發(fā)耳煤礦近距離煤層自燃預(yù)測(cè)指標(biāo)研究

董小明，武瑞龍，王超群，郭睿智

（1.貴州安晟能源有限公司，貴州 貴陽(yáng) 550000；2.貴州發(fā)耳煤業(yè)有限公司，貴州 六盤(pán)水 553001；3.西安科技大學(xué)安全科學(xué)與工程學(xué)院，陜西 西安 710054）

0 引 言

近距離煤層是指間距較小且受采煤活動(dòng)影響較大的煤層[1]，容易在采動(dòng)應(yīng)力的作用下產(chǎn)生大量貫通裂隙，形成復(fù)雜的漏風(fēng)通道[2]，增加煤自燃危險(xiǎn)性[3]。目前，學(xué)者們對(duì)近距離煤層自燃防治做了大量工作。何敏[4]分析了近距離煤層群正壓通風(fēng)礦井自然發(fā)火的規(guī)律。黎經(jīng)雷等[5]通過(guò)Fluent 軟件模擬了風(fēng)速對(duì)近距離煤層采空區(qū)漏風(fēng)及煤自燃的影響。徐青云、王政等[6，7]研究了瓦斯抽采對(duì)近距離煤層采空區(qū)煤自燃的影響。李強(qiáng)等[8]采用鉆孔埋管監(jiān)測(cè)了近距離煤層下分層開(kāi)采過(guò)程中上分層的氣體變化規(guī)律，預(yù)測(cè)上分層采空區(qū)遺煤自燃情況。王超群等[9]采用SF6 示蹤氣體對(duì)近距離煤層群漏風(fēng)規(guī)律進(jìn)行研究，提出煤自燃隱患區(qū)域注水降溫等治理措施。郝宇、吳玉海等[10，11]在高瓦斯近距離煤層群易自燃工作面回撤期間，采用注氮、注漿及堵漏風(fēng)等多種手段。劉云秋[12]采取封堵漏風(fēng)、均壓、注漿和注氮等防滅火技術(shù)，保障了淺埋深近距離易自燃煤層群工作面安全回采。近距離煤層自燃環(huán)境復(fù)雜且相互影響，目前大多研究主要集中在漏風(fēng)規(guī)律和煤自燃防治，因此，有必要通過(guò)實(shí)驗(yàn)研究近距離煤層自燃預(yù)測(cè)及分級(jí)預(yù)警指標(biāo)。

本文對(duì)發(fā)耳煤礦的1、3、5-2、5-3、7 和10 煤層的煤樣分別開(kāi)展程序升溫實(shí)驗(yàn)，研究各煤層的自燃臨界溫度、干裂溫度及氣體產(chǎn)物變化規(guī)律，對(duì)比分析CCO/CCO2、CCO2/CO2和CCO/CO2氣體比值，建立近距離煤層的自燃預(yù)測(cè)及分級(jí)預(yù)警指標(biāo)，保障煤礦安全生產(chǎn)，為同類(lèi)近距離煤層自燃預(yù)測(cè)提供參考與指導(dǎo)。

1 煤礦概況

發(fā)耳煤礦位于貴州省六盤(pán)水市水城縣南部，含煤地層大約47 層，平均總厚46.90 m。其中可采及局部可采煤層共19 層，平均總厚度為26.82 m，比較穩(wěn)定的煤層平均總厚度為19.42 m。其中3 煤與5-2 煤的平均間距為8.8 m，最小間距為2.5 m。發(fā)耳煤礦具有煤層薄、間距小的特點(diǎn)，見(jiàn)表1。 6 個(gè)煤層的元素分析見(jiàn)表2。

表1 發(fā)耳煤礦主要煤層特征表

表2 各煤層元素分析結(jié)果

元素分析結(jié)果表明，1 煤的碳元素含量最高，5-3 煤的碳元素含量最低。

2 實(shí)驗(yàn)方法及過(guò)程

2.1 煤樣制備

從發(fā)耳煤礦采集6 個(gè)煤層（1、3、5-2、5-3、7和10）的煤樣送至西安科技大學(xué)，在空氣條件下分別將實(shí)驗(yàn)煤樣破碎，采用標(biāo)準(zhǔn)篩網(wǎng)篩取0～0.9、0.9～3 、3～5、5～7 和7～10 mm 5 種不同粒徑的煤樣各50 g 組成混合煤樣。

2.2 實(shí)驗(yàn)裝置

采用西安科技大學(xué)自主研制的油浴程序升溫實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，該系統(tǒng)由氣體供給、傳熱試驗(yàn)罐、智能溫控油浴裝置、氣體采集及分析儀器5 部分組成，如圖1所示。相比于空氣浴程序升溫系統(tǒng)，油浴程序升溫系統(tǒng)的升溫速率具有較好穩(wěn)定性。

