許疃煤礦煤炭自燃指標氣體優選與應用

駱大勇，劉 振

(1.重慶工程職業技術學院，重慶 402260； 2.淮北礦業集團許疃煤礦，安徽 亳州 233501)

在煤礦開采過程中，采空區是發生煤炭自燃最頻繁的地方，且當采空區一旦發火，往往很難被隔離處理，災情難以消除[1]。目前，國內外普遍采用指標氣體檢測預測煤炭自燃，但不同的礦區、不同的煤層，甚至同一礦區不同煤層或同一煤層不同區域的指標氣體都可能存在差別。為了有效預測許疃煤礦3238工作面煤炭自燃，首先對工作面采集煤樣進行自燃傾向性測試，然后進行低溫氧化試驗測試，并對試驗過程中各種氣體出現的最早時間、生成量與溫度變化之間的規律進行分析，得出在不同的溫度階段采用不同的預報煤炭自燃的指標氣體[2-9]，以便為現場實踐應用提供理論基礎。同時，通過數值插值擬合方法，得出指標氣體體積分數與溫度之間的關系[10-12]，以期對現場的防滅火工作提供實際指導。

1 試驗測試系統及煤樣

1.1 試驗裝置

煤自燃傾向性測試采用ZRJ-1煤自燃性測定儀進行測試。試驗煤樣是在許疃煤礦3238工作面中部采集的2#煤樣。按照國家標準方法對試驗煤樣進行了工業和元素分析[13-14]。煤低溫氧化試驗采用煤自燃特性測試系統進行試驗，試驗裝置由進氣系統、自動控溫加熱系統、氣體分析系統構成，主要部件包括高壓氣瓶、穩流裝置、流量控制器、控溫爐、煤樣罐、溫度顯示和控制系統、氣相色譜儀等，其結構如圖 1 所示。

圖1 煤自燃特性試驗裝置示意圖

1.2 試驗煤樣

根據煤樣采集原則及研究需要，分別在許疃煤礦3238工作面上口(工作面風巷口)、中部(工作面開切眼中部)和下口(工作面機巷口)處各采集1袋新鮮煤樣，對應編號分別為1#、2#和3#。試驗時，首先分析煤樣采樣袋中氣體的本底氣體成分；然后剝去煤樣表層進行破碎，并篩選出不同粒徑的煤樣進行自燃傾向性鑒定和低溫氧化試驗。

2 試驗測試結果

2.1 本底氣體測試結果

首先，把采集的煤樣封裝在采樣袋中，采樣袋中預留一定的空氣，并在實驗室常溫常壓條件下靜置30 d，旨在考察許疃煤礦3238工作面煤層在常溫下的氧化特性。然后，從采樣袋中抽取氣樣進行分析，分析結果如表1所示。從表1可以看出，3種煤樣采樣袋中的氣體成分中均含有CO、C2H4、C2H6、C3H8和C2H2，由此說明許疃煤礦3238工作面煤層在常溫常壓條件下具有氧化性。

表1 采樣袋內氣體成分的本底體積分數分析

2.2 自燃傾向性測試結果

煤層自燃傾向性測試選用2#煤樣作為測試煤樣。首先，對試驗煤樣進行工業和元素分析；然后，對試驗煤樣進行自燃傾向性鑒定測試，其結果如表2 所示。由表2可知，2#煤樣的自燃傾向性等級為Ⅱ級，煤層屬自燃煤層。

表2 煤樣自燃傾向性測試結果

2.3 低溫氧化試驗結果

2.3.1 氧化氣體體積分數與溫度的關系

在進行低溫氧化試驗時，進氣O2體積分數為20.96%，流量為100 L/min，各選取粒徑為550～830 μm 的煤樣70～90 g作為試驗對象。爐膛溫度設定從20～200 ℃，升溫速率設定為2 ℃/min，每隔10 ℃測試1次，每次達到預設溫度后，恒溫運行 3 min，再進行氣樣成分分析，以此循環直至試驗結束。通過測試得出3種煤樣CO2和O2體積分數與溫度之間變化關系，以及3種氣體(CO、C2H6和C3H8)體積分數與溫度之間的關系，結果分別如圖2和圖3 所示。

圖2 3238工作面3種煤樣CO2和O2體積分數與溫度之間的變化關系

圖3 CO、C2H6和C3H8體積分數與溫度之間的變化關系

由圖2可知，當試驗溫度小于100 ℃時，3種煤樣CO2體積分數變化較緩慢；當試驗溫度達 100 ℃ 左右時，CO2體積分數開始增大，同時O2體積分數下降速度則是緩慢加快，說明煤炭還未進入急劇氧化放熱階段。

