張雙樓煤礦回撤工作面自然發火預警標志氣體及臨界值確定

段曉平 陸 愿 魏連江

（1.江蘇徐礦股份有限公司張雙樓礦，江蘇 沛縣 221600；2.中國礦業大學，江蘇 徐州 221116 ）

煤礦采煤工作面自燃是礦井主要災害之一，煤自燃影響礦井生產且產生有毒有害氣體。采煤工作面煤層自燃通常依靠檢測標志性氣體進行預警和防治。各個煤礦由于地質條件不同，工作面自然發火標志氣體濃度指標及預警臨界值不能一概而論。

王文清將神東礦區5個不同煤層為研究對象，分析得出正常開采條件下，回風隅角CO指標臨界值為9×10-5，當上升至3.5×10-4時，采空區遺煤已達臨界溫度（60～70 ℃）[1]。康宇對某礦10+11#煤層煤樣進行自然發火氣體產物模擬試驗最后優選出CO、C2H4、C2H2、C2H4/C2H6、C3H8/C2H6作為該礦10+11#煤層煤自然發火預測指標[2]。

張雙樓煤礦由于特殊的地質條件，遺煤分布及上覆巖層附近存在黃鐵礦等特殊因素，不能照搬照抄上述預測煤自燃的方法進行監控預警，需要確定張雙樓礦預測預警煤層自然發火的指標及其臨界值。因此本文針對張雙樓煤礦工作面采空區遺煤分布、煤柱裂隙、圍巖變形及破碎等引起煤自燃參數特征，分析各主要發火因素哪一因素是主控因素，對回撤工作面煤樣進行煤升溫氧化試驗，得出延期回撤期間自然發火標志氣體濃度指標及預警臨界值確定值[3-8]。

1 試驗及礦井工作面概況

1.1 礦井及回撤工作面概況

張雙樓礦為低瓦斯礦井，本采區7煤結構簡單，屬穩定的厚煤層。直接頂多為泥巖，直接底為砂質泥巖，均厚6.86 m。7煤老頂細砂巖裂隙發育，局部構造裂隙發育處頂板有淋水現象。7201工作面位于-500 m水平西一采區，東起東風井保護煤柱，西距-500 m西二運輸上山約70 m，南至7煤煤層開采上限以下，北部為7403工作面采空區。工作面煤厚為3.80 m，采用綜合機械化采煤，一次采全高回采工藝，全部垮落法管理頂板；走向長度為1030 m，工作面平均傾斜長度194 m，工作面平均傾角22°，回采速度3.78 m/d。

7201工作面為礦井煤層邊界工作面，區段保護煤柱在受到采掘活動影響下，煤柱煤體出現破碎、裂隙，形成漏風通道，使工作面采空區供氧充足。7201工作面回采末期，工作面煤層厚度變化，平均煤厚4.8 m，在沿頂開采時留有1 m底煤，受采動影響煤體破裂出現裂隙，此時采空區垮落沉積不實，采空區漏風和較長回撤周期為底煤氧化蓄熱提供了有利條件，使得采空區底部遺煤自燃危險性增大。根據計劃安排，采取先將回采結束的工作面封閉，后期恢復通風繼續拆除支架的辦法完成工作面回撤。總回撤時間94 d，已超過煤層最短自然發火周期47 d。

1.2 試驗裝置及方案

首先按照國家標準取樣規定（引用）在開采工作面取樣地點取出大塊煤樣，立即用塑料布進行嚴格密封，運至實驗室，制樣前先剝去煤樣表面氧化層，對其進行破碎并篩分出40～80目的顆粒50 g作為試驗煤樣。將1 g粒度為40～80目的煤樣置于銅質煤樣罐內，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。測試時向煤樣內通入100 mL/min的干空氣，在程序控溫箱控制下對煤樣進行加熱，當達到指定測試溫度時，恒定溫度5 min后采取氣樣進行氣體成分和濃度分析。

2 結果與討論

2.1 指標氣體

從7201工作面提取煤樣，按照試驗過程對所取煤樣進行測試，記錄升溫氧化過程產生的指標氣體隨溫度變化趨勢，結果如圖1。

圖1 7201工作面煤樣氧化升溫CO、CO2、 CH4、C2H4、C2H6、C2H2、C3H8濃度隨溫度變化趨勢

由圖1可知，煤樣在30～300 ℃溫度范圍的氧化過程中有規律的出現CO、CO2氣體，且生成量隨煤溫的升高基本呈指數上升趨勢；CO、CO2、CH4三種氣體均在30℃左右時即開始出現，CO的生成量在低溫氧化階段較小，煤溫達到155～160 ℃之后其生成量迅速增加，這說明該溫度下煤已經開始迅速氧化，物理吸附已經越來越弱而化學吸附和化學反應則占據了主要位置。CH4在30 ℃就出現，且伴隨整個試驗過程，說明煤樣中賦存有CH4氣體；當溫度達到35 ℃左右，出現了C3H8氣體，變化較平緩；當溫度超過100 ℃時開始有少量C2H4、C2H6，并呈現出有規律的變化；升溫過程中一直到達260 ℃左右才出現C2H2氣體。綜上所述，煤樣開采的指標氣體應該以CO作為主指標，以C2H4、C2H6、C2H2、C3H8及其相關系數為輔助指標。

