韓家灣煤礦煤自燃多級(jí)預(yù)警指標(biāo)體系構(gòu)建

白銘波，霍軍鵬，馮澤偉，金 彥，李慧剛

(1.陜西陜北礦業(yè)韓家灣煤炭有限公司，陜西 神木 719000；2.西安科技大學(xué) 安全科學(xué)與工程學(xué)院，陜西 西安 710054)

0 引言

礦井煤自燃是井下主要煤火災(zāi)害之一，也是礦井瓦斯/煤塵爆炸等次生災(zāi)害的重要誘因，極大地威脅著煤炭的安全回采和人員生命安全[1-2]。近年來，隨著科技的進(jìn)步和裝備的更新?lián)Q代，煤自燃引起的事故逐年減少，但是，我國煤火災(zāi)害防治形勢(shì)依然嚴(yán)峻，井下采煤人員的生命安全一直受到嚴(yán)重的威脅。井下煤自燃隱患防控的工作中，煤自燃預(yù)警是很重要的一環(huán)，預(yù)警指標(biāo)的確定至關(guān)重要[3]。

煤自燃是復(fù)雜的氧化過程，不同的氧化階段煤自燃釋放的氣體、產(chǎn)生的熱量不同[4]。因此，通過煤自燃?xì)怏w產(chǎn)生規(guī)律與溫度特征的對(duì)應(yīng)關(guān)系，針對(duì)煤氧復(fù)合反應(yīng)過程當(dāng)中的特征溫度點(diǎn)位進(jìn)行發(fā)火進(jìn)程預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)，國內(nèi)外做了大量的研究。例如，王福生等[5]通過分析煤自燃氧化過程中各指標(biāo)氣體隨溫度的變化規(guī)律，基于灰色關(guān)聯(lián)分析法，確定了煤自燃不同階段指標(biāo)預(yù)報(bào)優(yōu)先級(jí)；王婭等[6]對(duì)比同一溫度范圍內(nèi)氣體指標(biāo)產(chǎn)生濃度受煤種結(jié)構(gòu)影響的因素，建立了煤自燃預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)指標(biāo)氣體體系；安幫等[7]利用復(fù)合指標(biāo)氣體確定煤由快速氧化到自燃的關(guān)鍵時(shí)期；肖旸等[8]憑借15 t特大型煤自然發(fā)火試驗(yàn)平臺(tái)研究煤自燃過程中相應(yīng)的指標(biāo)氣體，確定了各級(jí)特征溫度波動(dòng)范圍內(nèi)的煤自燃指標(biāo)氣體參數(shù)特征規(guī)律；鄧軍等[9]通過分析煤自燃氧化、熱解階段內(nèi)的氣體指標(biāo)產(chǎn)生規(guī)律，將多參數(shù)指標(biāo)和氣體指標(biāo)優(yōu)選結(jié)合，建立指標(biāo)體系；費(fèi)金彪[10]采用大型煤自然發(fā)火試驗(yàn)、程序升溫試驗(yàn)和熱重分析的研究手段優(yōu)選了6個(gè)煤自燃指標(biāo)，確定了煤自燃分級(jí)預(yù)警方法；譚波等[11]根據(jù)煤自燃過程的氣體產(chǎn)物隨溫度的變化，將煤低溫階段劃分為潛伏、儲(chǔ)熱、蒸發(fā)、活躍和乏氧5個(gè)階段；文虎等[12-13]研究出煤溫30～140 ℃對(duì)應(yīng)的預(yù)測(cè)氣體是CO2，煤溫140～200 ℃對(duì)應(yīng)的預(yù)測(cè)氣體是CH4，煤溫200～270 ℃對(duì)應(yīng)的預(yù)測(cè)氣體是CO；疏義國等[15]針對(duì)侏羅系及石炭二疊系煤層，將CO、O2、ΔCO/ΔO2、C2H6、C2H4作為自然發(fā)火的氣體指標(biāo)。可見，確定煤自燃預(yù)警指標(biāo)的方法較為成熟，但針對(duì)煤自燃分級(jí)預(yù)警指標(biāo)研究較少，煤自燃階段劃分溫度和氣體閾值不明確，且難以實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)確分級(jí)預(yù)警。

