綜放面采空區(qū)煤自燃預(yù)警指標(biāo)體系構(gòu)建與應(yīng)用

劉 雷，夏海斌，柴洋洋，董振波

(1.陜西彬長(zhǎng)小莊礦業(yè)有限公司，陜西 咸陽(yáng) 713500；2.陜西彬長(zhǎng)礦業(yè)集團(tuán)有限公司，陜西 咸陽(yáng) 712000；3.西安科技大學(xué) 安全科學(xué)與工程學(xué)院，陜西 西安 710054；4.陜西華彬雅店煤業(yè)有限公司，陜西 咸陽(yáng) 713507)

0 引言

煤層自燃火災(zāi)作為礦井火災(zāi)的一個(gè)重要類型，對(duì)礦井以及工人的安全有著不同程度的影響[1-2]。由于火源位置隱蔽，對(duì)煤自燃發(fā)展態(tài)勢(shì)的準(zhǔn)確判定一直以來都是世界性難題。采空區(qū)浮煤堆積形成一定的蓄熱環(huán)境后，達(dá)到一定條件后，會(huì)發(fā)生低溫氧化反應(yīng)，浮煤將發(fā)生緩慢自燃，最終導(dǎo)致礦井火災(zāi)的發(fā)生[3-4]。煤低溫氧化產(chǎn)生的氣體產(chǎn)物作為煤自燃的宏觀表征[5]，對(duì)確定煤自燃預(yù)警指標(biāo)具有重要作用，研究煤低溫氧化產(chǎn)生的氣體產(chǎn)物的變化規(guī)律，對(duì)煤自然發(fā)火預(yù)警預(yù)測(cè)與隱患防護(hù)工作具有至關(guān)重要作用[6]。

煤炭的自燃過程是一種復(fù)雜的低溫氧化過程，隨著煤自燃達(dá)到不同的氧化階段，所釋放的氣體產(chǎn)物與產(chǎn)熱量均不相同[7]。因此，國(guó)內(nèi)外相關(guān)學(xué)者針對(duì)煤自燃過程中的規(guī)律及早期預(yù)警進(jìn)行了大量研究。白銘波等[8]通過程序升溫實(shí)驗(yàn)，得到韓家灣煤礦煤樣氧化氣體產(chǎn)物的變化規(guī)律，通過構(gòu)造煤溫與自燃預(yù)警指標(biāo)的關(guān)系，確定出適合韓家灣煤礦的煤自燃預(yù)警指標(biāo)體系；周言安等[9]針對(duì)煤礦現(xiàn)場(chǎng)防滅火工作的需要，通過對(duì)顧北煤樣進(jìn)行煤自然發(fā)火測(cè)試，得到煤自燃氧化過程中的指標(biāo)氣體變化規(guī)律與氣體臨界值，構(gòu)建出適合顧北煤礦的煤自燃預(yù)測(cè)體系；GUO J等[10]針對(duì)煤自燃過程中煤溫?zé)o法直接測(cè)量的問題，選用CO和C2H4形成率的定性和定量分析，以及各種氣體產(chǎn)生比率來預(yù)測(cè)煤層自然發(fā)火，預(yù)測(cè)精度高達(dá)97%，對(duì)煤自燃的鑒定和防火滅火技術(shù)的發(fā)展提供了重要指導(dǎo)；文虎等[11]利用煤自然發(fā)火裝置，對(duì)弱粘煤、長(zhǎng)焰煤以及不粘煤進(jìn)行自然發(fā)火測(cè)試，并通過對(duì)氣體產(chǎn)生速率、耗氧量及放熱強(qiáng)度等進(jìn)行分析，得到在相同溫度下，煤溫達(dá)100 ℃以上時(shí)，煤的變質(zhì)程度越大，放熱強(qiáng)度越強(qiáng)；鄧軍等[12]為研究不同階段的煤自燃發(fā)展程度，通過程序升溫實(shí)驗(yàn)，建立了多參數(shù)指標(biāo)體系，避免了單一指標(biāo)的缺點(diǎn)，可以有效地對(duì)煤自燃危險(xiǎn)程度進(jìn)行判識(shí)；王婭等[13]通過對(duì)4種低階煤進(jìn)行氧化升溫實(shí)驗(yàn)與熱重實(shí)驗(yàn)，對(duì)比分析發(fā)現(xiàn)，煤的氧化隨煤變質(zhì)程度的降低而變得越劇烈，并對(duì)不同煤自燃階段進(jìn)行劃分；費(fèi)金彪[14]通過理論分析與實(shí)驗(yàn)測(cè)試的方法，對(duì)煤自燃分級(jí)預(yù)警進(jìn)行了研究，確定出8個(gè)特征溫度，優(yōu)選出6個(gè)煤自燃指標(biāo)，并通過現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用，確定了煤自燃的分級(jí)預(yù)警。

