量逐漸降低至無(wú)法檢測(cè)到。

若煤層存在原生CO氣體，則會(huì)作為CO氣體源持續(xù)解吸進(jìn)入密閉氣室，出現(xiàn)鉆孔密閉氣室內(nèi)始終存在CO氣體的現(xiàn)象。試驗(yàn)研究中，2號(hào)及3號(hào)鉆孔至少連續(xù)3 d均未能檢測(cè)出CO氣體，據(jù)此可以判定原始煤層沒(méi)有賦存CO。

4 結(jié)論

(1) 未受采動(dòng)影響區(qū)域煤體中未發(fā)現(xiàn)煤層含有原生CO氣體，封孔后檢出的CO氣體來(lái)源于鉆孔施工破煤作業(yè)。

(2) 易自燃煤恒溫常溫下氧化能夠產(chǎn)生CO氣體，新鮮煤體暴露初期能夠氧化產(chǎn)生大量CO。

(3) 試驗(yàn)結(jié)果為解釋易自燃煤層放頂煤采煤工作面上隅角高濃度CO現(xiàn)象提供了依據(jù)。