煤層自然發火指標性氣體及防治措施研究

張 丹 付 棟

（1.山西世德孫家溝煤礦有限公司，山西 忻州 036604；2.河南理工大學安全科學與工程學院，河南 焦作 454000）

煤炭自燃是一個自加速的氧化放熱反應，氧分子在煤表面形成物理、化學吸附熱，促使煤體溫度緩慢上升進而使煤分子表面發生深度氧化分解反應，釋放大量反應熱，這些熱量在煤體內部的積聚最終導致煤炭的自燃[1-2]。在低溫氧化期間從煤中釋放的氣體可用作指標性氣體，以確定煤的自燃狀態[3]。準確地測定指標氣體的濃度和臨界值可以用來識別是否有煤炭自燃發生及自燃的發展階段和嚴重程度[4]。灌漿法[5]是利用管道將漿液送至可能發生或已經發生自燃的地點，以防治自燃或撲滅火災，是煤礦防滅火普遍采用的方法。

1 煤層概況

山西世德孫家溝煤礦有限公司13#煤厚最大15.45m，最小7.35m，平均13.05m。其中勘探區西部有分叉現象，煤厚有明顯變薄趨勢。煤層結構復雜，含夾石1～4層，夾石厚0.20～0.75m，但多數在0.30～0.50m之間，只有局部地段大于0.50m，巖性為泥巖或炭質泥巖，頂板底板均為泥巖或砂質泥巖。煤層可采性指數Km=1，煤厚變異系數γ=20.21%，屬全區穩定可采的特厚煤層。該煤層具有自然發火傾向性，瓦斯含量較低，其中灰分17.57%，含硫量1.13%，煤層揮發分33.62%。

2 氣樣產物變化規律及分析試驗

按照GB/T 482-2008《煤層煤樣采取方法》對13#煤層進行了煤樣采集，并及時運到中澳礦山火災實驗室，采用自行研制的煤自燃特性綜合測試系統進行煤樣試驗。

通過試驗監測得到了煤樣氣體產物隨煤溫的變化規律和產生量，其規律如圖1～4所示。

圖1 煤樣升溫過程中CO和CO2濃度變化規律

圖2 煤樣升溫過程中CH4濃度變化規律

圖3 煤樣升溫過程中H2濃度變化規律

圖4 煤樣升溫過程中C2H4和C2H6濃度變化規律

2.1 CO和CO2氣體產生的規律

從圖1可以看出CO在起始溫度30℃時就開始出現，是煤氧化過程中出現最早的氧化氣體產物，并且貫穿于整個升溫氧化過程中。在220℃之前，其產生量與煤溫呈指數式關系，并分為兩個階段：80℃之前，CO隨煤溫上升增加幅度較小；80℃～220℃曲線斜率較大，CO隨煤溫上升迅速增加，說明此時煤已經開始迅速氧化。所以一氧化碳可作為該煤層的指標性氣體，但是由于它產生范圍過大，所以還需要與其他氣體相結合一起分析才能更準確地預測預報煤自燃情況。

從圖1可以看出在煤樣氧化升溫過程中CO2氣體的產生量隨著煤溫的升高呈現先下降后上升的趨勢，說明CO2的產生并不全是由氧化產生的，也可能是從煤中解吸出來的，CO2氣體產生規律不易總結，故在指標氣體運用時不宜采取CO2氣體。

2.2 烷烯烴氣體產生規律

從圖2可以看出，試驗煤樣在測試溫度范圍內CH4在30℃時開始出現，且隨著溫度的升高，濃度逐漸增大。說明有原生CH4存在，其生成量隨著溫度的升高而增加。并且在井下受采掘、落煤的影響使得其濃度受到比較大的影響，所以甲烷不適合作為該煤層的指標性氣體。

從圖3可以看出煤樣升溫氧化試驗過程中，H2的產生具有以下特點：110℃之前檢測不到H2，110℃之后開始出現H2；其含量隨煤溫升高劇烈增加。因此，檢測出H2表明煤進入加速氧化階段。所以H2可作為該煤層的指標性氣體。