由圖3可知，工作面3種煤樣在20 ℃都出現了CO，當溫度在20～100 ℃時，CO體積分數變化雖然緩慢，但都隨溫度升高而緩慢升高；當溫度在100～200 ℃時，CO體積分數都隨著溫度的升高呈指數型迅速增大。工作面3種煤樣在50 ℃左右時，開始出現C2H6，當溫度在50～100 ℃時，C2H6體積分數隨溫度升高緩慢增大；當溫度在100～200 ℃時C2H6體積分數都隨著溫度的升高呈指數型迅速增大。工作面3種煤樣在120 ℃左右時，開始出現C3H8，當溫度在150～200 ℃時，隨著煤樣氧化的不斷進行，C3H8體積分數隨溫度升高呈指數型緩慢增大。

2.3.2 生成氧化氣體的初始溫度

齊抓共管，形成工作合力。水利部門加強對前期工作、建設管理、檢查驗收等環節的指導服務。財政部門抓好資金籌集和撥付，強化資金監管，并會同國土房管、物價、稅務、供電等部門落實政策。監察、審計部門把改造專項資金納入強農惠農資金進行重點監管，確保資金及時足額到位和使用安全。市政府督查室將此項工作作為考核內容，并定期通報督查情況。先后召開了協調會、工作會、推進會、現場會，解決出現的重大問題。通過檢查、督查、巡查和駐查等方式，全過程開展質量監督和安全監管，確保項目質量好、建得快、用得上、管得久。

通過測試得出3種煤樣在低溫氧化試驗過程中各種氣體出現的最早溫度和體積分數，如表3所示。

表3 各煤樣在試驗過程中出現各種氣體的最早溫度和體積分數

由表3可以看出，各煤樣在常溫條件下都出現了CO，進一步說明3238工作面煤層在常溫下具有氧化性。隨著煤溫的升高，煤樣氧化性逐漸增強，相繼出現C2H6、C3H8和C2H4，煤樣短時間內氧化生成C2H6、C3H8和C2H4的溫度大致分別為40、120、170 ℃。

3 試驗測試結果分析

為了提高預測結果的準確性和可靠性，本次采用多因素綜合分析法，分別進行火災系數、鏈烷比和烯烷比分析。

3.1 火災系數分析

根據 CO2、CO 及 O2體積分數變化量可按下式計算出格氏火災系數(分別為R1、R2、R3)：

式中：+Δφ(CO2)、+Δφ(CO)及-Δφ(O2)分別表示CO2、CO、O2的體積分數變化量。

由試驗數據計算出火災系數R1、R2、R3，對數據取絕對值后各系數與煤溫之間的關系如圖4所示。

圖4 各煤樣火災系數與溫度之間的關系

由圖4可知，3238工作面3種煤樣火災系數R1和R3隨溫度增加變化幅度均較大，且沒有規律，兩者均不宜作為煤自燃的判別指標。當溫度低于150 ℃時，火災系數R2隨煤溫的增高整體呈上升趨勢，但整體規律性也不強，也不宜作為煤自燃的判別指標。

3.2 鏈烷比分析

由圖5可以看出，煤溫在150 ℃之前，C2H6與CH4體積分數比值隨煤樣溫度的增高變化比較小，之后呈指數上升趨勢。煤溫在120 ℃之后，C3H8與CH4體積分數比值隨溫度增加呈指數上升趨勢，變化比較大；C3H8與C2H6體積分數比值隨溫度增高呈線性上升趨勢，變化較大。當煤樣溫度超過120 ℃時，煤樣氧化速度加快，C3H8與CH4體積分數比和C3H8與C2H6體積分數比變化特征符合煤樣拐點溫度段及之后溫度的試驗特征。

3.3 烯烷比分析

根據試驗數據繪制烯烷比隨溫度變化曲線，如圖6所示。

由圖6可知，C2H4與CH4體積分數比值開始上升的溫度約為 180 ℃，C2H4與C2H6體積分數比值和 C2H4與C3H8體積分數比值開始上升的溫度都在170 ℃左右，且當各煤樣烯烷比值開始上升后，比值都隨溫度增高呈指數上升趨勢。因此，烯烷比可以用作該工作面煤層已處于活躍氧化階段的參考指標。

4 預報指標氣體優選

基于該礦煤樣試驗結果，依據預測煤炭自燃指標氣體選擇原則，提出在不同階段以不同指標氣體來預測煤自燃[14-20]。

1)溫度在20～100 ℃時，可選擇CO作為指標氣體。通過對煤樣本底氣樣分析可知，可作為指標氣體的是 CO、C2H6、C3H8、C2H4、C2H2中的一種或幾種氣體，通過表3所示的各氣體出現最早溫度可知，C3H8、C2H4出現時溫度在120 ℃以上，而C2H2在試驗煤樣溫度達200 ℃之前沒有出現，所以這3種氣體不適合作為早期預報的指標氣體；C2H6雖然出現的最早溫度為40 ℃，但在煤樣溫度達100 ℃之前，其體積分數均未超過5×10-6，顯然現有檢測技術對CO的檢測范圍及精度遠大于C2H6。因此，溫度在20～100 ℃時，選擇CO作為早期預報的指標氣體更適合。

