西川煤礦4號煤層自然發火標志氣體及臨界值確定

余國猛

(江蘇徐礦能源股份有限公司江蘇礦業西川煤礦，江蘇 徐州 221131)

0 引言

目前，我國礦井煤炭開采呈現出埋藏深、地下溫度高的特點，極為容易產生煤自燃災害，控制煤自燃的方式仍以預防為主[1-3]。煤炭在自燃時，由于煤氧反應會產生如CO、CO2、C2H4、C2H6等標志性氧化產物和烴類氣體[4-6]，這些標志氣體的物化性質可以反映煤低溫氧化和燃燒的程度，故選擇關鍵的預防煤自然發火指標氣體至關重要[7-8]，找到臨界氣體濃度所對應的溫度是礦井火災防治煤自燃災害發生的有效手段之一[9]。隨著煤溫的升高，各標志氣體的生成量會發生顯著變化[10]，通過對氣體的收集可以有效避免自燃災害的發生。

西川煤礦開采煤層為4號煤層，煤層結構簡單，整體情況為小型向斜構造，工作面中部位于向斜底部。經鑒定，4號煤層自燃傾向性為Ⅰ類容易自燃煤層，煤體存在低溫易氧化等特點，采用試驗研究煤體的升溫氧化研究、工作面現場監測數據進行統計分析確定臨界溫度和可以表征自然發火的標志氣體。為做好工作面低溫氧化的內因火災防治工作，西川煤礦采用灌漿注氮等綜合防滅火措施，同時需加強束管監測方法和安全監測監控的預測預報系統[11]。由于生產速度的加快和該礦開采強度增加，自然發火期縮短，工作面配風量大，導致煤孔裂隙中風流速度加快，漏風強度增大，采空區氧化升溫帶不斷增大，導致自燃危險區域擴大；另外，由于深度的影響，地溫不斷增高，煤體的原始溫度受到煤巖層的熱傳導溫度不斷增高，耗氧速率加快，熱量不斷積累，使得獲得供風通道的煤體氧化放熱性能不斷增強，且影響指標性氣體的優選以及臨界溫度的判斷[12-13]。為響應國家政策，保證礦井持續高效的生產，提高煤自然發火防治工作水平，杜絕礦井煤自燃的發生，亟需對西川煤礦1117綜放工作面4號開采煤層優選煤自然發火標志氣體，確定分級預警指標，為礦井煤炭自燃防治提供有力的技術支撐和理論指導。

1 井田概況

華能銅川照金西川煤礦1117綜放工作面開采煤層為4號煤層，煤層結構簡單，總體形態為小型向斜構造，工作面中部位于向斜底部。工作面內煤層厚度為6.0～9.8 m，平均煤厚7.8 m，煤層厚度變化不明顯;煤層走向NE56°～NW85°，煤層傾向SE34°～SW5°，煤層傾角0°～10°，平均4°。1117綜放工作面采用“U”型全負壓通風。進風流路線為地面→副(主)斜井→井底車場(清理斜巷)→集中輔助運輸下山(集中膠帶下山)→集中輔助運輸下山延伸巷(集中膠帶輸送機下山延伸巷)→1117車場→1117運輸順槽→1117綜放工作面。回風流路線為1117綜放工作面→1117回風順槽→1117回風順槽聯絡巷→集中回風下山→回風斜井→地面。

為了防治內因火災的發生，1117綜放工作面主要采取以黃泥灌漿為主、注氮和阻化劑為輔的綜合防滅火措施，同時加強束管監測和安全監測監控的預測預報系統。井田為單一開采煤層，煤層傾角小，厚度大，煤質較硬，在煤層中布置3條南北向的集中下山，3條東西向的大巷。煤層厚度平均7.8 m，屬中厚-厚-特厚煤層。煤層夾矸1～2層，夾矸巖性多為泥巖，次為炭質泥巖和泥質粉砂巖，屬結構簡單煤層。經鑒定，煤炭自燃傾向性等級鑒定為I類容易自燃煤層。

