B13煤層自然發火標志氣體及臨界值確定研究

王平 WANG Ping；王永敬 WANG Yong-jing；王坤 WANG Kun

（①新疆昌吉州瑪納斯縣天欣煤業有限公司，昌吉 832200；②中煤科工集團沈陽研究院有限公司，撫順 113122；③煤礦安全技術國家重點實驗室，撫順 113122）

0 引言

《煤礦安全規程》第二百六十一條“開采容易自燃和自燃煤層時，必須開展自然發火監測工作，建立自然發火監測系統，確定煤層自然發火標志氣體及臨界值，健全自然發火預測預報及管理制度”。目前，國內學者對煤自然發火研究主要集中在自然發火標志性氣體優選，對煤發火臨界值研究甚少。鄔燦春等人以陜北地區油浸煤為研究對象，研究不同含油量煤自然發火標志氣體。王永敬利用程序升溫實驗研究3#煤層自然發火標志氣體，為綜放工作面做好自然發火分級預警。王文清等人以變質程度低的不粘煤為研究對象，通過實驗測試其在低溫條件下自然發火標志氣體。基于此，以B13煤層實驗室試驗研究與現場觀測相結合的方法，確定B13煤自然發火標志氣體及臨界值，也為礦井各項防滅火技術措施制定提供科學依據[1-4]。

1 自然發火標志氣體優選

1.1 CO氣體生成規律

CO是煤氧化最早出現的氣體產物，并貫穿整個氧化過程中；煤溫超過62℃后，CO濃度開始加速增長，且超過62℃后煤溫開始高于爐溫，說明B13煤層自然發火的臨界溫度，一旦超過62℃，煤體的升溫速度將快速增加，在215℃以前，CO產生濃度與煤溫之間表現為單一遞增的變化關系，如圖1所示，擬合關系式為y=0.028e0.0072x，擬合優度為0.998。當煤溫超過215℃后，這種指數關系不復存在，呈現出一種增長更快的關系。

1.2 烯烴氣體生成規律

在煤的吸附氣體中，沒有烯烴氣體。C2H4和C3H6氣體產生的臨界溫度分別在110℃和140℃左右，與CO氣體相比，有一個明顯的時間差和溫度差。C2H4出現，標志著煤氧化進入加速氧化階段，煤溫在超過253℃后迅速升高332℃。從氣體濃度變化上表現為出現突起的陡峰，這是煤劇烈燃燒的表征。

1.3 C2H2氣體產生規律

C2H2氣體在礦井中常作為煤自然發火的重要的標志氣體，實驗煤樣產生C2H2氣體初始溫度為330℃左右，這與C3H6相比又有一個明顯的溫度差。C2H2是煤進入燃燒階段的標志，因此，一旦出現C2H2氣體，采取措施時一定要謹慎，避免采取直接剝挖火源的辦法，以免高溫煤體引發瓦斯、煤塵爆炸事故。

1.4 烯烷比規律

C2H4/C2H6比值與煤溫之間的關系如圖3所示，該指標只有C2H4出現后方可應用，且煤溫達到最高溫度以后煤溫忽高忽低，其比值大小也呈無規則變化，因此在煤溫達到燃點以后此比值規律也應慎重分析。

1.5 鏈烷比規律

由圖4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，也就是說在實際生產過程中，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。

1.6 煤自然發火標志氣體優選

①CO作為預測預報煤自然發火的指標氣體，其預測的溫度范圍應在215℃之前。CO出現的臨界溫度較低，為27℃左右，并在整個自燃發火過程中都有CO產生，應特別加強觀測[5-8]。

②烯烴氣體C2H4和C3H6氣體預測的溫度初始溫度分別在110℃和140℃左右，C2H4氣體和C3H6氣體的出現標志著煤氧化進入激烈氧化階段的標志。在有CO存在的前提下，只要出現C2H4或C3H6，必須采取切實有效的滅火措施。

③C2H2氣體生成臨界溫度為330℃左右，C2H2氣體出現標志著煤已完全處于燃燒或陰燃階段。

④C2H4/C2H6和C3H8/C2H6可作為預測煤自然發火進程的標志氣體輔助指標；C2H6/CH4、C3H8/CH4不適合作為煤自然發火的標志氣體指標。

⑤綜上所述，由于該礦不具備實時分析C2H6、C3H6、C3H8等氣體的能力，因此選擇CO、C2H4、C2H2作為B13煤層自然發火的標志氣體[9-13]。

2 自然發火標志氣體現場觀測

2.1 采空區自然發火標志氣體觀測

①采空區埋管方式。

在B13煤層工作面回風順槽，埋設3個觀測點，并用φ20mm無縫鋼管進行保護。在每個采樣點位置設置一個取氣三通，為防止被水或煤泥堵塞，每個取氣三通需抬高至離底板1m高位置，同時在每個采空區束管采樣點內設置測溫熱電偶，以對采空區內不同位置的溫度進行持續檢測。

