黃陵二礦煤自燃預測預報指標氣體分析試驗

黃興利

(陜西黃陵二號煤礦有限公司，陜西 延安 727307)

0 引言

煤炭自然火災是礦井安全生產的主要災害之一[1]。礦井火災不僅威脅礦井安全生產，同時也有可能導致煤塵、瓦斯爆炸等一系列礦井災害，因此，礦井火災預測預報研究尤為重要。目前，主要的煤自燃早期預測方法是指標氣體分析法[2-3]。朱建國等[4]分析5種不同含水率長焰煤的自然氧化產生的氣體種類及濃度變化，最后優選了煤自燃指標氣體；疏義國等[5]采用自然發火試驗方法研究侏羅紀及石炭二疊系含煤地層煤樣，優選了CO、O2、C2H4、C2H6等作為自然發火的氣體指標；王福生等[6]利用程序升溫—氣相色譜聯用試驗對東歡坨礦不同煤層進行研究，分析各煤樣自然氧化過程中各指標氣體隨溫度變化規律，優選出各煤層煤自燃不同階段適用的預測指標；王凱等[7]以杭來灣煤礦3號煤層為研究對象，對不同粒徑的煤樣進行氧化升溫試驗，最終得出CCO/CCO2與ΔCO/ΔO2為煤自燃進入加速氧化與劇烈氧化的臨界判別指標。為此，通過大型煤自然發火試驗，檢測分析黃陵二礦煤自然氧化過程中各時刻的氣體種類及含量，進而確定黃陵二礦煤自燃預測預報指標性氣體。

1 試驗

1.1 試驗裝置

為營造實際開采過程中煤自燃所需條件，結合現場情況，采用XK-Ⅶ大型煤自然發火試驗臺[8]。該試驗臺由3部分組成，分別包括爐體、氣路和控制檢測。爐體最大裝煤高度200 cm，內徑120 cm，總裝煤量約2 t，爐內布置了131個測溫探頭和40個氣體采樣點，試驗裝置的結構如圖1所示。

圖1 試驗裝置示意Fig.1 Schematic diagram of test device

1.2 試驗過程

從黃陵二號煤礦采煤工作面采集煤樣2 t，通過鄂式破碎機將煤破碎至合適粒徑，裝入試驗爐，靜置48 h后，預先通入干空氣，然后開始試驗。實時掌握爐內溫度、風量等參數，定時從取氣口取氣，并檢測氣體成分。整個試驗過程中，爐內煤溫從30.2 ℃升至170 ℃，共歷時54 d。

2 試驗結果分析

2.1 試驗溫度分析

2.1.1 最高溫度點溫度

煤樣在試驗臺內自然升溫的過程中，煤體溫度的影響因素很多，其中包括試驗臺的供風量、漏風強度，煤體自身的散熱量以及煤的特性。煤溫與各指標的關系如圖2～4所示，其中利用Excel軟件擬合了多項式曲線方程，擬合精度R2為0.981 5。

圖2 煤樣自燃過程中最高溫度點溫度隨時間變化關系Fig.2 Relationship between maximum temperature and time during coal spontaneous combustion

圖3 溫度變化率與煤溫和供風量的關系曲線Fig.3 Relationship of temperature change rate with coal temperature and air supply

圖4 溫度變化率與升溫時間和供風量的關系曲線Fig.4 Relationship of temperature change rate with heating time and air supply

2.1.2 升溫速率

試驗初始階段煤樣氧化升溫速度較慢，試驗開始0～20 d，煤體溫度以一緩慢速度上升，當試驗超過22 d后，煤體溫度達到69.3 ℃，由于前期煤體溫度不斷上升，致使煤樣氧化速度加快，煤樣溫度不斷上升，且溫度上升速率有所加快，此時的煤體即為臨界溫度。隨著煤體氧化速度加快，煤溫上升隨之加快，當試驗進行34 d后，煤溫達105.6 ℃，煤溫變化率有了進一步的提升，煤體氧化速率隨煤溫升高而加速，此時的煤溫即為干裂溫度。試驗進行至45 d時，煤溫達到140.9 ℃，煤樣升溫速率上升了一個階級，溫度變化率出現驟增，此時的溫度即為裂變溫度。