2 發火標志氣體試驗

2.1 試驗裝置

采用ZRDⅡ型煤自燃特性測定裝置，聯用氣相色譜分析儀進行測試得到煤自然發火標志氣體與溫度的關系，從而按照行業標準優選煤自然發火標志，測試裝置由溫度控制器，電熱爐及樣品管、色譜儀、流量控制器、減壓閥等組成，如圖1所示。

1-高壓氣瓶；2-減壓閥；3-穩壓閥；4-穩流閥；5-壓力表；6-氣阻；7-電子流量計；8-預熱銅管；9-進氣管；10-煤樣罐；11-出氣管；12-溫度傳感器；13-加熱電阻；14-風扇；15-保溫層；16-升溫箱；17-數據采集卡；18-氣相色譜分析儀；19-色譜分析工作站；20-計算機圖1 煤自然發火標志氣體測試裝置示意Fig.1 Test device for marker gas of coal spontaneous combustion

2.2 煤樣的制備

根據GB/T 4822008《煤層煤樣采取方法》的要求，確定煤樣采集地點為西川煤礦1117綜放工作面。采樣時取工作面中部塊狀煤樣5～10 kg，用保鮮膜密封保存后24 h內運至實驗室；進行測試前先將大塊煤體的外部表面氧化層剝離，取中心內部煤樣，然后對其進行破碎并用機械篩分器篩分出40～80目的顆粒50 g作為試驗煤樣，放在溫度為30 ℃的真空干燥箱中干燥72 h，煤樣工業分析見表1。

表1 工業分析

2.3 試驗條件及流程

指標氣體測試過程及程序升溫參數：恒溫溫度40 ℃，升溫速率0.8 ℃/min，終止溫度240 ℃；指標氣體測試過程試驗流量參數：室溫～35 ℃(96 mL/min)，35～70 ℃(8 mL/min)，70～240 ℃(96 mL/min)。試驗使用銅制煤樣罐，具體參數為直徑45 mm、高度100 mm；試驗所用煤樣使用電子天平稱量；稱取參數質量50±0.1 g、粒徑40～80目(0.45～0.2 mm)。每經過升溫12 min，用氣相色譜分析儀測定煤樣罐中的氣體成分及濃度，同時記錄時間和溫度。

3 結果分析

3.1 CO氣體產生規律

CO氣體是煤升溫氧化過程中出現最早的氧化氣體產物，并且貫穿于整個氧化過程中；在180 ℃以前，CO氣體產生濃度與煤溫之間表現為單調遞增的變化關系，如圖2所示，并基本符合指數關系，擬合關系式為y=0.627 3e0.067 3x，擬合優度為R=0.968 6。當煤溫超過180 ℃左右以后，這種指數關系不復存在，呈現出一種增長放緩，生成量逐漸穩定的關系。試驗中供氧量恒定，激烈氧化時耗氧量極大，致使氧氣濃度降低幅度很大，此時煤樣的CO的產生不再隨煤溫的升高而持續遞增，但在溫度升至210 ℃之前，CO產生濃度一直增大。

圖2 煤樣升溫過程中CO濃度與煤溫間關系Fig.2 Relationship between CO concentration and coal temperature during coal sample heating

因此，選取CO作為西川煤礦1117綜放工作面的煤自燃標志氣體具有可行性，但由于礦井結構復雜，內部不可控因素較多且未知，在現場應用過程中，還需要考慮1117綜放工作面的具體環境因素，根據大多煤自燃發生的地點，自燃會經常出現在采空區遺煤和破損的煤柱中，煤體的自燃一旦發生，無論是貧氧條件還是陰燃，檢測到的CO濃度與煤真實氧化反應產生之間無法明確表達，為消除進風風量對CO氣體的影響，采用CO氣體濃度指數等派生指標。