②觀測結果。

由于3#束管出現異常，無法采集采空區內氣體，因此僅能1#和2#測點采集氣樣分析采空區氣體變化規律，見圖6所示。

采空區回風側距離切頂線水平距離為0～4m的范圍為散熱帶，4～47.2m的范圍為氧化帶，超過47.2m的區域則為窒熄帶。

2.2 回風隅角自然發火標志氣體觀測

由圖7可以看出，回風隅角CO出現波動，但穩定在24ppm以下。通過計算可得，回風隅角CO平均濃度為11ppm。

2.3 回風流自然發火標志氣體觀測

由圖8可以看出，工作面割煤、放煤對回風流氣體組分影響較小，幾乎可以忽略不計；回風流CO濃度平均為4ppm。

3 自然發火標志氣體臨界值

C2H4、C2H2等氣體在常溫下并不產生，且一旦產生，該氣體組分有無就可判斷采空區遺煤所處的自燃狀態。因此，確定B13煤層自然發火標志氣體臨界值為CO氣體的臨界值。采煤工作面CO氣體來源主要分為三個方面：①采空區遺煤氧化；②生產過程中煤體氧化；③支架頂煤氧化、放炮和無軌膠輪車等其它外部因素產生[8-13]，據此可建立[CO]濃度計算數學模型：

式中：x—修正系數；Qg—目標區域風量，m3/s；—采空區遺煤氧化CO生成速率，m3/s；—推采時煤體氧化CO生成速率，m3/s；—放炮等其它生成CO速率，m3/s。

①采空區遺煤CO生成速率

式中：Q—為實驗室供風量，m3/s；t—取氣時間間隔，s；Vm—實驗煤樣量，m3；—流經實驗煤樣后氣流中CO摩爾體積濃度，mol/m3。

式中：δCO（TS）—溫度為TS時破碎煤體的CO氣體產生速率，mol/（m3/s）。

②工作面生成過程中CO產生速度

式中：v—工作面推進速度，m/d。

式中：QF—工作面實際供風量，m3/s；Cs、CF—分別為工作面生成和非生產時工作面回風流內CO濃度平均值，%。

③工作面串聯通風區域放炮、無軌膠輪車等其它原因導致CO生成速度：=V放炮+V其它

其它CO氣體來源可能包括井下使用無軌膠輪車等情況，對于該煤礦不存在此情況，可忽略不計。因此，可得到下式：

式中：MZ—能產生影響的爆破炸藥總量，kg ；—單位炸藥導致的煤層CO氣體涌出速度，m3/（kg·s）。

將上述公式代入（1）可得到工作面或任意采空區位置的CO臨界值：

根據采空區現場觀測及計算可得，散熱帶內遺煤平均溫度為22.2℃，氧化帶遺煤平均溫度為24.41℃；采空區進風側遺煤厚度7.54m，回風側遺煤厚度7.93m，過渡架不放煤區域遺煤厚度8.19m，放煤區域遺煤厚度1.19m。工作面割煤期間對CO產生可忽略不計，生成速度為0。工作面進風量為1064.61m3/min，回風量為1503.48m3/min，工藝巷進風量為237.38m3/min，回風隅角過風量為309.15m3/min，氧化帶過風量為42.12～101.09m3/min，散熱帶過風量與隅角過風量相等。單位炸藥導致CO產生速度為0.02×106m3/s。根據實驗數據，B13煤層CO生成速率以氧氣濃度10%（71℃）和氧氣濃度20.9%（62℃）時的CO平均生成速度，計算得4.57×10-6mol/（m3/s）。

綜合上述，將各參數代入公式（9），在不考慮修正系數條件下，得到表1內的理論計算結果。

將表1內數據代入公式（9），可分別計算出不同區域的修正系數，如表2所示。在非預裂爆破影響時間段內，并利用表2修正系數和表1重新代入公式（9）計算得到B13煤層自然發火標志氣體CO臨界值如表3所示。

表1 工作面正常條件下不同區域CO標志氣體濃度

表2 修正系數計算結果

表3 不同煤溫下工作面不同區域CO氣體臨界值

4 結論

①CO、C2H4、C2H2、C3H6、C2H4/C2H6、C3H8/C2H6可以作為B13煤層自然發火的標志氣體或發火指標。對于新疆某煤礦，不具備實時分析C2H6、C3H6、C3H8等氣體的能力。因此選擇CO、C2H4、C2H2作為B13煤層自然發火的標志氣體。

CO在常溫25℃就可產生，CO預測的溫度范圍從常溫至215℃；C2H4氣體產生時對應煤溫為110℃，是煤進入激烈氧化階段的標志氣體；C2H2氣體產生時對應煤溫為332℃，是煤已經開始燃燒或陰燃的標志氣體。

②采空區散熱帶CO發火臨界值為57ppm，氧化帶CO發火臨界值為287ppm，回風隅角CO發火臨界值為23ppm，回風流CO發火臨界值為5ppm。在CO存在前提下，只要C2H4和C2H2出現，必須采取切實有效的滅火措施。