2.1.3 供風量

根據試驗臺的測溫探頭監測結果可以看出，爐體內部的溫度至高點的總體趨勢為由中至下，即從爐內煤樣的中部向下移動。由于試驗爐內下部煤樣的孔隙率相對較大，而中部煤樣的孔隙率較小，從而可以得出煤溫的移動規律是由孔隙率小處至孔隙率大處，試驗爐下部為進風處，所以煤溫升高點亦向進風側移動。煤體溫度上升至臨界溫度之前，煤溫的增速隨風量的增加而降低，這是由于前期煤溫較低，氧化速度較慢，較大的風量會帶走少量煤體溫度，導致煤溫增速緩慢；當煤體溫度緩慢增加至某溫度時，由于煤體溫度較高，煤體氧化速度較快，所以所需風量較大，這時增加風量會使煤體氧化速度加快，煤溫增速隨風量的增加而變大。根據現場實例，一旦采空區發生自燃災害，增加工作面的供風量將減短著火時間，減少風量，自燃趨勢明顯受到抑制。

2.2 單一指標氣體分析

2.2.1 變化曲線

煤在自燃過程中會產生CO、CO2、CH4、C2H2、C2H4、C2H6、C3H8等氣體[9]，考慮氣體的靈敏性、規律性和易檢測性[10]，目前有4種比較常用的指標性氣體，分別為CO、CH4、C2H4、C2H6。黃陵二礦工作面煤自燃單一指標氣體濃度隨煤溫變化曲線如圖5、6所示。

圖5 黃陵煤自然升溫過程中氣體濃度與煤溫的關系曲線Fig.5 Relationship between gas concentration and coal temperature during natural heating of coal

圖6 黃陵煤自然升溫過程中氣體濃度與煤溫的關系曲線Fig.6 Relationship between gas concentration and coal temperature during natural heating of coal

2.2.2 CO變化分析

從圖5中可以看出，在煤樣氧化過程中，CO是表現比較靈敏的指標性氣體，在試驗開始階段就有一定量CO出現，CO濃度隨煤溫升高呈增長趨勢，且增長速率有明顯的變化節點。煤溫在60～70 ℃(即臨界溫度)時，CO的增長速率明顯加快，此時的煤正處于加速氧化階段，所以產生的CO明顯變多；煤溫在100～110 ℃(即干裂溫度)時，由于煤與氧氣發生強烈的氧化作用，同時產生大量的CO，使得CO變化曲線變陡。在現場，當發現CO濃度達到6×10-5～7×10-5時，說明煤與氧氣正加速進行氧化作用，煤溫已達到臨界溫度；當檢測到CO濃度達到1.2×10-4～1.3×10-4且CO產生速率明顯加快時，說明煤與氧氣正處于強烈氧化階段，煤溫已達到干裂溫度。因CO的規律性及敏感性，可選用CO作為黃陵二礦煤自然發火預測指標性氣體。

2.2.3 CH4變化分析

由于黃陵二礦屬于高瓦斯礦井，CH4在煤體升溫初始階段就出現，而且在整個試驗過程中都存在。在試驗起初，CH4隨煤溫的上升稍有增長，后呈下降趨勢，原因是起初煤體中的大量游離CH4釋放，致使試驗開始時CH4濃度較高，隨溫度升高，游離CH4脫附殆盡，導致CH4濃度降低，煤體溫度升高至干裂溫度后，開始進入快速氧化階段，此時煤體中大分子支鏈發生斷裂產生CH4，所以試驗后期仍有CH4的存在。由于黃陵二礦屬于高瓦斯礦井，CH4在整個過程中總體呈現下降趨勢，無法根據CH4濃度變化而判定煤體溫度，也很難確定現場產生CH4的具體來源，因此CH4不可作為黃陵二礦煤自燃指標性氣體。