3.2 CxHy類氣體分析與優選

乙烯氣體C2H4為煤自燃發生時產生的有機烴類氣體，由圖3可以看出，其出現溫度為110 ℃左右，隨后濃度快速增大，呈現出隨煤溫的升高逐漸增大后呈指數型快速增高。經過GC氣象色譜儀對測試煤樣升溫氧化過程中氣體的分析，可以得到烷烴類的氣體有CH4、C2H6、C3H8，氣體隨溫度變化趨勢如圖4所示。CH4在煤溫達到50 ℃時少量出現，當煤溫達到157 ℃后濃度快速增大；C2H6在煤溫達到90 ℃時出現，濃度隨煤溫逐漸增加；C3H8初始出現溫度在60～70 ℃之間，隨后其濃度迅速增大，在174～180 ℃間達到最大，隨后快速減少。

圖3 煤樣升溫氧化過程中烯烴濃度變化曲線Fig.3 Variation curve of olefin concentration in coal sample during temperature rise oxidation

圖4 煤樣升溫氧化過程中烷烴濃度變化曲線Fig.4 Variation curve of alkane concentration in coal sample during temperature rise oxidation

C2H4氣體其臨界溫度在110 ℃左右，在時間和溫度上出現一個明顯的差值，相比CO氣體更為準確，特征性更高。C2H4出現以后，表示煤樣進入加速氧化階段。在157～210 ℃之間增速極快，在210 ℃出現峰值，之后濃度減小。因此，礦井在進行煤自然發火相關的工作當中，需要特別注意烯烴類氣體出現時的濃度和溫度等相關參數變化，在檢測到C2H4出現則煤溫已經達到110 ℃，C2H4濃度達到峰值代表煤溫已經達到210 ℃左右，有機氣體的產生對礦井防滅火工作的預測預報有重要的意義。但是，乙烯氣體相對檢測到的溫度及時間會比CO氣體靠后，在較高溫度使用乙烯氣體才可以說明自燃發生的情況，這時煤溫已經很高，所以在選擇烯烴類氣體作為煤自然發火的指標氣體時需慎重考慮。

3.3 煤自然發火氣體比率

煤自燃標志氣體是與井下空氣含量有差別的、以一種準確便捷的方式去預測判斷煤自燃的程度或其比值等參數。在自然發火預測預報中，根據各標志氣體在煤升溫過程中氣體濃度隨溫度的變化規律、不同氣體之間的比值等方法來推斷煤自然發火所處的狀態和發展趨勢，對井下煤體氧化程度以及自然發熱情況進行預測防控。

C2H4/C2H6比值與煤溫的關系：C2H4/C2H6比值與煤溫之間的關系如圖5所示，由圖可看出，C2H4/C2H6比值呈曲折的變化規律，由于該指標只有C2H4出現后才能應用，因此使用時應慎重考慮C2H4臨界溫度以前的自然發火狀態。同時該指標在煤溫達到210 ℃之前隨煤溫逐漸變大，且在157 ℃之后增速明顯變快，在煤溫達到210 ℃時達到最大，之后C2H4/C2H6比值曲線略有降低；在礦井中檢測到該指標快速變大，則代表煤溫已經超過157 ℃，煤進入快速氧化階段；檢測到該指標達到峰值則代表煤溫已經超過210 ℃；但在未檢測到該指標及220 ℃之后其與煤溫變化趨勢不明，因此對該指標也應慎重分析。

圖5 試驗煤樣自然發火過程中的C2H4/C2H6Fig.5 Changes of C2H4/C2H6 during spontaneous combustion of coal samples

鏈烷比主要包括2類：一類是長鏈烷烴氣體與甲烷的比值(C2H6/CH4、C3H8/CH4、C4H10/CH4)；另一類是長鏈的烷烴氣體與乙烷的比值(C3H8/C2H6、C4H10/C2H6)。鏈烷比隨煤溫的變化曲線有類似于上述烯烷比的情況，但此處不進行C4H10/CH4與C4H10/C2H6的比值分析，其他比值變化規律如圖6所示。可以看出，鏈烷比值變化同樣表現出一定的規律性，但CH4絕大部分來源于煤吸附CH4的涌出，煤氧化所產生的CH4僅占極小的部分，即在實際生產過程中，很容易受到采掘工作、落煤時間的影響。因此，C2H6/CH4、C3H8/CH4指標不適合作為煤自燃的標志氣體指標。圖6中C3H8/C2H6隨溫度的上升比值在110 ℃前不斷變大，在110 ℃之后快速變小，表現出較好的規律性，可作為輔助性指標。

