極易自燃煤層發火特性試驗研究

陳芳

摘要：煤炭開采過程中受煤層伴生CO氣體的影響，煤層極易自燃且存在煤層自然監測和預報難度大的問題。本文采用試驗模擬的研究方法對寧夏寧東礦區煤層發火特性進行研究，確定了氣體指標的選擇、煤層自燃發火判定參數及其與煤溫的關系，找出了在礦井開采條件下靈敏度較高的指標氣體及其對應的特征溫度，明確了礦區煤自然氧化升溫過程中的自燃特性參數，這對建立和完善寧東礦區煤層自燃監測預報及預報技術體系具有重要意義。

Abstract： Coal mining process is affected by the associated CO gas in the coal seam. The coal seam is easy to spontaneous combustion and the difficult problem for coal seam is natural monitoring and prediction. In this paper， the characteristics of the coal seam ignition in Ningdong mining area of Ningxia are studied by the method of experimental simulation. The selection of gas index， the determination parameters of spontaneous combustion and the relation with the coal temperature are determined， and the index gas with high sensitivity and its corresponding characteristic temperature under the condition of mine mining is found out. The spontaneous combustion characteristic parameters of coal spontaneous combustion in the east mining area of Ningxia are specified，which has a great significance to establish and improve the monitoring and forecasting technology system for spontaneous combustion of coal seam in Ningdong mining area.

關鍵詞：煤層；自燃；氣體指標；發火特性

Key words： coal seam；spontaneous combustion；gas index；ignition characteristics

中圖分類號：TD752 文獻標識碼：A 文章編號：1006-4311（2018）29-0088-03

1 概述

煤自燃是在常溫常壓下，煤與空氣中的氧自發反應升溫的過程。寧夏寧東礦區煤質屬低硫、低灰、特低磷、較高發熱量、高化學反應性，容易自然，煤層最短發火周期21天。綜采（放）工作面在正常回采過程中，采空區、上隅角、回風流都會出現CO超限，其值在15～70ppm之間變化。由于技術裝備水平所限，對CO產生機理及自燃威脅程度掌握不清。本文試圖通過試驗研究的方法探索煤層自燃發火的規律及其重要影響參數，為自燃發火預測預報提供依據和技術支持，確保安全生產。

2 煤自燃特性試驗

2.1 試驗裝置

為了科學、合理、有效的模擬煤自燃的整個過程，本試驗采用XKIII型煤自燃發火模擬試驗平臺，操作過程中充分考慮了各個重要環節和影響因素。該實驗臺由爐體、氣路及控制檢測三部分組成。氣樣數據采集采用人工采集法。每天人工取樣進行色譜分析預報一次，分析參數為分析參數為O2、N2、CO、CO2、CH4、C2H6、C2H4、C2H2。

2.2 試驗條件

試驗的煤樣粒度、質量、頻度及其試驗條件如表1-表2所示。

2.3 試驗過程

試驗周期為16天，起始日期：2017年12月5日，結束日期：2017年12月20日。試驗爐內溫度從31.2℃逐漸上升至169.9℃，溫度升幅達130℃，根據煤自燃發火情況，除去停電、降溫等因素影響，試驗結果表明試驗煤樣自然發火周期為實際實驗自燃發火期為16天。綜合分析煤層賦存地區地質條件、圍巖溫度等因素，計算可知煤樣實驗自燃發火期為19天。

2.4 試驗結果分析

2.4.1 溫度數據分析

最高溫度點溫度與供風時間的關系如圖1，中心軸各測點溫度分布與供風時間關系見圖2。

從圖1-圖4分析可以得出以下結論：

①整個實驗過程中變化比較明顯的時間節點有三個，分別是第9天、第16天和第16.7天。持續供風在9天以前，煤樣升溫較慢；9天之后煤樣溫度升溫開始變快，達到其臨界溫度（62.5℃）；在16天、16.7天時，分別出現兩次加速升溫過程，于此同時達到干裂溫度（121.1℃）和裂變溫度（150℃）。

②實驗前期爐內中心軸這一核心區域溫度升的快，當煤體溫度高于79.7℃時，伴隨著耗氧量增加，高溫點逐漸向供氧充分、空隙大的爐邊緣轉移。

③隨著煤體溫度的升高，在正常供風條件下，煤體升溫逐漸加快。當煤溫低于臨界溫度時，適當增加供風量，顯示煤體升溫速度下降。而當煤溫超過121.2℃后，增加供風量，高溫點溫度則會迅速上升。

井下工作面大量的實例表明，一旦采空區出現自燃發火征兆時，增加工作面供風量能夠使著火時間縮短，而減小風量，自燃會受到抑制。

④當煤體溫度過了121.2℃時，煤體升溫加快，平均升溫幅度超過16.8℃/天。當煤溫過了169.9℃時，煤體升溫速度極速上升，在供風充足的前提下，在24小時的時間內煤體溫度就可以可超過燃點。

