發耳煤礦近距離煤層自燃預測指標研究

董小明，武瑞龍，王超群，郭睿智

（1.貴州安晟能源有限公司，貴州 貴陽 550000；2.貴州發耳煤業有限公司，貴州 六盤水 553001；3.西安科技大學安全科學與工程學院，陜西 西安 710054）

0 引 言

近距離煤層是指間距較小且受采煤活動影響較大的煤層[1]，容易在采動應力的作用下產生大量貫通裂隙，形成復雜的漏風通道[2]，增加煤自燃危險性[3]。目前，學者們對近距離煤層自燃防治做了大量工作。何敏[4]分析了近距離煤層群正壓通風礦井自然發火的規律。黎經雷等[5]通過Fluent 軟件模擬了風速對近距離煤層采空區漏風及煤自燃的影響。徐青云、王政等[6，7]研究了瓦斯抽采對近距離煤層采空區煤自燃的影響。李強等[8]采用鉆孔埋管監測了近距離煤層下分層開采過程中上分層的氣體變化規律，預測上分層采空區遺煤自燃情況。王超群等[9]采用SF6 示蹤氣體對近距離煤層群漏風規律進行研究，提出煤自燃隱患區域注水降溫等治理措施。郝宇、吳玉海等[10，11]在高瓦斯近距離煤層群易自燃工作面回撤期間，采用注氮、注漿及堵漏風等多種手段。劉云秋[12]采取封堵漏風、均壓、注漿和注氮等防滅火技術，保障了淺埋深近距離易自燃煤層群工作面安全回采。近距離煤層自燃環境復雜且相互影響，目前大多研究主要集中在漏風規律和煤自燃防治，因此，有必要通過實驗研究近距離煤層自燃預測及分級預警指標。

本文對發耳煤礦的1、3、5-2、5-3、7 和10 煤層的煤樣分別開展程序升溫實驗，研究各煤層的自燃臨界溫度、干裂溫度及氣體產物變化規律，對比分析CCO/CCO2、CCO2/CO2和CCO/CO2氣體比值，建立近距離煤層的自燃預測及分級預警指標，保障煤礦安全生產，為同類近距離煤層自燃預測提供參考與指導。

1 煤礦概況

發耳煤礦位于貴州省六盤水市水城縣南部，含煤地層大約47 層，平均總厚46.90 m。其中可采及局部可采煤層共19 層，平均總厚度為26.82 m，比較穩定的煤層平均總厚度為19.42 m。其中3 煤與5-2 煤的平均間距為8.8 m，最小間距為2.5 m。發耳煤礦具有煤層薄、間距小的特點，見表1。 6 個煤層的元素分析見表2。

表1 發耳煤礦主要煤層特征表

表2 各煤層元素分析結果

元素分析結果表明，1 煤的碳元素含量最高，5-3 煤的碳元素含量最低。

2 實驗方法及過程

2.1 煤樣制備

從發耳煤礦采集6 個煤層（1、3、5-2、5-3、7和10）的煤樣送至西安科技大學，在空氣條件下分別將實驗煤樣破碎，采用標準篩網篩取0～0.9、0.9～3 、3～5、5～7 和7～10 mm 5 種不同粒徑的煤樣各50 g 組成混合煤樣。

2.2 實驗裝置

采用西安科技大學自主研制的油浴程序升溫實驗系統，該系統由氣體供給、傳熱試驗罐、智能溫控油浴裝置、氣體采集及分析儀器5 部分組成，如圖1所示。相比于空氣浴程序升溫系統，油浴程序升溫系統的升溫速率具有較好穩定性。

圖1 油浴程序升溫實驗系統圖

2.3 實驗過程

取各煤層混合煤樣各250 g，分別裝到試驗罐進行升溫測試。煤樣初始溫度為室溫，調節空氣流量為30 ml/min，升溫速度為0.5 ℃/min，每升高10 ℃抽取出實驗氣樣，采用SP-3430 氣相色譜分析儀分析氣樣組分和濃度。

3 實驗結果及分析

3.1 氣體濃度

在程序升溫過程中，煤樣的CO 和C2H4生成量隨溫度的變化曲線如圖2、圖3 所示。

圖2 CO 濃度與溫度的關系曲線

如圖2 所示，隨著溫度升高，各煤樣的CO 氣體增加，且在70℃～80 ℃和130℃～140 ℃2 個溫度階段出現突變點。各煤樣CO 生成量與溫度的關系整體表現的大小順序為：1 煤＞3 煤＞5-2 煤＞5-3煤＞10 煤＞7 煤。如圖3 所示，在110 ℃之前，煤樣均未出現C2H4氣體。隨著溫度升高，1、3、5-3 和7煤在110 ℃出現C2H4氣體，5-2 煤和10 煤分別在120 ℃和140 ℃出現C2H4氣體，但整個升溫過程中C2H4生成量較小。C2H4氣體可作為煤裂解反應的標志性氣體產物。

圖3 C2H4 濃度與溫度的關系曲線

3.2 耗氧速率

耗氧速率能夠表征煤氧化性強弱。根據化學動力學及化學平衡理論，由耗氧速率與氧氣濃度成正比，可推導出爐內耗氧速率V0（T）為[13]：

式中，Q為供氣量，cm3/s;S為爐體供風面積，cm2；n為煤樣孔隙率；l為煤樣高度，cm；C0為進氣口氧氣濃度，mol/cm3；C1為出氣口氧氣濃度，mol/cm3。

