不同風量下煤自燃早期預警指標實驗研究

張 典，馮海龍

(陜西正通煤業(yè)有限責任公司，陜西 咸陽 712000)

煤礦的安全生產會受很多因素的影響，在我國，很多煤礦都存在煤自然發(fā)火的現(xiàn)象，這不僅會造成煤礦的財產損失，也嚴重影響了我國煤礦工業(yè)的發(fā)展。據(jù)統(tǒng)計，我國主要產煤的省區(qū)為25個，超過130個礦區(qū)，其中受煤自燃隱患的困擾的礦井超過70%，約40個大中型礦區(qū)煤自然發(fā)火情況較為嚴重[1]。隨著煤層開采技術的發(fā)展及深度不斷增加，煤自燃災害也愈發(fā)嚴重[2]。煤自燃預測預報技術在礦井煤火災害防治的初步階段有著重要的意義，《煤礦安全規(guī)程》規(guī)定，在對煤礦進行開采時，尤其是針對自燃煤層和易自燃煤層，要及時做好煤自燃的預測預報工作、劃分煤自燃指標體系[1]，能夠在有異常情況出現(xiàn)的第一時間做出預警，也充分說明煤自燃預測預報的重要性。

在預測預報煤自然發(fā)火方面，專家們已經(jīng)進行了很多研究，很多方法已經(jīng)能夠被熟練使用。預測預報的方法主要有氣體分析法、測溫法、電離法、煙霧法以及光電法和磁力預測法等[3]，目前使用范圍最廣，使用人數(shù)最多的方法是氣體分析法，即通過采集井下的氣體(CO、CO2、C2H6、C2H4等)，并對所采集氣體濃度進行分析來預測煤自燃情況[4-8]。通過氣體分析方法預測預報煤自燃，學者們做了大量研究，鄧軍等[9]將兩種方法結合，其一是多參數(shù)指標，其二是氣體指標優(yōu)選，分析在低溫階段時，煤樣產生氣體的種類，以及各個所產生氣體的體積分數(shù)，綜合分析得出預測煤自燃的氣體指標主要有4種，分別為φ(C2H4)/φ(CH4)、φ(C2H4)/φ(C2H6)鏈烷、R2和R3[1]。張玉濤[10]運用程序升溫實驗和絕熱氧化實驗證明煤自燃過程中溫度和氧化產物具有非線性特征，為利用指標氣體預測預報煤自燃提供了理論支持。費金彪[11]等實驗分析小風量條件下煤自燃氣體產生規(guī)律，結果表明CO氣體濃度升高在一些特定條件下并不能證明采空區(qū)溫度上升。王念鑫[12]等通過實驗研究風量對煤自燃低溫氧化產物的影響。

綜合上述分析，并不是所有氣體都能夠預測預報煤自燃，正確選擇預警氣體對于煤自燃災害防治至關重要。針對大采深易自燃煤層通過相關實驗研究，明確煤自燃過程中氣體與溫度之間的關系，確定煤自燃早期預警氣體指標，能夠及時準確地對煤自然發(fā)火進行預警，并及時給出防治措施，在一定程度上對煤自燃火災的防治起到了不可估量的作用。

1 煤低溫氧化試驗

1.1 實驗裝置

為能夠正確選取煤自燃指標氣體，筆者通過程序升溫考察煤低溫氧化氣體產生規(guī)律。實驗所選取的煤樣為正通煤業(yè)202工作面煤樣，試驗裝置采用的是DF13488煤自燃程序升溫裝置[13]，該裝置是由西安科技大學自主研發(fā)的一款裝置，試驗裝置共包括氣源、高溫反應爐、尾氣處理和氣樣分析4個部分[14]，如圖1所示。

圖1 煤自燃程序升溫實驗系統(tǒng)

1.2 實驗過程

首先將從煤礦工作面提取的煤樣運送至指定的實驗室，并及時將煤樣進行破碎，盡量將煤體破碎為10mm粒徑以下的小顆粒，方便進行后續(xù)實驗。然后將破碎好的煤樣進行篩分且分組，<0.9mm的為一組，0.9mm～3mm的為一組，3mm～5mm的為一組，5mm～7mm的為一組，7mm～10mm的為一組，共計5組。實驗共分為兩大部分進行，每組參與實驗的煤樣都是相同的，即從已經(jīng)篩分出的5種不同粒徑的煤樣中各取200g，混合形成不同粒徑的混合煤樣，共計1kg[9]。

第一組實驗：檢查實驗系統(tǒng)氣密性完好后，將反應爐溫度設置為25℃，且一直保持此溫度；預先通30min空氣，然后開始實驗，將風量設置為3ml/min，實驗裝置開始運行，等待5h，開始第一次抽取氣體并進行檢測，之后每隔半小時抽取氣體一次，并立即檢測所抽取氣體，實驗時間為5h；之后調節(jié)風量的數(shù)值，依次改變?yōu)?ml/min和9ml/min，每次改變風量后的操作和風量為3ml/min時的操作相同[1]，采用SP-2120氣相色譜儀檢測氣體。