⑤實驗結果表明，高溫火區煤體窒息熄滅的氧濃度在2～3%以下。從實驗結果來看，煤溫超過110℃后，盡管爐內下側的溫度較高，在氧濃度低于2%區域煤體溫度變化幅度不大，當氧氣濃度位于4～5%這一區間時，煤溫出現上升趨勢。

2.4.2 氣體數據分析

自然升溫過程中，實驗爐頂層取氣點各種指標氣體濃度及其對應的爐內最高的溫度見圖4，煤樣自然升溫過程中各種指標氣體比值及其對應的爐內最高溫度見圖5。

①有機氣體出現溫度。

煤樣在升溫氧化過程中，C2H6和C2H4在升溫初始階段就氧化產生少量氣體，而當煤溫達到50℃左右時，C2H6 和C2H4逐漸減少至消失，說明C2H6和C2H4脫附完成。

②一氧化碳濃度與溫度的關系。

在煤自燃的整個過程中，相對靈敏的一氧化碳作為一種指標氣體，當煤層自身溫度出現升高時，一氧化碳就會溢出，一氧化碳的溢出量伴隨著溫度呈現指數規律遞增。

③二氧化碳/一氧化碳。

CO2/CO數值在實驗初期就存在，并且其伴隨著溫度上升過程CO2/CO數值也逐漸增長，當溫度在48.9℃時，CO2/CO值到峰值；伴隨溫度持續的增加，當溫度在57.7℃時，CO2/CO值逐步降至最低點后進而出現升高的趨勢。

④鏈烷比。

鏈烷比作為研究指標氣體濃度和溫度之間相互關系的參考標準，該標準可以精準的指導我們去判斷實驗結果，從而避免一些其他因素的影響。在煤樣自然溫度升高的開始便出現C2H4氣體，其烷烯比（C2H4/C2H6）隨溫度的升高而逐漸上升。

3 試驗結論

綜合上述分析可以得出以下結論：

①寧夏鴛鴦湖礦區煤樣實際自燃發火期為16天，根據該礦區井下實際圍巖溫度為25℃計算該礦煤樣實驗自燃發火期為18天。

②實驗結果表明，隨著煤體溫度逐漸升高，煤體氧化放熱強度、一氧化碳產生率、耗氧速度和升溫速度呈現增加的趨勢。

③根據實驗中各類氣體指標、對應比值、溫度變化率與溫度的相互關系，可將鴛鴦湖礦區煤從常溫逐步升高至170℃的過程分成5個階段，以更好的指導對煤層自燃程度進行預報。

④氣體分析結果表明，氣體指標可以有效的體現出該地區的煤體的溫度特征，以及煤分子在整個自然升溫過程中變化情況。

⑤煤自燃過程中，產生的熱量q0（t）位于qmax和qmin之間，說明在實驗過程中，符合最大最小放熱量關系。

4 防滅火建議

①正常生產情況下，利用束管監測系統每班至少對采空區、上隅角、回風流等各測點采集氣樣，進行色譜分析一次，異常情況下每班至少兩次，分析參數為O2、N2、CO、CO2、CH4、C2H6、C2H4、C2H2，分析結果每天必須送礦長、總工程師審閱，出現異常必須立即采取措施處理。

②工作面每班必須設專職瓦斯檢查員開展人工檢測預報工作，檢測參數為O2、CO、CO2、CH4和溫度。工作面上隅角必須設置CO監測傳感器和O2報警儀。

③嚴格按工作面設計風量配風，防止風量過大向采空區供氧。

④定期對采空區氣體檢測。采空區預埋檢測管采用￠50塑料管，內置￠6束管，埋入采空區90m、60m、30m、10m，每班人工對預埋管內氣體檢測一次，檢測內容為CO、O2。各檢測管內CO超過100ppm進行取樣分析。

⑤通風隊要安排專人定期觀測地表塌陷和裂縫情況，對出現的裂縫要及時充填，杜絕地表裂隙造成采空區漏風。

參考文獻：

[1]高志才.極易自燃煤層綜放面采空區自然發火預測技術研究[D].西安科技大學，2009.

[2]張丹，付棟.煤層自然發火指標性氣體及防治措施研究[J].山東煤炭科技，2018（2）：91-93.

[3]姚紀凱，王凱，蔣上榮.杭來灣煤礦3^#煤層自燃極限參數的實驗研究[J].陜西煤炭，2018（1）：1-4.

[4]文虎，張博，馬威.棗泉礦2#煤層自然發火特性實驗研究[J].煤炭工程，2010，1（7）.

[5]武丕儉，張景鋼，康懷宇.煤層自然發火指標氣體的選擇實驗分析研究[J].華北科技學院學報，2010，07（4）：25-29.