2)溫度在100～150 ℃時，選擇C2H6作為指標氣體。由試驗數據可知，C2H6出現的最早溫度為50 ℃左右，在50～100 ℃時，C2H6體積分數隨溫度增高變化幅度較小，當溫度在100～200 ℃時，C2H6體積分數隨溫度增高呈指數急劇上升。因C2H6的靈敏度高，準確性好，只要檢測到C2H6，便可以判定煤炭自然發火已進入了加速氧化階段。因此，溫度在100～150 ℃時，選擇C2H6作為指標氣體。

3)溫度在150 ℃以上時，選擇C3H8作為指標氣體。由試驗數據可知，只要檢測到C3H8，說明煤炭溫度已經超過120 ℃，若其體積分數持續增大，說明煤炭已進入急劇氧化階段，自燃溫度已超過150 ℃。

運用插值擬合方法，得出各指標氣體體積分數與溫度的函數關系式，見表4。

表4 指標氣體體積分數與溫度的函數關系

4)鏈烷比作為輔助指標。φ(C3H8)/φ(CH4)的比值隨煤樣溫度增高整體呈指數上升趨勢，有較好的規律性，變化特征符合煤樣拐點溫度(120 ℃)及之后溫度的試驗特征，適合作為該礦判斷煤炭自燃的輔助指標。

5 現場應用

5.1 礦井概況

許疃煤礦位于安徽省蒙城縣境內，總體為一走向近南北、向東傾斜的單斜構造。井田走向長9～12 km,傾向長3～7 km，面積為52.6 km2。礦井2004年 11月建成投產，設計生產能力300萬t/a，2020年核定生產能力為350萬t/a。主采煤層為32、71、72、82、101(許疃斷層以北)煤層，平均總厚11.12 m。礦井為煤與瓦斯突出礦井，33采區32煤-645 m以深為煤與瓦斯突出危險區，其他采區回采煤層均為非突出煤層。目前回采的32、71、72、82煤層自然發火等級均為Ⅱ類，煤塵具有爆炸性。

5.2 工作面概況

工作面位于33采區下山北翼的第四階段，工作面上區段(西)為3236工作面(已回采)，下區段(東)為32310工作面(尚未準備)，3238 綜采工作面巷道布置如圖7所示。32煤層屬于二疊系上統上石盒子組，工作面的煤層厚度1.70～3.80 m，平均2.80 m，局部含1～2層夾矸，夾矸厚0～0.8 m，煤層賦存穩定，結構較簡單。工作面煤系地層總體呈南北走向，向東傾斜的單斜構造，煤層傾角3°～30°,平均15°。煤塵爆炸指數為36.65%，有爆炸危險。煤的自燃傾向性為Ⅱ類，自然發火期為54 d。

圖7 3238 綜采工作面巷道布置示意圖

5.3 工作面防火實踐

根據煤樣試驗測試結果，優選CO作為該工作面早期預報煤炭自燃的指標氣體、C2H6作為自燃初期預報的指標氣體、C3H8和鏈烷比(φ(C3H8)/φ(CH4))作為自燃發展期預報的指標氣體。應用如下：①當檢測出CO氣體、且其濃度有穩定增大趨勢時，表示煤溫t>50 ℃；②當檢測出C2H6氣體、且其濃度有穩定上升趨勢時，表示煤溫t>120 ℃；③當檢測出C3H8氣體、且其濃度有穩定上升趨勢時，表示煤溫t>150 ℃；④當烯烷比呈穩定上升趨勢時，表示煤溫t>170 ℃。

在3238綜采工作面開采期間，在工作面回風流和鄰近層采集氣樣，并通過礦井專用色譜儀分析，氣樣中未檢測出C2H6、C2H4和C3H8等氣體。氣樣中雖檢測出有CO，但其體積分數均較低，且不穩定，分析未發現有穩步上升的趨勢，因此，可以判定該煤層沒有發生自熱(自燃)現象。此結果與現場實際吻合。

6 結論

1)通過對許疃煤礦煤樣進行低溫氧化試驗，得出溫度在20～100 ℃時，CO體積分數與溫度變化規律性較強；在100～150 ℃時，C2H6體積分數與溫度變化規律較強；在150 ℃ 以上時，C3H8體積分數與溫度變化規律較強；火災系數與溫度關系規律性不強。因此，在上述溫度區間內，分別以CO、C2H6、C3H8作為指標氣體，并以鏈烷比和烯烷比作為輔助指標。

2)基于試驗測試結果，利用插值擬合方法，得出各指標氣體體積分數與溫度的函數關系式，通過檢測煤體溫度，可以計算出CO、C2H6及C3H8的體積分數，由此可以推測采空區煤炭所處狀態，及時了解采空區煤自燃狀況。

3)將試驗測試數據與該礦現場實測統計數據相結合，可進一步對指標氣體參數進行優化修正，建立煤層自燃早期預測預報防控體系，對于有效防止煤炭自燃具有一定的指導意義。