第二組實驗：檢查實驗系統(tǒng)氣密性完好后，將反應爐溫度設置為25℃，且一直保持此溫度；然后開始實驗，將風量設置為30ml/min，實驗裝置開始運行，等待5h，開始第一次抽取氣體并進行檢測；之后調節(jié)風量的數(shù)值，依次改變?yōu)?0ml/min、90ml/min和120ml/min，不同氣體流量的實驗時間為90min[1]，氣體采集時間與檢測與第一組實驗相同。

2 實驗結果分析

圖2 不同風量條件下O2濃度與時間的關系

在進行煤自燃預警指標氣體選擇時要注意，所選取的指標氣體要方便檢測，并且檢測結果要有規(guī)律、能夠反映出煤自然發(fā)火的真實情況[15]。通過煤低溫氧化試驗，分析煤在低溫氧化過程中的氣體產生規(guī)律，為建立分級預警指標體系提供理論依據(jù)。筆者實驗過程檢測氣體有N2、O2、CO、CO2、CH4、C2H6、C2H4和C2H28種氣體。煤低溫氧化主要消耗O2，產生氣體主要以CO和CO2為主，實驗過程中并未產生C2H4和C2H2氣體，CH4和C2H6為煤層賦存氣體。

2.1 O2與CO氣體濃度分析

從圖2、圖3可以看出，在恒溫且供風條件不同的情況下，CO在實驗一開始就存在，隨著實驗的進行，O2濃度逐漸減小，CO濃度逐漸增大。風量為3ml/min時，O2濃度最低值為15.45%，CO濃度最高值達到338ppm，將不同風量條件下的11組數(shù)據(jù)分別取平均值，分別為292ppm、155ppm、98ppm。

因此可以推斷出，風量為3ml/min時的CO氣體濃度值比風量為6ml/min時的CO氣體濃度值增加近一倍，而風量為6ml/min時的CO氣體濃度值比風量為9ml/min時的CO氣體濃度值風量增加一倍。

圖4 不同風量條件下O2濃度與時間的關系

圖5 不同風量條件下CO濃度與時間的關系

圖4、圖5可以看出，隨著風量的不斷增加，O2濃度斷層式增加，而CO濃度斷層式減少。當風量為30ml/min時，O2濃度最低值為19.15%，CO濃度最高值為57ppm；當風量為60ml/min時，CO濃度在27ppm左右，是風量為30ml/min時CO濃度的一半；當風量為90ml/min時，CO濃度在16ppm左右，是風量為60ml/min時CO濃度的一半；而當風量為120ml/min時，CO濃度在13ppm左右，與風量為90ml/min時CO濃度差距較小。

通過上述兩組不同風量條件下實驗對比可知：①隨著供風量的不斷減少，煤低溫氧化生成的CO氣體濃度會逐漸增加。出現(xiàn)這種現(xiàn)象的原因是，當向實驗裝置供風時，裝煤罐的橫截面積是固定不變的，而通入實驗裝置中的風流中含有氧，它能夠與煤體表面活性基團進行氧化反應，因此產生CO氣體，當通入裝置中的風量越小時，氧化反應產生的CO氣體就越多。②恒溫條件下，供風量為3ml/min時，煤與氧反應產生CO濃度最高值為338ppm。③就單組實驗對比來看，風量與CO濃度關系變化比較規(guī)律，兩者之間幾乎呈反比關系，即風量增加，CO濃度相反會有所下降。④將風量不同的兩組實驗進行對比，即將圖3和圖5中的數(shù)據(jù)進行比較，會發(fā)現(xiàn)這兩組數(shù)據(jù)之間的關聯(lián)并沒有規(guī)律，沒有可比較性。

綜合上述分析，結合202工作面的具體情況可知，在工作面正常回采期間，會有新鮮空氣進入，與煤體發(fā)生反應產生CO，時間越長，產生的CO就越多；當工作面采完后，對采空區(qū)進行有必要的封堵，此時進入采空區(qū)的空氣減少，相應的采空區(qū)CO濃度會增加，進入采空區(qū)的空氣越多，那么CO氣體濃度就越小，兩者呈反比關系。實驗所得數(shù)據(jù)與工作面現(xiàn)場的測量情況沒有較大差別，但采空區(qū)的煤體溫度升高是一個復雜的情況，僅僅兩組實驗不能確定其溫度升高的全部因素。

2.2 CO2氣體濃度分析

圖6 不同風量條件下CO2氣體濃度與時間的關系

由圖6可知，低風量實驗中，實驗一開始，CO2氣體就存在，而且隨著供風量的增加，CO2濃度增加。供風量相同條件下，隨著時間的推進，CO2氣體穩(wěn)步增加。高風量實驗中，CO2從實驗開始也一直存在，隨著風量增加CO2濃度逐漸減小。風量不變時隨著時間推移CO2氣體濃度逐漸下降。