2.2.4 C2H4及C2H6變化分析

在試驗進行至煤溫100 ℃之前沒有產生C2H4氣體，當煤溫達110 ℃左右時，即達到干裂溫度，煤體氧化過程中產生了一定量的C2H4氣體，隨著煤樣溫度不斷上升，C2H4濃度總體呈指數上升趨勢，且上升過程呈階段性變化。由C2H4氣體產生機理可知，產生C2H4是因為氧分子攻擊煤分子苯環側鏈上的丙烯基團[11]，說明煤氧化反應處于快速氧化階段。雖然C2H4氣體含量隨煤溫變化具有一定的規律性，但其僅產生在煤溫達到臨界溫度或干裂溫度時，故可將C2H4作為輔助指標氣體，用于預測黃陵二礦煤自燃。

試驗結果顯示，C2H6含量隨煤溫的升高呈下降趨勢，且下降過程中出現較多的波動，所以在現場檢測過程中，可能會出現同一C2H6濃度對應不同的煤溫。因此C2H6不可作為黃陵二礦煤自燃指標性氣體。

2.3 復合指標氣體分析

2.3.1 復合指標變化曲線

礦井正常生產過程中，井下實際情況復雜多變，氣體濃度檢測容易受到干擾，因此僅靠單一氣體作為煤自燃預測預報指標氣體是不準確的[12]。為確保煤自燃預測預報的準確性，選擇對復合氣體進行分析，結果如圖7所示。

圖7 煤自然升溫中各種指標氣體比值與煤溫的關系曲線Fig.7 Relationship between various index gas ratios and coal temperature in coal natural temperature rise

2.3.2 CO2/CO值

試驗初始階段即有CO2/CO值出現，其值隨煤溫升高上下波動，整體呈現下降的趨勢。煤體升溫的整個過程中，CO2/CO值均存在波動現象，即同一比值存在多個煤溫與之對應，所以CO2/CO值不可作為黃陵二礦煤自燃預測預報指標性氣體。

2.3.3 CH4/C2H6值

CH4/C2H6值隨煤溫的升高整體呈先變小后增大的趨勢。煤體溫度上升至105℃(即干裂溫度)之前，CH4/C2H6值隨煤體溫度的升高而呈減小趨勢，從試驗開始時的2.7降低至0.4。煤溫超過105 ℃后，CH4/C2H6值隨煤體溫度的升高而呈增大趨勢，從0.4增至0.8。雖然CH4/C2H6值先變小后增大，但其轉折點煤溫在干裂溫度附近，所以可以作為黃陵二礦煤自燃預測預報輔助指標氣體。

2.3.4 烷烯比

鏈烷比是研究煤體自燃標志性氣體的重要依據之一。烷烯比(C2H4/C2H6)在110.4 ℃后隨溫度呈指數規律迅速增加，由0.04增至0.28。由于烷烯比出現是在110.4 ℃，即干裂溫度時，所以當出現烷烯比時，表明煤溫已達到干裂溫度。所以烷烯比可作為黃陵二礦煤自燃預測預報輔助指標氣體。

2.4 特征溫度及氣體表征

在煤炭自燃過程中，各種指標性氣體在一些溫度段會發生突變，其范圍及表征見表1。

表1 黃陵煤自然發火過程中的特征溫度及其氣體表征

3 結論

(1)黃陵二號煤礦工作面煤層自燃臨界溫度為65～75 ℃，干裂溫度為95～115 ℃，裂變溫度為130～150 ℃。

(2)黃陵二號煤礦煤層自燃預測預報可選用CO作為指標性氣體，C2H4、CH4/C2H6、烷烯比(C2H4/C2H6)可選作輔助指標氣體。

(3)利用指標性氣體進行煤自燃預測預報時，要綜合各類指標性氣體，結合現場實際情況，方可保證預測結果的準確性。