為此，將運(yùn)用煤自燃程序升溫測(cè)試裝置，進(jìn)行煤低溫氧化程序升溫測(cè)試試驗(yàn)，通過選取標(biāo)志性氣體與參數(shù)指標(biāo)并對(duì)其變化規(guī)律進(jìn)行分析，將煤自燃過程進(jìn)行分級(jí)，提出多指標(biāo)分級(jí)預(yù)警方法并建立相應(yīng)預(yù)警溫度，從而實(shí)現(xiàn)煤自燃的早期精準(zhǔn)預(yù)警和煤溫的實(shí)時(shí)判定。

1 試驗(yàn)概況

1.1 試驗(yàn)裝置

通過自主搭建的XK型煤自燃程序升溫實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)[15]進(jìn)行測(cè)試，該系統(tǒng)主要由反應(yīng)爐、煤樣罐、空氣泵以及氣相色譜儀等組成[16]，系統(tǒng)的連接如圖1所示。

圖1 程序升溫實(shí)驗(yàn)裝置示意

1.2 試驗(yàn)方法及條件

采集陜西某煤礦煤樣，用密封袋密封包裝迅速帶回實(shí)驗(yàn)室。在實(shí)驗(yàn)室中將煤樣分別處理成0～0.9 mm、0.9～3 mm、3～5 mm、5～7 mm和7～10 mm這5種不同粒徑的煤樣，每份200 g，5種粒徑按照質(zhì)量比1∶1進(jìn)行混合，形成1 kg混合煤樣，以同樣的方法共制備3份煤樣，密封保存。試驗(yàn)對(duì)3份煤樣分別進(jìn)行煤低溫氧化程序升溫實(shí)驗(yàn)，將煤樣罐放入程序升溫箱中，分別以60 mL/min、90 mL/min、120 mL/min這3種供風(fēng)量，對(duì)3種煤樣進(jìn)行加熱升溫，通過Pt100鉑電阻測(cè)量煤溫，煤樣以0.3 ℃/min的速率進(jìn)行控制升溫至170 ℃，試驗(yàn)過程中，利用氣相色譜儀，對(duì)試驗(yàn)過程中煤樣產(chǎn)生的氣體組分及體積分?jǐn)?shù)進(jìn)行分析。試驗(yàn)條件見表1。

表1 試驗(yàn)條件

2 試驗(yàn)結(jié)果及煤自燃預(yù)報(bào)指標(biāo)分析

2.1 煤自燃?xì)怏w指標(biāo)變化規(guī)律

2.1.1 標(biāo)志性氣體

煤的低溫氧化過程，是一個(gè)消耗氧氣并產(chǎn)生氣體產(chǎn)物的過程，CO，C2H4，C2H2是煤自燃過程中的標(biāo)志性氣體，由于煤體本身的氣體賦存等一系列因素影響，其他氣體產(chǎn)物往往難以作為預(yù)報(bào)煤自燃的指標(biāo)。此外，受井下風(fēng)流等環(huán)境特征影響，標(biāo)志性氣體的預(yù)報(bào)靈敏度也會(huì)受到影響，因此文中基于標(biāo)志性氣體和建立氣體指標(biāo)的綜合分析方法，優(yōu)選煤自燃過程的預(yù)報(bào)指標(biāo)，進(jìn)而建立指標(biāo)體系。對(duì)測(cè)試的3種試驗(yàn)風(fēng)量下的煤樣，在30～170 ℃范圍內(nèi)，每隔10 ℃取氣一次，收集低溫氧化釋放的氣體產(chǎn)物，通過氣相色譜儀分析3種不同實(shí)驗(yàn)條件下煤樣低溫氧化過程中指標(biāo)氣體的釋放量增長(zhǎng)規(guī)律，從宏觀方面分析供風(fēng)量的不同對(duì)煤低溫氧化特性參數(shù)的影響規(guī)律。

2.1.2 O2變化趨勢(shì)分析

如圖2所示，3種實(shí)驗(yàn)條件下的煤樣隨著煤溫的升高，O2體積分?jǐn)?shù)均呈下降趨勢(shì)，在30～60 ℃之間，變化趨勢(shì)較緩，當(dāng)煤溫高于60 ℃后，氧氣體積分?jǐn)?shù)下降較為劇烈。

圖2 O2體積分?jǐn)?shù)隨溫度變化曲線

2.1.3 CO釋放量變化趨勢(shì)分析

從圖3可以看出，隨著溫度的增高，測(cè)試煤樣的CO釋放量均增大，在氧化反應(yīng)的初始階段，就有少量的CO生成，反應(yīng)處于較緩慢階段，而隨著煤體溫度的不斷升高，煤體內(nèi)部活化分子不斷增加，CO釋放量不斷增大，在70 ℃煤溫時(shí)，CO氣體釋放量開始逐漸增大，表明煤樣在60～70 ℃達(dá)到臨界溫度；當(dāng)煤溫達(dá)110 ℃時(shí)，3組煤樣CO氣體釋放量同時(shí)突然增大，出現(xiàn)二次突變，說明煤樣在100～110 ℃達(dá)到干裂溫度，并且不受風(fēng)量影響。此外當(dāng)煤溫在110～140 ℃這一階段中風(fēng)量的降低對(duì)于CO體積分?jǐn)?shù)有一定的促進(jìn)作用，說明該溫度段熱能對(duì)CO氣體體積分?jǐn)?shù)的增大起主要作用，煤溫升至140℃時(shí)，供風(fēng)量與溫度效應(yīng)達(dá)到一個(gè)平衡點(diǎn)；此后隨著溫度繼續(xù)升高，熱反應(yīng)強(qiáng)度劇烈增加，較低的風(fēng)量無法供應(yīng)足夠的氧氣，表現(xiàn)為CO體積分?jǐn)?shù)及其增長(zhǎng)率與風(fēng)量都成正相關(guān)趨勢(shì)，說明在溫度達(dá)到140 ℃之后耗氧速率對(duì)氧化反應(yīng)起主導(dǎo)作用。

