豹子溝煤業煤層自然發火標志氣體分析與優選

武 超

（山煤集團煤業管理有限公司，山西 太原 030006）

1 概述

目前煤炭資源作為我國主要的能源來源，礦井開采強度不斷增加。而井下煤自燃火災是影響煤礦安全生產的重要災害，嚴重影響著井下工作人員的生命安全[1-2]。煤炭的自然發火取決于煤本身的物理化學性質，因此，需針對具體礦井開采煤層的基本性質進行研究，掌握其自然發火過程中的氣體指標參數，從而準確的預報預測火災的發生[3-4]。

豹子溝煤礦位于山西省蒲縣，為低瓦斯礦井。礦井最大絕對瓦斯涌出量為8.04 m3/min，最大相對涌出量為4.25 m3/t，回采面最大絕對瓦斯涌出量為3.82 m3/min，掘進面最大絕對瓦斯涌出量為0.50 m3/min。10101采煤工作面走向長度為1 150 m，傾斜長度為150 m，開采下組9+10+11號煤，9+10+11號煤層厚度為3.53～7.37 m，平均5.47 m。煤層頂底板巖性一般為泥巖、粉砂巖或石灰巖。采用走向長壁后退式采煤法，綜采放頂煤采煤工藝，采高2.5 m，放高2.97 m，全部垮落法管理頂板。9+10+11號煤自燃傾向性等級為自燃（Ⅱ類）。

綜采放頂煤采煤工藝具有回采率較低、推進速度慢、采空區遺煤量大等缺點，易產生煤層自燃火災事故。因此，研究豹子溝煤業開采煤層自然發火標志性氣體特性、產生規律，對于改善礦井工作環境，保障員工的生命健康具有十分重要的現實意義[5]。

2 煤樣自然發火標志氣體分析與優選

根據前人研究可知，煤層自然發火一般會經歷三個過程。分別為緩慢氧化階段、加速氧化階段及激烈氧化階段。在這三個不同階段對應的溫度及氣體產物都各不相同。通常情況下，CO、C2H4（乙烯）和C3H6（丙烯）、C3H3（乙炔）等可以作為預測煤層自然發火的標志性氣體。

在煤層的自然發火過程中，不同溫度對應著不同階段產生了不同的氣體產物，對此可以根據不同氣體產物的濃度進而預測煤的自燃特性。選取蒲縣豹子溝煤業10101綜放工作面9#煤層、10#煤層、11#煤層煤樣進行煤自然發火氣體產物分析。

2.1 煤自然發火的CO標志氣體

研究結果表明，CO氣體是預測煤層自然發火的主要標志氣體。當煤溫度達到38℃左右時，出現CO氣體，此時CO氣體產生量較穩定；煤溫度超過193℃時，CO氣體產生量減少。因此，在此溫度范圍內，可以采用CO氣體作為預測采空區煤自然發火的標志氣體，為避免測到的濃度受風量影響，可以考慮采用CO指數派生指標進行修正。

2.2 煤自然發火的C2H4和C3H6標志氣體

根據煤自然發火氣體產物分析可知，9煤層煤樣氧化出現C2H4的臨界溫度在225℃左右，與CO氣體相比，有明顯的溫度差和時間差，與CO形成較好的補充。煤自C2H4出現開始進入加速氧化階段，煤氧化出現C3H6的臨界溫度在244℃左右；10號煤層煤樣升溫氧化出現C2H4與C3H6的臨界溫度在220℃、278℃左右；11號煤層煤樣C2H4與C3H6出現的臨界溫度在220℃、268℃左右。

因此，煤層煤樣升溫氧化出現C2H4和C3H6氣體和CO氣體可以在不同溫度段判斷煤氧化自燃形成良好的補充。C2H4和C3H6氣體出現的溫度分別為225℃左右和275℃左右，可以在此范圍內采用這兩種氣體作為預測煤層自然發火的指標氣體。

2.3 煤自然發火的C2H2標志氣體

根據煤自然發火氣體產物分析可知，9號煤層實驗煤樣產生C2H2氣體初始濃度為2.67 ppm，產生的初始溫度為323℃，10號煤層實驗煤樣產生C2H2氣體初始濃度為1.17 ppm，產生的初始溫度為419℃，11號煤層實驗煤樣產生C2H2氣體初始濃度為2.75 ppm，產生的初始溫度為317℃，因此各煤層實驗煤樣產生C2H2氣體初始溫度為317℃～419℃左右。這與煤樣升溫氧化出現C3H6相比又有一個明顯的溫度差。

