B2煤層自然發火標志氣體及臨界值確定

張立魁 陳夢喬 張樂

神華天電礦業有限公司寬溝煤礦，中國·新疆 昌吉 831215

1 引言

《煤礦安全規程》（2016）規定：“開采容易自燃和自燃煤層時，必須開展自然發火監測工作，建立自然發火監測系統，確定煤層自然發火標志氣體及臨界值，健全自然發火預測預報及管理制度。”目前，中國學者對煤自然發火研究主要集中在自然發火標志性氣體優選，對煤發火臨界值研究甚少。基于此，以寬溝煤礦B2 煤層實驗研究和現場觀測相結合的方法確定B2 煤自然發火標志氣體及臨界值，也為礦井自然發火標志氣體及臨界值確定提高一種方法。

2 自然發火標志氣體優選

2.1 CO 氣體生成規律

CO 是煤氧化最早出現的氣體產物，并貫穿整個氧化過程中；煤溫超過62℃后，CO 濃度開始加速增長，且超過62℃后煤溫開始高于爐溫，表明了62℃為B2 煤層自然發火的臨界溫度。在煤溫超過62℃后，煤體的升溫速度將快速增加，在215℃以前，CO 產生濃度與煤溫之間表現為單一遞增的變化規律。當煤溫超過215℃后，呈現出一種增長更快的關系。C2H4出現以后，進入加速氧化階段，C3H6產生后煤溫進入激烈氧化階段，之后煤溫迅速達到燃點，并在短時間內煤溫達到峰值。

2.2 烯烴氣體生成規律

在煤的吸附氣體中，沒有烯烴氣體。煤氧化產生C2H4和C3H6氣體的臨界溫度分別在110℃和140℃左右，與CO氣體相比，有一個明顯的時間差和溫度差。C2H4出現，標志著煤氧化進入加速氧化階段，煤溫在超過253℃后迅速升高至332℃。從氣體濃度變化上表現為出現突起的陡峰，這是煤劇烈燃燒的表征。

2.3 C2H2 氣體產生規律

C2H2氣體在礦井中常作為煤自然發火的重要的標志氣體，實驗煤樣產生C2H2氣體初始溫度為330℃左右，這與C3H6相比又有一個明顯的溫度差。C2H2是煤進入燃燒階段的標志，因此，一旦出現C2H2氣體，采取措施時一定要謹慎，避免采取直接剝挖火源的辦法，以免高溫煤體引發瓦斯或煤塵爆炸事故。

2.4 煤自然發火標志氣體優選

①CO 作為預測預報煤自然發火的指標氣體，其預測的溫度范圍為常溫至215℃。CO 出現的臨界溫度較低，為27℃左右，并在整個自燃發火過程中都有CO 產生，應特別加強觀測。

②烯烴氣體 C2H4和 C3H6氣體預測的溫度初始溫度分別在 110℃和 140℃左右，C2H4氣體和C3H6氣體的出現標志著煤氧化進入激烈氧化階段的標志。在有CO 存在的前提下，只要出現C2H4或C3H6，必須采取切實有效的滅火措施。

③C2H2氣體生成臨界溫度為330℃左右，C2H2氣體出現標志著煤已完全處于燃燒或陰燃階段。

④綜上所述，選擇CO、C2H4、C2H2作為B2 煤層自然發火的標志氣體。

3 自然發火標志氣體現場觀測

3.1 采空區自然發火標志氣體觀測

3.1.1 采空區埋管方式

在B2 煤層I010203 工作面回風順槽埋設3 趟束管，并用φ20mm 無縫鋼管進行保護。在每個采樣點位置設置一個取氣三通，為防止被水或煤泥堵塞，每個取氣三通需抬高至離底板1m 高位置，同時與每個采空區束管采樣點同步設置測溫熱電偶，以對采空區內不同位置的溫度進行持續監測。

3.1.2 觀測結果及分析

通過3 個測點采集氣樣分析采空區氣體變化規律。觀測結果分析可知，I010203 采空區回風側散熱帶范圍為0～4m，氧化帶范圍為4～47.2m，超過47.2m 的區域則為窒熄帶。

3.2 回風隅角自然發火標志氣體觀測

根據回風隅角CO 出現波動但未呈現持續增長趨勢，均穩定在24×10-6以下。通過數理統計分析可得，回風隅角CO 平均濃度為11×10-6。

3.3 回風流自然發火標志氣體觀測

I010203 工作面割煤、放煤等生產階段對回風流氣體組分影響較小，幾乎可以忽略不計，回風流CO 濃度平均為4×10-6。

4 自然發火標志氣體臨界值

C2H4、C2H2等氣體在常溫下并不產生，且一旦產生，該氣體組分有無就可判斷采空區遺煤所處的自燃狀態。因此，確定B2 煤層自然發火標志氣體臨界值為CO 氣體的臨界值。采煤工作面CO 氣體來源主要分為三個方面：①采空區遺煤氧化；②生產過程中煤體氧化；③支架頂煤氧化、放炮和無軌膠輪車等其他外部因素產生，據此可建立[CO]濃度計算數學模型：

式中，x——修正系數；Qg——目標區域風量，m3/s；——采空區遺煤氧化CO 生成速率，m3/s；Vc2o——推采時煤體氧化CO 生成速率，m3/s；Vc3o——放炮等其它生成CO 速率，m3/s。

根據采空區現場觀測并采用數理統計法可得，散熱帶內遺煤平均溫度為22.2 ℃，氧化帶遺煤平均溫度為24.41℃。工作面割煤期間對CO 產生可忽略不計，生成速度為0。工作面進風量為1064.61m3/min，回風量為1503.48m3/min，工藝巷進風量為237.38m3/min，回風隅角過風量為309.15m3/min，氧化帶過風量為42.12～101.09m3/min，散熱帶過風量與隅角過風量相等。單位炸藥導致CO產生速度為0.02×106m3/s。根據實驗數據，B2 煤層CO 生成速率以氧氣濃度10%（71℃）和氧氣濃度20.9%（62℃）時的CO 平均生成速度，計算得4.57×10-6mol/(m3/s)。

綜合上述，將各參數代入公式，得到表1內的理論計算結果。

將表1內數據代入公式，可分別計算出不同區域的修正系數，如表2所示。

在非預裂爆破影響時間段內，并利用表2修正系數和表1數據代入公式計算得到B2 煤層自然發火標志氣體CO臨界值如表3所示。

表1 工作面正常條件下不同區域CO 標志氣體濃度

表2 修正系數計算結果

表3 不同煤溫下工作面不同區域CO 氣體臨界值

5 結論

①CO、C2H4、C2H2、C3H6、C2H4/C2H6、C3H8/C2H6可以作為B2 煤層自然發火的標志氣體或發火指標，選擇CO、C2H4、C2H2作為B2 煤層自然發火的標志氣體。

②CO 在常溫25℃就可產生，CO 預測的溫度范圍從常溫至215℃；C2H4氣體產生時對應煤溫為110℃，是煤進入激烈氧化階段的標志氣體；C2H2氣體產生時對應煤溫為332℃，是煤已經開始燃燒或陰燃的標志氣體。

③采空區散熱帶CO 發火臨界值為57×10-6，氧化帶CO 發火臨界值為287×10-6，回風隅角CO 發火臨界值為23×10-6，回風流CO 發火臨界值為5×10-6。在CO 存在前提下，只要C2H4和C2H2出現，必須采取切實有效的滅火措施。