根據公式（1），計算得到各煤樣耗氧速率隨溫度變化的曲線，如圖4 所示。

圖4 耗氧速率與溫度的關系曲線

從圖4 可知，煤樣的耗氧速率均隨溫度的升高而升高，在70℃～80 ℃以前，耗氧速率較小，且曲線變化平緩。在130℃～140 ℃以后，耗氧速率急劇增大，具有明顯的階段性特征。說明在此溫度后，煤氧復合反應加快。各煤層煤樣的耗氧速率與溫度的大小關系整體表現為：1 煤＞5-2 煤＞3 煤＞5-3 煤＞7煤＞10 煤。

3.3 氣體產生率

CO 和CO2產生速率可表征煤氧復合作用的劇烈程度。根據流體流動和傳質理論，由方程（1）推導出CO 和CO2生產率表達式，如式（2）、（3）所示[14]：

式中，VCO（T）和VCO2（T）為CO 和CO2的產生率，mol·cm-3·s-1；C1CO和C1CO2為進氣口處的CO 和CO2濃度，mol·cm-3·s-1；C2CO和C2CO2為進氣口處的CO 和CO2濃度，mol·cm-3·s-1。

煤樣的CO 產生率與溫度的關系曲線如圖5 所示，CO2產生率與溫度的關系曲線如圖6 所示。

圖5 CO 產生率與溫度的關系曲線

圖6 CO2 產生率與溫度的關系曲線

從圖5 可知，隨著溫度升高，CO 產生率整體表現出單調遞增且增速變大的趨勢。在70℃～80 ℃之前，CO 產生率隨溫度升高的速度較慢。在130℃～140 ℃范圍內，CO 產生率隨溫度升高的增速加快。1、3 和5-2 煤的CO 產生率均較大。由圖6 可知，隨著溫度的升高，CO2產生率整體表現出單調遞增且增速變大的趨勢。

3.4 放熱強度

煤氧復合作用釋放的熱量是煤自燃的主要熱源，放熱強度是其重要指標。實際的放熱強度在最大值和最小值之間，如方程式（4）和（5）所示：

式中，qmax（T）和qmin（T）分別是最大和最小放熱速率，J/cm3·s；V0CO（T）和V0CO2（T）分別是標準CO 和CO2產生率，mol·cm-3·s-1；ΔHCO2和ΔHCO分別是CO2與CO的反應熱，kJ/mol；=58.8 kJ/mol。

由化學鍵能守恒估算法，測算出煤氧化過程中的最大和最小放熱強度隨溫度的變化如圖7 所示。

圖7 煤樣放熱強度與溫度的關系曲線

從圖7 可知，煤樣在升溫過程前期的放熱強度變化緩慢，70℃～80 ℃開始明顯升高，130℃～140℃出現顯著升高。1、3、5-2 煤的最大和最小放熱強度均較大。通過對氣體生成量、耗氧速率和氣體產生率等分析，得到各煤樣的臨界溫度為70℃～80 ℃，干裂溫度為130℃～140 ℃，以此將氧化過程大致分為3 個階段：緩慢氧化、加速氧化與劇烈氧化階段。

3.5 氣體比值分析

為消除實驗條件帶來的誤差，對CCO/CCO2、CCO2/CO2和CCO/CO2氣體比值進行分析，氣體比值隨溫度的變化規律如圖8 所示。

圖8 氣體比值隨溫度的變化曲線

根據煤樣的臨界溫度和干裂溫度范圍，分別選擇70℃和140 ℃為例，對其CCO/CCO2、CCO2/CO2和CCO/CO2氣體比值進行對比分析，見表3。

表3 CCO/CCO2、CCO2/CO2 和CCO/CO2 氣體比值表

如圖8 和表3 所示，當煤樣溫度達到70 ℃時，煤樣緩慢氧化到加速氧化階段的臨界指標為氣體比值為0.008～0.021，CCO2/CO2氣體比值為107.01～345.33，CCO/CO2氣體比值為1.66～6.34。當煤樣溫度達到140 ℃時，煤樣加速氧化到劇烈氧化階段的臨界指標為CCO/CCO2氣體比值為0.083～0.186，CCO2/CO2氣 體 比 值 為492.5 ～726.9，CCO/CO2氣 體 比 值 為47.42～130.44。以上氣體比值可作為不同溫度階段各煤層的煤自燃分級預警指標，可提高發耳煤礦近距離煤層自燃預測的準確性和靈敏度。

4 結 論

1）發耳煤礦近距離煤層的自燃臨界溫度范圍為70～80 ℃，干裂溫度范圍為130℃～140 ℃，以此把煤自燃氧化過程劃分為緩慢氧化、加速氧化和劇烈氧化3 個階段。

2）各煤樣的CO 生成量與溫度的大小關系整體表現為：1 煤＞3 煤＞5-2 煤＞5-3 煤＞10 煤＞7 煤，CO 氣體可作為發耳煤礦的煤自燃主要指標。在110℃之前，煤樣均未出現C2H4氣體。隨著溫度升高，1、3、5-3 和7 煤在110 ℃出現C2H4氣體，5-2 煤和10煤分別在120 ℃和140 ℃出現C2H4氣體，C2H4氣體可作為發耳煤礦的煤自燃輔助指標。

3）當溫度達到70 ℃時，煤樣緩慢氧化到加速氧化階段的臨界指標為CCO/CCO2氣體比值為0.008～0.021，CCO/CO2氣體比值為107.01～345.33，氣體比值為1.66～6.34。當煤樣溫度達到140 ℃時，煤樣加速氧化到劇烈氧化階段的臨界指標為C～/CCO2氣體比值為0.083～0.186，CCO2/CO2氣體比值為492.5～726.9，CCO/CO2氣體比值為47.42～130.44。