因此C2H2和C2H4、C3H6、CO氣體可以在不同溫度段形成良好的補充，在317℃～419℃左右范圍內采用C2H2氣體作為預測煤層自然發火的指標氣體。

因此C2H2和C2H4、C3H6、CO氣體可以在不同溫度段形成良好的補充，在317℃～419℃左右范圍內采用C2H2氣體作為預測煤層自然發火的指標氣體。

2.4 煤自然發火的臨界氧氣濃度

研究煤層在不同氧氣濃度下自然發火的規律，可以有效地通過控制氧氣濃度進而抑制煤層自然發火。本實驗通過將帽子溝煤業實驗煤樣分別放置與氧氣濃度為20.9%（空氣）、10.0%和7.0%時的產生的氣體產物進行研究，進而得出一定得規律。

圖1 9號煤層煤樣不同氧氣濃度下氣體產物規律

圖2 10號煤層煤樣不同氧氣濃度下氣體產物規律

圖3 11號煤層煤樣不同氧氣濃度下氣體產物規律

（1）不同氧氣濃度下的氣體產物特性

9號—11號煤層煤樣實驗煤樣在不同氧氣濃度下氣體產物規律分別見圖1—圖3。

9號煤層、10號煤層、11號煤層實驗煤樣均有共同特性：從氣體產物的濃度來看，20.9%氧氣濃度條件下氣體生成濃度明顯高于10.0%氧氣濃度下的氣體生成濃度；而10.0%氧氣濃度下又高于7.0%氧氣濃度下的氣體生成濃度。在同一溫度時，隨著氧氣濃度的下降各種氣體產物濃度也出現降低。當氧氣濃度為20.9%時，CO、C2H4氣體的濃度增長迅速；而在氧氣濃度為10.0%時，CO、C2H4雖然增長濃度有所放緩，但仍有陡坡增長，不能很好的抑制煤的氧化；氧氣濃度在7.0%時，整個氧化過程都未出現C2H2氣體，對煤的氧化起到了很大抑制作用。

（2）不同氧氣濃度下的氧化熱力學特性

煤的氧化熱力學特性是煤氧化的一個重要特性之一，通過煤溫度的變化直接反應氧化反應的進行程度，通過收集數據可得到的曲線見圖4。

圖4 實驗煤樣自然發火模擬過程中溫升曲線

由圖可知，隨著氧氣濃度的下降，煤溫激烈氧化階段也有明顯下降的趨勢。當氧氣濃度為20.9%時，煤溫有明顯的激烈氧化階段，氧氣濃度為10.0%時，也存在一小段明顯的激烈氧化階段，氧氣濃度為7.0%時，氧化過程不太明顯。因此，可以判定豹子溝煤業煤層自然發火臨界氧氣濃度為7.0%。

2.5 煤自然發火預測預報指標體系

標志氣體優選工作中應拋棄過去相當長時間采用的單純使用CO及其派生指標的片面觀念。應當在使用CO的前提下，探討和尋求其他以C2H4、C3H6為代表的烯烴氣體和烷烴氣體共同作為綜合判斷指標的可能性，并增加這些標志氣體的預測預報指標作為綜合指標對煤自然發火的不同階段及其發展態勢進行預測預報。

2.6 防滅火措施

提高員工安全意識，避免煤層自燃帶來的災害和損失，做好日常防滅火工作。如根據標志性氣樣顯示煤層有自然氧化傾向，應該加強漏風監測，對漏風通道進行加固、堵漏，實施采空區連續注氮和高溫點鉆孔注漿并重的防滅火措施。

3 工程實踐

在10101采煤工作面進、回風巷方向布置束管監測點，測點間距20 m。隨著工作面的推進，束管依次進入采空區自燃三帶“散熱帶”、“氧化帶”與“窒息帶”，同時監測采空區各種氣體參數變化。分析可知： 各測點在距工作面27.2～74.5 m處，CO氣體濃度都出現先上升后下降的過程，說明在此處附近有自熱氧化的發生； 各測點在工作面的推進過程中，溫度都低于21℃，說明工作面采空區壓實條件較好，保證了工作面及采空區的安全穩定。

4 結語

通過對豹子溝煤業10101工作面中9、10、11號煤層煤樣實驗和分析，可以得到如下結論：

1）煤層自然發火經歷三個過程，分別為緩慢氧化階段、加速氧化階段及激烈氧化階段。在這三個不同階段對應氣體產物CO、C2H4（乙烯）和C3H6（丙烯）、C2H2（乙炔）等可以作為預測煤層自然發火的標志性氣體。

2）CO可以在煤氧化升溫到38℃～193℃范圍內作為預測預報煤自然發火的指標氣體，C2H4和C3H6氣體可以在煤氧化升溫到225℃左右和275℃左右時作為預測煤層自然發火的指標氣體，C2H2氣體可以在317℃～419℃左右范圍內作為預測煤層自然發火的指標氣體。

3）在氧氣濃度為7.0%時，煤的整個氧化過程都未出現C2H2氣體，缺氧環境對煤的氧化起到了很大抑制作用。