從圖4來看C2H4產生速率與煤溫之間的變化關系比較明確，110℃開始出現C2H4，其濃度隨著煤溫的升高緩慢增加；180℃以后C2H4濃度隨煤溫增加迅速升高且呈指數增長趨勢；C2H4的出現表明煤已進入氧化釋放氣體階段，應立即采取措施。由于試驗條件和現場實際條件相差加大，雖然井下實際檢測到的C2H4產生量與煤溫之間的關系不明確，但是其臨界溫度具有很大的應用價值。一旦在現場檢測到C2H4氣體，表明此時的煤溫已經超過其臨界溫度值，應立即采取措施。

C2H6在100～110℃時開始出現，但其產生量隨著溫度的升高呈先上升后下降的趨勢，表明煤的解吸附產生相當一部分C2H6。故并不適合作為該煤層的指標性氣體。

C2H2氣體是煤氧化進入燃燒階段的產物，是所有自燃氧化氣體產物中最晚出現的氣體，而且出現的臨界溫度值較高。所以C2H2氣體可作為煤自然發火的重要指標氣體。從試驗結果來看，在煤氧化升溫整個過程中都未檢測到C2H2氣體，表明其出現的溫度高于220℃。一旦在井下發現C2H2氣體，表明在監測區域內存在有已經進入燃燒階段的明火，此時采取措施一定要謹慎，避免直接將火源暴露于空氣中，以防引發瓦斯煤塵爆炸。

3 13#煤層灌漿法防滅火方案

3.1 灌漿方案及材料選擇

為保證及時、簡便地處理自燃隱患，根據試驗得到的13#煤層自然發火標志性氣體，結合本煤層的開采特點，采用埋管灌漿隨采隨灌結合采后灌漿方法[5]。孫家溝煤礦地表土多為黃土且取材方便，故選擇黃土作為本礦灌漿材料。灌漿管路鋪設為：地面灌漿站→新回風斜井→總回風巷→西下山南翼回風巷→13306工作面進風巷→采空區，線路總長度約4000m。

3.2 灌漿設計

3.2.1 黃泥漿地面布置

地面布置固定式灌漿防滅火系統圖如圖5所示，根據現場實際并結合煤礦注漿防滅火技術規范，經過計算，該礦井灌漿泥水比例采用1:3，需要的土量210t/d，制泥漿用水量462t/d，灌漿量516m3/d。

圖5 地面固定式灌漿防滅火系統平面布置示意圖

3.2.2 灌漿系統工藝流程

放頂前，首先沿回風巷在采空區預先鋪好10～20m預埋灌漿管，預埋灌漿管一端通采空區，另一端接長度為20～30m高壓膠管，灌漿支管與膠管連接，每天將灌漿管利用回柱絞車拉出，拉出的距離等于工作面的日推進距離，使預埋管始終保持在采空區15m左右，以免灌漿影響回采工作。灌漿時以上隅角出現黃泥漿堆積為止。圖6為埋管灌漿示意圖。

防止13#煤層發生自然發火危險，不僅要利用灌漿法，還要輔以火災束管監測系統及地面氣體分析實驗室，對灌漿防火區域定期進行氣體成分的監測。當束管監測系統在采空區內發現C2H4氣體時，說明在采空區內局部區域的遺煤溫度升高達到110℃左右，應立即采取采煤工作面風量優化和加大灌漿量等措施抑制煤在低溫時的氧化速度，延長自然發火期，從而防止遺煤發生自燃。

圖6 埋管灌漿示意圖

4 結論

（1）通過試驗對13#煤層指標性氣體的研究，得到了適合本煤層的指標性氣體為CO、H2、C2H2、C2H4。煤炭自燃過程中產生的氣體和煤溫之間存在密切的關系。在進行發火預測預報時應綜合考慮各指標，以CO為主，并以H2、C2H2、C2H4等作為輔助氣體來掌握煤炭自燃情況。

（2）通過對13#煤層煤樣測試研究，得到CO濃度越高則煤層自然發火危險性越高，H2和C2H4的出現表明煤已經進入氧化釋放氣體階段，此時的煤溫應在110℃以上，它是煤自燃過程的加速氧化階段，應立即采取措施。而C2H2氣體在本次試驗溫度范圍內一直沒有出現，說明其出現的溫度高于220℃，且大量研究表明C2H2是煤的氧化進入激烈氧化燃燒階段的標志。所以一旦有C2H2則表明煤已經發生劇烈的化學反應。

（3）13#煤層采用灌漿法來防治煤層自然發火。通過對束管采集氣樣的分析，結合煤自燃指標性氣體，及時預測預報監測點的實際情況，有利于快速有效地防治13#煤層的自然發火。