當工作面產生CO說明煤溫已經超過30 ℃，如果CO的上升趨勢比較緩慢，說明煤溫沒有超過100 ℃，如果CO的變化趨勢出現明顯的上升拐點，或者產生C2H4、C2H6，說明此時煤溫已經超過100℃，此時煤體已經進入快速氧化階段；當煤溫超過130 ℃，煤中分子鏈開始斷裂，煤的氧化即將進入劇烈階段。

2.2 C2H6/CH4、C3H8/C2H6值隨溫度變化趨勢

圖2展示了C2H6/CH4與C3H8/CH4在數值上隨溫度的增加表現出先增加后減小趨勢，C3H8/C2H6隨煤溫的升高表現出先減小后再增加的趨勢。C2H6/CH4曲線在130 ℃左右速率劇增，210 ℃后呈下降趨勢，C3H8/CH4曲線在150 ℃之前上下波動平緩，而150 ℃之后迅速上升，C3H8/C2H6曲線在110～160 ℃范圍內，曲線呈下降趨勢，160～300℃呈上升趨勢，200 ℃后，比值劇增，說明煤樣已經進入劇烈氧化階段。圖3中可以發現C2H6/CH4和C3H8/CH4在130～150 ℃左右出現了曲線突變，這與CO2氣體產生開始迅速增加的溫度點相對應，說明當煤體超過該溫度范圍后，進入劇烈氧化階段，鏈烷比發生突變。上述鏈烷比指標雖然能夠判斷煤自燃的程度，但是規律性不太明顯，因此不能作為判斷煤自燃的輔助指標。

圖2 7201工作面煤樣氧化升溫過程

圖3 7201工作面煤樣氧化升溫過程烯烷比隨溫度變化

2.3 烯烷比和CO增加速率

煤的低溫氧化階段，CO顯示較為靈敏，但是抗干擾能力較弱，無法準確定位燃燒階段，而C2H4、C2H2等是煤氧化到一定溫度時出現的產物，故他們可以作為煤自燃的指標氣體。為提高預判的準確度，提出利用CO增加速率與烯烷比為輔助指標，來判斷煤自燃的發展階段。

如圖3所示，煤溫超過90 ℃，產生少量C2H4、C2H6氣體，說明此時煤溫已經超過100 ℃，此時煤體已經進入快速氧化階段；如果檢測到C2H4開始呈現平穩上升趨勢說明煤溫已經超過130 ℃，煤中分子鏈開始斷裂，煤的氧化即將進入劇烈階段。依據CO增加速率和烯烷比的數值不同，可以將煤氧化的整個過程劃分為六個階段，每個階段的臨界預警指標見表1，每個階段對應不同的溫度。工作面煤樣氧化升溫過程中各階段臨界指標見表2。

表1 7201工作面煤樣氧化升溫過程各階段烷烯比值

表2 7201工作面煤樣氧化升溫過程中各階段臨界指標

綜上所述，對于張雙樓煤樣，生產過程中以CO為煤自燃的主要預測指標，同時輔之以臨界預警指標來判斷煤溫，準確掌握煤炭自燃所處的階段，采取相應措施。

2.4 煤自燃機理及主控因素分析

煤自燃發生的機理認為煤自燃必須具備四個條件，即煤具有自燃傾向性且呈破碎狀態堆積、有連續的通風供氧條件、煤氧化過程中生成的熱量大于散去的熱量、前面三個條件共存時間大于煤的自然發火期，最終導致煤自燃。

張雙樓煤礦7201工作面直接頂特別是煤中含有以黃鐵礦形式存在的硫，黃鐵礦中的二價鐵離子易與空氣中的水分和氧相互作用，更容易氧化放出熱量，將會對煤的自燃起加速作用。煤柱煤體出現破碎、裂隙，形成漏風通道，使工作面采空區供氧充足。受采動影響煤體破裂出現裂隙，此時采空區垮落沉積不實，采空區漏風和較長回撤周期為底煤氧化蓄熱提供了有利條件，使得采空區底部遺煤自燃危險性增大，給工作面回撤及礦井安全生產帶來較大的安全隱患。本工作面在停采后封閉、撤面時間較長，總回撤時間已超過煤層最短自然發火周期，增加了采空區的自燃危險性。

3 結論

（1）張雙樓礦煤自燃指標應該以CO作為主指標，以C2H4、C2H6、C2H6、C3H8、烯烷比和CO增加速率為輔助指標。

（2）煤溫在80～90 ℃之間，煤體CO產生速率發生了突變，判定該煤樣的臨界溫度80～90 ℃。

（3）采用烯烷比和CO增加速率作為輔助指標，根據其數值不同準確判斷煤自燃所處的階段。