豹子溝煤業(yè)煤層自然發(fā)火標(biāo)志氣體分析與優(yōu)選

武 超

（山煤集團(tuán)煤業(yè)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(qiáng)度不斷增加。而井下煤自燃火災(zāi)是影響煤礦安全生產(chǎn)的重要災(zāi)害，嚴(yán)重影響著井下工作人員的生命安全[1-2]。煤炭的自然發(fā)火取決于煤本身的物理化學(xué)性質(zhì)，因此，需針對(duì)具體礦井開采煤層的基本性質(zhì)進(jìn)行研究，掌握其自然發(fā)火過程中的氣體指標(biāo)參數(shù)，從而準(zhǔn)確的預(yù)報(bào)預(yù)測火災(zāi)的發(fā)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(duì)瓦斯涌出量為8.04 m3/min，最大相對(duì)涌出量為4.25 m3/t，回采面最大絕對(duì)瓦斯涌出量為3.82 m3/min，掘進(jìn)面最大絕對(duì)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(hào)煤，9+10+11號(hào)煤層厚度為3.53～7.37 m，平均5.47 m。煤層頂?shù)装鍘r性一般為泥巖、粉砂巖或石灰?guī)r。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(hào)煤自燃傾向性等級(jí)為自燃（Ⅱ類）。

綜采放頂煤采煤工藝具有回采率較低、推進(jìn)速度慢、采空區(qū)遺煤量大等缺點(diǎn)，易產(chǎn)生煤層自燃火災(zāi)事故。因此，研究豹子溝煤業(yè)開采煤層自然發(fā)火標(biāo)志性氣體特性、產(chǎn)生規(guī)律，對(duì)于改善礦井工作環(huán)境，保障員工的生命健康具有十分重要的現(xiàn)實(shí)意義[5]。

2 煤樣自然發(fā)火標(biāo)志氣體分析與優(yōu)選

根據(jù)前人研究可知，煤層自然發(fā)火一般會(huì)經(jīng)歷三個(gè)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(gè)不同階段對(duì)應(yīng)的溫度及氣體產(chǎn)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(yù)測煤層自然發(fā)火的標(biāo)志性氣體。

在煤層的自然發(fā)火過程中，不同溫度對(duì)應(yīng)著不同階段產(chǎn)生了不同的氣體產(chǎn)物，對(duì)此可以根據(jù)不同氣體產(chǎn)物的濃度進(jìn)而預(yù)測煤的自燃特性。選取蒲縣豹子溝煤業(yè)10101綜放工作面9#煤層、10#煤層、11#煤層煤樣進(jìn)行煤自然發(fā)火氣體產(chǎn)物分析。

2.1 煤自然發(fā)火的CO標(biāo)志氣體

研究結(jié)果表明，CO氣體是預(yù)測煤層自然發(fā)火的主要標(biāo)志氣體。當(dāng)煤溫度達(dá)到38℃左右時(shí)，出現(xiàn)CO氣體，此時(shí)CO氣體產(chǎn)生量較穩(wěn)定；煤溫度超過193℃時(shí)，CO氣體產(chǎn)生量減少。因此，在此溫度范圍內(nèi)，可以采用CO氣體作為預(yù)測采空區(qū)煤自然發(fā)火的標(biāo)志氣體，為避免測到的濃度受風(fēng)量影響，可以考慮采用CO指數(shù)派生指標(biāo)進(jìn)行修正。

2.2 煤自然發(fā)火的C2H4和C3H6標(biāo)志氣體

根據(jù)煤自然發(fā)火氣體產(chǎn)物分析可知，9煤層煤樣氧化出現(xiàn)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(shí)間差，與CO形成較好的補(bǔ)充。煤自C2H4出現(xiàn)開始進(jìn)入加速氧化階段，煤氧化出現(xiàn)C3H6的臨界溫度在244℃左右；10號(hào)煤層煤樣升溫氧化出現(xiàn)C2H4與C3H6的臨界溫度在220℃、278℃左右；11號(hào)煤層煤樣C2H4與C3H6出現(xiàn)的臨界溫度在220℃、268℃左右。

因此，煤層煤樣升溫氧化出現(xiàn)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(bǔ)充。C2H4和C3H6氣體出現(xiàn)的溫度分別為225℃左右和275℃左右，可以在此范圍內(nèi)采用這兩種氣體作為預(yù)測煤層自然發(fā)火的指標(biāo)氣體。

2.3 煤自然發(fā)火的C2H2標(biāo)志氣體

根據(jù)煤自然發(fā)火氣體產(chǎn)物分析可知，9號(hào)煤層實(shí)驗(yàn)煤樣產(chǎn)生C2H2氣體初始濃度為2.67 ppm，產(chǎn)生的初始溫度為323℃，10號(hào)煤層實(shí)驗(yàn)煤樣產(chǎn)生C2H2氣體初始濃度為1.17 ppm，產(chǎn)生的初始溫度為419℃，11號(hào)煤層實(shí)驗(yàn)煤樣產(chǎn)生C2H2氣體初始濃度為2.75 ppm，產(chǎn)生的初始溫度為317℃，因此各煤層實(shí)驗(yàn)煤樣產(chǎn)生C2H2氣體初始溫度為317℃～419℃左右。這與煤樣升溫氧化出現(xiàn)C3H6相比又有一個(gè)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(bǔ)充，在317℃～419℃左右范圍內(nèi)采用C2H2氣體作為預(yù)測煤層自然發(fā)火的指標(biāo)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(bǔ)充，在317℃～419℃左右范圍內(nèi)采用C2H2氣體作為預(yù)測煤層自然發(fā)火的指標(biāo)氣體。