韓家灣煤礦主要開采2-2、3-1與4-2號(hào)煤層，各煤層開采冒落帶高度基本影響上覆主要開采煤層，煤層間容易形成漏風(fēng)通道，對(duì)煤自燃監(jiān)測(cè)預(yù)警造成很大的障礙。為此，在確定煤自燃指標(biāo)氣體的過程中，需要考慮各煤層氧化過程中的氣體，同時(shí)，綜合分析試驗(yàn)過程中煤自燃指標(biāo)氣體隨煤溫的波動(dòng)規(guī)律，建立相應(yīng)的煤自燃過程分級(jí)預(yù)警，對(duì)淺埋煤層群開采的煤自燃預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)具有重要意義。

1 煤自燃程序升溫試驗(yàn)

通過采集現(xiàn)場(chǎng)新鮮煤樣篩分組合為試驗(yàn)煤樣，利用程序升溫箱進(jìn)行真實(shí)蓄熱環(huán)境模擬，進(jìn)一步研究韓家灣煤礦各煤層在實(shí)際自然發(fā)火過程當(dāng)中的氣體生成規(guī)律。

1.1 試驗(yàn)裝置

試驗(yàn)裝置如圖1所示。設(shè)備主體為直徑10 cm的鋼管篩組煤，上下兩端分別留有自由空間使通氣均勻，然后將1 kg重組煤樣置于油浴程序控溫箱內(nèi)加熱試驗(yàn)，并送入預(yù)熱空氣，采集不同煤溫時(shí)產(chǎn)生的特征指標(biāo)氣體濃度數(shù)據(jù)。在溫度達(dá)到不同預(yù)設(shè)值后，加熱系統(tǒng)停止，裝置自動(dòng)循環(huán)降溫。

圖1 程序升溫試驗(yàn)裝置Fig.1 Temperature programmed test device

1.2 試驗(yàn)過程

試驗(yàn)采用韓家灣2-2、3-1、4-2煤層煤樣分別編號(hào)1#、2#、3#。每組中破碎并篩分出粒度為：0～0.9 mm、0.9～3 mm、3～5 mm、5～7 mm和7～10 mm的5種粒徑，各200 g混合成1 kg試驗(yàn)煤樣。試驗(yàn)時(shí)通入空氣流量120 mL/min，將煤樣放入程序升溫箱的左右兩邊同時(shí)升溫，升溫速率0.3 ℃/min，空氣氣體流量120 mL/min，升溫溫度范圍30～170 ℃，溫度每升高10 ℃取一次氣體，并使用氣相色譜儀進(jìn)行分析。

2 試驗(yàn)結(jié)果及煤自燃指標(biāo)氣體分析

根據(jù)煤氧復(fù)合理論，不同階段內(nèi)的煤自燃主體反應(yīng)不同，可根據(jù)各類指標(biāo)氣體產(chǎn)生、波動(dòng)趨勢(shì)，將指標(biāo)氣體分為氧化氣體和熱解氣體2類，即氧化氣體CO和CO2，熱解氣體CH4、C2H6、C3H8、C2H4。氧化產(chǎn)物比熱解產(chǎn)物更易受風(fēng)量和環(huán)境因素的影響。考慮到煤自燃預(yù)警的指標(biāo)氣體應(yīng)具有靈敏性、規(guī)律性、可測(cè)性的特點(diǎn)[16]，重點(diǎn)分析CO濃度、C2H6、C2H4濃度以及ΔCO/ΔO2來預(yù)測(cè)煤自燃階段。

2.1 CO體積分?jǐn)?shù)

1#、2#和3#煤樣在煤自燃過程中CO隨溫度的變化規(guī)律，如圖2所示。CO是煤氧化產(chǎn)生的氣體，煤溫升高過程中其濃度靈敏上升，CO濃度隨溫度的變化均呈現(xiàn)指數(shù)增長的趨勢(shì)，煤樣前期(煤溫小于70 ℃)CO濃度增大速率均較慢，在65 ℃之前煤樣處于低溫階段時(shí)CO濃度曲線趨勢(shì)平緩其生成量較小，在高溫階段即溫度大于65 ℃時(shí)曲線顯著上升，CO濃度明顯增大，據(jù)此可認(rèn)為煤樣復(fù)合反應(yīng)的臨界溫度為65 ℃。