圖1 油浴程序升溫實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)圖

2.3 實(shí)驗(yàn)過(guò)程

取各煤層混合煤樣各250 g，分別裝到試驗(yàn)罐進(jìn)行升溫測(cè)試。煤樣初始溫度為室溫，調(diào)節(jié)空氣流量為30 ml/min，升溫速度為0.5 ℃/min，每升高10 ℃抽取出實(shí)驗(yàn)氣樣，采用SP-3430 氣相色譜分析儀分析氣樣組分和濃度。

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析

3.1 氣體濃度

在程序升溫過(guò)程中，煤樣的CO 和C2H4生成量隨溫度的變化曲線(xiàn)如圖2、圖3 所示。

圖2 CO 濃度與溫度的關(guān)系曲線(xiàn)

如圖2 所示，隨著溫度升高，各煤樣的CO 氣體增加，且在70℃～80 ℃和130℃～140 ℃2 個(gè)溫度階段出現(xiàn)突變點(diǎn)。各煤樣CO 生成量與溫度的關(guān)系整體表現(xiàn)的大小順序?yàn)椋? 煤＞3 煤＞5-2 煤＞5-3煤＞10 煤＞7 煤。如圖3 所示，在110 ℃之前，煤樣均未出現(xiàn)C2H4氣體。隨著溫度升高，1、3、5-3 和7煤在110 ℃出現(xiàn)C2H4氣體，5-2 煤和10 煤分別在120 ℃和140 ℃出現(xiàn)C2H4氣體，但整個(gè)升溫過(guò)程中C2H4生成量較小。C2H4氣體可作為煤裂解反應(yīng)的標(biāo)志性氣體產(chǎn)物。

圖3 C2H4 濃度與溫度的關(guān)系曲線(xiàn)

3.2 耗氧速率

耗氧速率能夠表征煤氧化性強(qiáng)弱。根據(jù)化學(xué)動(dòng)力學(xué)及化學(xué)平衡理論，由耗氧速率與氧氣濃度成正比，可推導(dǎo)出爐內(nèi)耗氧速率V0（T）為[13]：

式中，Q為供氣量，cm3/s;S為爐體供風(fēng)面積，cm2；n為煤樣孔隙率；l為煤樣高度，cm；C0為進(jìn)氣口氧氣濃度，mol/cm3；C1為出氣口氧氣濃度，mol/cm3。

根據(jù)公式（1），計(jì)算得到各煤樣耗氧速率隨溫度變化的曲線(xiàn)，如圖4 所示。

圖4 耗氧速率與溫度的關(guān)系曲線(xiàn)

從圖4 可知，煤樣的耗氧速率均隨溫度的升高而升高，在70℃～80 ℃以前，耗氧速率較小，且曲線(xiàn)變化平緩。在130℃～140 ℃以后，耗氧速率急劇增大，具有明顯的階段性特征。說(shuō)明在此溫度后，煤氧復(fù)合反應(yīng)加快。各煤層煤樣的耗氧速率與溫度的大小關(guān)系整體表現(xiàn)為：1 煤＞5-2 煤＞3 煤＞5-3 煤＞7煤＞10 煤。

3.3 氣體產(chǎn)生率

CO 和CO2產(chǎn)生速率可表征煤氧復(fù)合作用的劇烈程度。根據(jù)流體流動(dòng)和傳質(zhì)理論，由方程（1）推導(dǎo)出CO 和CO2生產(chǎn)率表達(dá)式，如式（2）、（3）所示[14]：

式中，VCO（T）和VCO2（T）為CO 和CO2的產(chǎn)生率，mol·cm-3·s-1；C1CO和C1CO2為進(jìn)氣口處的CO 和CO2濃度，mol·cm-3·s-1；C2CO和C2CO2為進(jìn)氣口處的CO 和CO2濃度，mol·cm-3·s-1。

煤樣的CO 產(chǎn)生率與溫度的關(guān)系曲線(xiàn)如圖5 所示，CO2產(chǎn)生率與溫度的關(guān)系曲線(xiàn)如圖6 所示。

圖5 CO 產(chǎn)生率與溫度的關(guān)系曲線(xiàn)

圖6 CO2 產(chǎn)生率與溫度的關(guān)系曲線(xiàn)

從圖5 可知，隨著溫度升高，CO 產(chǎn)生率整體表現(xiàn)出單調(diào)遞增且增速變大的趨勢(shì)。在70℃～80 ℃之前，CO 產(chǎn)生率隨溫度升高的速度較慢。在130℃～140 ℃范圍內(nèi)，CO 產(chǎn)生率隨溫度升高的增速加快。1、3 和5-2 煤的CO 產(chǎn)生率均較大。由圖6 可知，隨著溫度的升高，CO2產(chǎn)生率整體表現(xiàn)出單調(diào)遞增且增速變大的趨勢(shì)。