由上述分析得出，在不同風量條件下，CO2濃度變化沒有明確趨勢，并且煤礦井下本身就存在CO2氣體，所以該氣體不能作為判斷煤低溫氧化程度的指標氣體。

2.3 CH4氣體濃度分析

由圖7可看出，從實驗一開始，煤樣中就存在CH4氣體，這是由于實驗煤樣取自高瓦斯礦井，煤層中賦存有CH4氣體。低風量情況下，隨著風量增大CH4氣體濃度越大，在同一風量下隨著時間CH4氣體濃度逐漸減小。由此可以推斷，煤樣初始狀態(tài)下含有CH4，小風量條件下，風流流經(jīng)煤體，隨著風量的增大，從煤樣中帶出的CH4氣體較多；當風量達到一定值后，風量的影響顯著增大，稀釋了CH4，所測得的CH4濃度減小。針對煤礦工作面現(xiàn)場，采空區(qū)某處很難判斷煤體的量及流經(jīng)的風量，所以CH4氣體不能作為判斷煤低溫氧化程度的指標氣體。C2H6氣體也屬于煤樣賦存氣體，與CH4規(guī)律相似。

圖7 不同供風量條件下CH4與時間的關系

綜合上述分析，CO2及CH4不能作為判斷煤低溫氧化程度的指標氣體。在實驗過程中，CO氣體濃度最高達338ppm。

就同一組實驗來看，低溫氧化階段，CO氣體濃度值與風量大體呈反比關系。在工作面正常回采期間，會有新鮮空氣進入，與煤體發(fā)生反應產生CO，時間越長，產生的CO就越多；當工作面停止開采，減小工作面風量，引起采空區(qū)遺煤氧化產生CO氣體[1]。以上兩種情況下的CO氣體濃度升高是正常現(xiàn)象，并不能說明采空區(qū)存在遺煤氧化升溫。

3 煤自燃早期指標試驗研究

為確定202工作面煤自燃預警的標志性氣體，繼續(xù)選用上述實驗裝置對工作面煤樣進行程序升溫實驗，該實驗的實驗溫度從常溫升至170℃，在實驗開始后，溫度每升高10℃，進行氣體采集一次，并對所采集氣體及時分析。

圖8 煤自燃實驗氧化產生氣體與溫度的關系

由圖8可知，從實驗開始就存在CO氣體，濃度為5ppm。CO氣體曲線在80℃之前上升趨勢緩慢，該溫度之后迅速升高。CO2氣體趨勢與CO相似，都是隨著溫度升高不斷上升。CO主要是由煤樣與氧氣接觸產生，CO2氣體從實驗開始存在說明煤樣中含有一定量的CO2氣體。

圖9 煤自燃實驗熱解氣體與溫度的關系

由圖9可知，常溫下就存在CH4和C2H6氣體，隨著煤溫升高氣體趨勢不斷變化。在80℃～100℃范圍內出現(xiàn)峰值，說明煤樣中本身含有CH4和C2H6氣體，隨著實驗的進行，溫度不斷升高，CH4和C2H6氣體從煤體中分離出來，在120℃之后氣體濃度維持在較低濃度范圍，主要是由煤樣裂解產生。C2H4氣體在煤溫達到90℃時出現(xiàn)，這是由于煤樣裂解產生的。實驗表明C2H4氣體作為煤樣高溫裂解產物在煤樣溫度達到90℃時產生，表明C2H4氣體該工作面煤自然發(fā)火的指標氣體。

圖10 氣體濃度比值與溫度的關系

煤自燃程序升溫實驗中，除了可以對某一種氣體生成規(guī)律進行研究外，也可以通過分析氣體比值來確定煤自燃指標[1]，由圖10可看出，隨著煤樣溫度的逐漸升高，CO/ΔO2(ΔO2為氧氣消耗量)值呈指數(shù)形式增加，發(fā)現(xiàn)CO/ΔO2值升高明顯，表明煤發(fā)生自燃。CO/CH4值在110℃之前隨著煤溫升高基本無變化，之后隨著煤溫升高不斷增加。隨著煤溫升高，CO/CO2值呈上升趨勢，C2H6/CH4值變化趨勢不明顯，無法作為判斷煤自燃的指標。

綜合上述實驗結果分析可知，煤程序升溫實驗過程產生的氣體可作為判斷煤自燃的指標，主要有CO、C2H4、CO/ΔO2可作為輔助指標[1]。

4 結論

①在不同風量條件下對煤樣進行煤低溫氧化實驗，表明CO2、CH4、C2H6不能作為判斷202工作面煤低溫氧化程度的指標氣體，CO氣體在工作面臨時停采、撤面的情況下濃度升高是正常現(xiàn)象，并不能說明采空區(qū)存在遺煤氧化升溫。②通過程序升溫實驗，分析所取煤樣在升溫過程中產生的氣體，確定了202工作面的煤自燃指標氣體為CO、C2H4，輔助指標為CO/ΔO2。③通過本文實驗確定了正通煤業(yè)202工作面煤自燃預警指標氣體，為該工作面火災防治工作提供依據(jù)。