圖2 CO體積分?jǐn)?shù)曲線Fig.2 CO volume fraction curve

2.2 C2H4、C2H6及C2H4/C2H6值

C2H4和C2H6體積分?jǐn)?shù)變化曲線，如圖3、4所示。可以看出，在煤溫達(dá)到100 ℃之前煤樣無C2H6和C2H4氣體，煤溫100 ℃左右時(shí)出現(xiàn)并隨著煤溫升高逐漸增多。說明煤樣不含低濃度的C2H6和C2H4氣體，而隨后在高溫階段產(chǎn)生的C2H6和C2H4氣體主要是煤分子鍵斷裂產(chǎn)生的氣體，煤溫達(dá)到120 ℃時(shí)C2H6和C2H4氣體增速加快，可認(rèn)為煤樣的熱解溫度為110 ℃。煤樣的粒徑越小溫度越高，氣體的產(chǎn)生量越多、產(chǎn)生率越高。C2H4/C2H6值變化曲線，如圖5所示，可以看出，C2H4/C2H6值隨煤溫升高上下波動(dòng)，在煤溫約為130 ℃以后，各煤樣的C2H4/C2H6值出現(xiàn)極大值。

圖3 C2H6體積分?jǐn)?shù)曲線Fig.3 C2H6 volume fraction curve

圖4 C2H4體積分?jǐn)?shù)曲線 Fig.4 C2H4 volume fraction curve

圖5 C2H4/C2H6值變化曲線Fig.5 C2H4/C2H6 change curve

2.3 ΔCO/ΔO2

ΔCO/ΔO2值變化規(guī)律曲線，如圖6所示。由圖可知，各煤樣溫度在70 ℃左右時(shí)，ΔCO/ΔO2值達(dá)到極大值。由于煤樣溫度較低，煤溫從30 ℃升至70 ℃時(shí)，比值上升緩慢，煤與氧氣不完全氧化產(chǎn)生CO較少，ΔCO/ΔO2值在0.020左右。煤溫在70～120 ℃時(shí)，ΔCO/ΔO2值曲線比較平緩增速較低。當(dāng)煤溫達(dá)到70 ℃時(shí)，已經(jīng)超過了臨界溫度，煤氧反應(yīng)充分，CO產(chǎn)生量也增加，ΔCO/ΔO2值大概在0.030左右。當(dāng)煤溫大于120 ℃，此時(shí)已經(jīng)超過熱解溫度。煤樣復(fù)合反應(yīng)加快，ΔCO/ΔO2值增加速度極快，呈指數(shù)函數(shù)增加。因此，當(dāng)ΔCO/ΔO2值大于0.020時(shí)，煤溫已經(jīng)達(dá)到或高于臨界溫度；當(dāng)ΔCO/ΔO2值大于0.030左右時(shí)，煤溫超過熱解溫度，達(dá)到煤氧復(fù)合反應(yīng)活性溫度。

圖6 ΔCO/ΔO2值變化曲線Fig.6 ΔCO/ΔO2 change curve

2.4 煤自燃分級(jí)預(yù)警

根據(jù)韓家灣煤礦煤自燃程序升溫試驗(yàn)數(shù)據(jù)和指標(biāo)氣體研究成果，量化指標(biāo)氣體參數(shù)與煤溫的對(duì)應(yīng)關(guān)系，為指導(dǎo)韓家灣煤礦煤自燃防控工作，考慮現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況，將煤自燃隱患分為三級(jí)預(yù)警，其中一級(jí)最低，預(yù)警煤溫為常溫至50 ℃，二級(jí)預(yù)警煤溫為50～130 ℃，三級(jí)預(yù)警煤溫為大于130 ℃，具體見表1。

表1 煤自燃分級(jí)預(yù)警模型Table 1 Hierarchical early warning model of coal spontaneous combustion

3 結(jié)論

(1)韓家灣煤礦煤樣在低溫階段產(chǎn)生的氧化產(chǎn)物和熱解產(chǎn)物較多，CO、C2H6、C2H4、C2H4/C2H6、ΔCO/ΔO2隨著煤溫而呈現(xiàn)規(guī)律性變化。

(2)以CO、ΔCO/ΔO2、C2H4作為煤自燃預(yù)警的主要指標(biāo)，以C2H6、C2H4/C2H6作為輔助指標(biāo)，預(yù)警3個(gè)溫度段：常溫～50 ℃，50～130 ℃，高于130 ℃。

(3)通過建立韓家灣煤礦煤自燃的分級(jí)預(yù)警，完善了礦井的煤自燃防控體系，為煤自燃預(yù)防工作和煤自燃治理工作及時(shí)作出正確的決策提供了理論指導(dǎo)。