3.4 放熱強(qiáng)度

煤氧復(fù)合作用釋放的熱量是煤自燃的主要熱源，放熱強(qiáng)度是其重要指標(biāo)。實(shí)際的放熱強(qiáng)度在最大值和最小值之間，如方程式（4）和（5）所示：

式中，qmax（T）和qmin（T）分別是最大和最小放熱速率，J/cm3·s；V0CO（T）和V0CO2（T）分別是標(biāo)準(zhǔn)CO 和CO2產(chǎn)生率，mol·cm-3·s-1；ΔHCO2和ΔHCO分別是CO2與CO的反應(yīng)熱，kJ/mol；=58.8 kJ/mol。

由化學(xué)鍵能守恒估算法，測(cè)算出煤氧化過(guò)程中的最大和最小放熱強(qiáng)度隨溫度的變化如圖7 所示。

圖7 煤樣放熱強(qiáng)度與溫度的關(guān)系曲線(xiàn)

從圖7 可知，煤樣在升溫過(guò)程前期的放熱強(qiáng)度變化緩慢，70℃～80 ℃開(kāi)始明顯升高，130℃～140℃出現(xiàn)顯著升高。1、3、5-2 煤的最大和最小放熱強(qiáng)度均較大。通過(guò)對(duì)氣體生成量、耗氧速率和氣體產(chǎn)生率等分析，得到各煤樣的臨界溫度為70℃～80 ℃，干裂溫度為130℃～140 ℃，以此將氧化過(guò)程大致分為3 個(gè)階段：緩慢氧化、加速氧化與劇烈氧化階段。

3.5 氣體比值分析

為消除實(shí)驗(yàn)條件帶來(lái)的誤差，對(duì)CCO/CCO2、CCO2/CO2和CCO/CO2氣體比值進(jìn)行分析，氣體比值隨溫度的變化規(guī)律如圖8 所示。

圖8 氣體比值隨溫度的變化曲線(xiàn)

根據(jù)煤樣的臨界溫度和干裂溫度范圍，分別選擇70℃和140 ℃為例，對(duì)其CCO/CCO2、CCO2/CO2和CCO/CO2氣體比值進(jìn)行對(duì)比分析，見(jiàn)表3。

表3 CCO/CCO2、CCO2/CO2 和CCO/CO2 氣體比值表

如圖8 和表3 所示，當(dāng)煤樣溫度達(dá)到70 ℃時(shí)，煤樣緩慢氧化到加速氧化階段的臨界指標(biāo)為氣體比值為0.008～0.021，CCO2/CO2氣體比值為107.01～345.33，CCO/CO2氣體比值為1.66～6.34。當(dāng)煤樣溫度達(dá)到140 ℃時(shí)，煤樣加速氧化到劇烈氧化階段的臨界指標(biāo)為CCO/CCO2氣體比值為0.083～0.186，CCO2/CO2氣 體 比 值 為492.5 ～726.9，CCO/CO2氣 體 比 值 為47.42～130.44。以上氣體比值可作為不同溫度階段各煤層的煤自燃分級(jí)預(yù)警指標(biāo)，可提高發(fā)耳煤礦近距離煤層自燃預(yù)測(cè)的準(zhǔn)確性和靈敏度。

4 結(jié) 論

1）發(fā)耳煤礦近距離煤層的自燃臨界溫度范圍為70～80 ℃，干裂溫度范圍為130℃～140 ℃，以此把煤自燃氧化過(guò)程劃分為緩慢氧化、加速氧化和劇烈氧化3 個(gè)階段。

2）各煤樣的CO 生成量與溫度的大小關(guān)系整體表現(xiàn)為：1 煤＞3 煤＞5-2 煤＞5-3 煤＞10 煤＞7 煤，CO 氣體可作為發(fā)耳煤礦的煤自燃主要指標(biāo)。在110℃之前，煤樣均未出現(xiàn)C2H4氣體。隨著溫度升高，1、3、5-3 和7 煤在110 ℃出現(xiàn)C2H4氣體，5-2 煤和10煤分別在120 ℃和140 ℃出現(xiàn)C2H4氣體，C2H4氣體可作為發(fā)耳煤礦的煤自燃輔助指標(biāo)。

3）當(dāng)溫度達(dá)到70 ℃時(shí)，煤樣緩慢氧化到加速氧化階段的臨界指標(biāo)為CCO/CCO2氣體比值為0.008～0.021，CCO/CO2氣體比值為107.01～345.33，氣體比值為1.66～6.34。當(dāng)煤樣溫度達(dá)到140 ℃時(shí)，煤樣加速氧化到劇烈氧化階段的臨界指標(biāo)為C～/CCO2氣體比值為0.083～0.186，CCO2/CO2氣體比值為492.5～726.9，CCO/CO2氣體比值為47.42～130.44。