2.4 煤自然發(fā)火的臨界氧氣濃度

研究煤層在不同氧氣濃度下自然發(fā)火的規(guī)律，可以有效地通過控制氧氣濃度進(jìn)而抑制煤層自然發(fā)火。本實(shí)驗(yàn)通過將帽子溝煤業(yè)實(shí)驗(yàn)煤樣分別放置與氧氣濃度為20.9%（空氣）、10.0%和7.0%時(shí)的產(chǎn)生的氣體產(chǎn)物進(jìn)行研究，進(jìn)而得出一定得規(guī)律。

圖1 9號(hào)煤層煤樣不同氧氣濃度下氣體產(chǎn)物規(guī)律

圖2 10號(hào)煤層煤樣不同氧氣濃度下氣體產(chǎn)物規(guī)律

圖3 11號(hào)煤層煤樣不同氧氣濃度下氣體產(chǎn)物規(guī)律

（1）不同氧氣濃度下的氣體產(chǎn)物特性

9號(hào)—11號(hào)煤層煤樣實(shí)驗(yàn)煤樣在不同氧氣濃度下氣體產(chǎn)物規(guī)律分別見圖1—圖3。

9號(hào)煤層、10號(hào)煤層、11號(hào)煤層實(shí)驗(yàn)煤樣均有共同特性：從氣體產(chǎn)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(shí)，隨著氧氣濃度的下降各種氣體產(chǎn)物濃度也出現(xiàn)降低。當(dāng)氧氣濃度為20.9%時(shí)，CO、C2H4氣體的濃度增長迅速；而在氧氣濃度為10.0%時(shí)，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(shí)，整個(gè)氧化過程都未出現(xiàn)C2H2氣體，對(duì)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(xué)特性

煤的氧化熱力學(xué)特性是煤氧化的一個(gè)重要特性之一，通過煤溫度的變化直接反應(yīng)氧化反應(yīng)的進(jìn)行程度，通過收集數(shù)據(jù)可得到的曲線見圖4。

圖4 實(shí)驗(yàn)煤樣自然發(fā)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(dāng)氧氣濃度為20.9%時(shí)，煤溫有明顯的激烈氧化階段，氧氣濃度為10.0%時(shí)，也存在一小段明顯的激烈氧化階段，氧氣濃度為7.0%時(shí)，氧化過程不太明顯。因此，可以判定豹子溝煤業(yè)煤層自然發(fā)火臨界氧氣濃度為7.0%。

2.5 煤自然發(fā)火預(yù)測預(yù)報(bào)指標(biāo)體系

標(biāo)志氣體優(yōu)選工作中應(yīng)拋棄過去相當(dāng)長時(shí)間采用的單純使用CO及其派生指標(biāo)的片面觀念。應(yīng)當(dāng)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(biāo)的可能性，并增加這些標(biāo)志氣體的預(yù)測預(yù)報(bào)指標(biāo)作為綜合指標(biāo)對(duì)煤自然發(fā)火的不同階段及其發(fā)展態(tài)勢進(jìn)行預(yù)測預(yù)報(bào)。

2.6 防滅火措施

提高員工安全意識(shí)，避免煤層自燃帶來的災(zāi)害和損失，做好日常防滅火工作。如根據(jù)標(biāo)志性氣樣顯示煤層有自然氧化傾向，應(yīng)該加強(qiáng)漏風(fēng)監(jiān)測，對(duì)漏風(fēng)通道進(jìn)行加固、堵漏，實(shí)施采空區(qū)連續(xù)注氮和高溫點(diǎn)鉆孔注漿并重的防滅火措施。

3 工程實(shí)踐

在10101采煤工作面進(jìn)、回風(fēng)巷方向布置束管監(jiān)測點(diǎn)，測點(diǎn)間距20 m。隨著工作面的推進(jìn)，束管依次進(jìn)入采空區(qū)自燃三帶“散熱帶”、“氧化帶”與“窒息帶”，同時(shí)監(jiān)測采空區(qū)各種氣體參數(shù)變化。分析可知： 各測點(diǎn)在距工作面27.2～74.5 m處，CO氣體濃度都出現(xiàn)先上升后下降的過程，說明在此處附近有自熱氧化的發(fā)生； 各測點(diǎn)在工作面的推進(jìn)過程中，溫度都低于21℃，說明工作面采空區(qū)壓實(shí)條件較好，保證了工作面及采空區(qū)的安全穩(wěn)定。

4 結(jié)語

通過對(duì)豹子溝煤業(yè)10101工作面中9、10、11號(hào)煤層煤樣實(shí)驗(yàn)和分析，可以得到如下結(jié)論：

1）煤層自然發(fā)火經(jīng)歷三個(gè)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(gè)不同階段對(duì)應(yīng)氣體產(chǎn)物CO、C2H4（乙烯）和C3H6（丙烯）、C2H2（乙炔）等可以作為預(yù)測煤層自然發(fā)火的標(biāo)志性氣體。

2）CO可以在煤氧化升溫到38℃～193℃范圍內(nèi)作為預(yù)測預(yù)報(bào)煤自然發(fā)火的指標(biāo)氣體，C2H4和C3H6氣體可以在煤氧化升溫到225℃左右和275℃左右時(shí)作為預(yù)測煤層自然發(fā)火的指標(biāo)氣體，C2H2氣體可以在317℃～419℃左右范圍內(nèi)作為預(yù)測煤層自然發(fā)火的指標(biāo)氣體。

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