圖6 試驗煤樣自然發火過程中氣體產物鏈烷比Fig.6 Alkane ratio during spontaneous combustion of coal samples

4 現場測試及防控

4.1 現場測試

2020年6月20日—2020年7月30日，對1117工作面進行了40余天現場觀測，觀測期間未發現乙烯和乙炔氣體，同時統計了采空區、工作面、回風巷、回風上隅角氣體濃度變化情況，如圖7所示。采集的19個氣樣中CO濃度最低值為2.317×10-5，最大值為5.946×10-5，CO濃度整體呈現下降趨勢，測得19個氣樣CO濃度均未超過2.4×10-5，可以取2.4×10-5作為回風隅角CO濃度的臨界值；經過30余天的觀測，采空區內(距工作面距離9～56 m)CO濃度最高未超過2×10-4，可將2×10-4作為采空區的CO濃度臨界值。正常回采階段采集氣樣中CO濃度均符合未超過2.4×10-5的規定，其中CO濃度值最大為2.290×10-5。回風巷內CO濃度較低，測得19個氣樣CO濃度最大值為9.05×10-6，最小值為7.6×10-7。

圖7 CO濃度變化情況Fig.7 Change of CO concentration

4.2 采空區分級防控措施

根據前面程序升溫的溫度數據以及氣相色譜的氣體濃度分析結果，結合西川煤礦現場實際情況進行綜合分析，得到1117煤層應該首選CO作為其煤自然發火主要標志氣體，而C2H4氣體的出現視為進入加速氧化階段的標志，相比CO的濃度較高時才出現規律性的變化，C3H8/C2H6可以作為預測煤自燃的輔助指標，根據以上試驗數據變化規律以及現場實測數據特征，將煤自燃低溫氧化過程分為3個階段，同時提出相應的防控措施，見表2。

表2 煤自燃低溫氧化階段劃分

結合采空區遺煤及破損煤柱等發生低溫氧化的階段特征及西川煤礦現有的防滅火技術現狀，結合1117工作面的地質情況、通風方式、采煤方法等情況，確定了不同階段的防滅火協同措施。提出了在常規時間內可加強對隅角處的漏風防控，以減少采空區的漏風量。而當出現自燃征兆時，CO濃度開始階段性大幅上升的狀態表明溫度超過70 ℃，此時可以采用間歇性注氮的方式對采空區內進行注氮作業防滅火。當遺煤自燃進程發展到加速氧化過程時，即發現有C2H4氣體時，表明溫度超過了110 ℃，此時可通過持續性注氮并噴灑阻化劑方式對采空區高溫區域進行降溫處理。而當遺煤自燃發展到劇烈氧化階段過程時，可采用大流量注氮或者灌漿防滅火方式對采空區高溫區域進行處理。

5 結論

(1)西川煤礦1117綜放工作面在進行煤自然發火預測預報時需選擇CO為指標氣體；自燃緩慢至快速氧化的標志由C2H4氣體表征。C2H4氣體的出現可以視為煤的氧化進入加速氧化階段的標志，C3H8/C2H6、C2H4/C2H6可以作為煤自然發火進程的輔助指標。

(2)通過對1117工作面、采空區(9～56 m)、回風隅角和回風巷4個測點現場采集氣樣，實驗室氣體濃度測定，并對4個測點CO和O2氣體分布規律進行了分析，正常回采期間工作面CO濃度未超過2.4×10-5，回風巷CO濃度小于1×10-5；并確定了回風隅角CO濃度臨界值為6×10-5，采空區CO濃度臨界值為2×10-4。

(3)構建了分級防控防滅火體系，提出了在采空區出現不同自燃征兆時的防滅火措施，自燃征兆初期、自燃嚴重期不同自燃階段的綜合防滅火處理技術。