圖3 CO釋放量隨溫度變化曲線

2.1.4 C2H4、C2H6釋放量變化趨勢(shì)分析

選取C2H4、C2H6作為劃分煤樣低溫氧化不同階段的輔助指標(biāo)氣體，其釋放量隨著溫度變化規(guī)律，分別如圖4、圖5所示。

圖4 C2H4釋放量隨溫度變化曲線

圖5 C2H6釋放量隨溫度變化曲線

由圖4可知，由于供風(fēng)量的不同，60 mL/min、90 mL/min、120 mL/min供風(fēng)條件下，煤樣分別在90 ℃、100 ℃、110 ℃出現(xiàn)C2H4氣體；當(dāng)煤溫低于140 ℃時(shí)，C2H4氣體出現(xiàn)的最低溫度，隨供風(fēng)量的增加而升高，60 mL/min條件下煤樣C2H4氣體釋放量及增速最高，90 mL/min次之，120 mL/min增長(zhǎng)速度最為緩慢且體積分?jǐn)?shù)最低；當(dāng)煤溫升至140 ℃左右時(shí)，3條曲線交于一點(diǎn)，達(dá)到溫度與供風(fēng)量對(duì)煤樣作用的平衡點(diǎn)；之后，由于高風(fēng)量的影響同一溫度C2H4氣體的釋放量隨風(fēng)量的增加而增大，90 mL/min與120 mL/min條件下煤樣C2H4氣體體積分?jǐn)?shù)迅速增加，60 mL/min條件下煤樣緩慢增長(zhǎng)，所以減小供風(fēng)量有利于抑制熱解反應(yīng)的進(jìn)行和有機(jī)氣體的生成。

由圖5可知，在反應(yīng)初期，供風(fēng)量對(duì)C2H6釋放量影響較小，3組煤樣均隨著反應(yīng)溫度的升高而逐漸增大，當(dāng)煤溫達(dá)到80 ℃時(shí)，供風(fēng)量較小的60 mL/min與90 mL/min條件下煤樣C2H6釋放量劇烈增加，在90 ℃左右時(shí)到達(dá)最大釋放量，隨著煤溫的繼續(xù)升高，C2H6釋放量與實(shí)驗(yàn)供風(fēng)量呈負(fù)相關(guān)關(guān)系，在此階段，風(fēng)量越小，對(duì)C2H6氣體的釋放較為有利，當(dāng)煤溫達(dá)140 ℃時(shí)，3組煤樣的C2H6釋放量幾乎相同，從而達(dá)到風(fēng)量與溫度作用的平衡點(diǎn)。此后，隨著煤溫的持續(xù)升高，供風(fēng)量與C2H6釋放量呈正相關(guān)關(guān)系。

2.2 煤自燃?xì)怏w比變化規(guī)律

2.2.1 衍生指標(biāo)

作為預(yù)測(cè)煤自燃早期定性方法，CO等標(biāo)志性氣體常被用來預(yù)測(cè)煤自燃的發(fā)生、發(fā)展過程。然而，在現(xiàn)場(chǎng)實(shí)踐過程中，由于CO、CH4、C2H6等氣體的檢出溫度范圍相對(duì)較寬，C2H4只在高溫階段出現(xiàn)，且氣體產(chǎn)物受礦井環(huán)境與實(shí)際條件的影響較大[17]，導(dǎo)致釋放量同煤溫之間的關(guān)系不明確，難以直接判定，導(dǎo)致其不能真實(shí)地反映出煤自燃的發(fā)生和發(fā)展過程，故單一的標(biāo)志性氣體只能反映出煤氧化的初期及高溫出現(xiàn)的征兆。因此，采用一些煤自燃預(yù)測(cè)的衍生指標(biāo)，如C2H4/C2H6、ΔCO/ΔO2作為進(jìn)一步量化判定煤炭自然發(fā)火態(tài)勢(shì)的指標(biāo)。

2.2.2 C2H4/C2H6值變化趨勢(shì)分析

由圖6可知，由于3種供風(fēng)條件下煤樣分別在90 ℃、100 ℃、110 ℃出現(xiàn)C2H4氣體，在常溫階段到C2H4氣體出現(xiàn)時(shí)，C2H4/C2H6的值為零，隨著煤溫的升高，煤樣開始釋放C2H4氣體后，C2H4/C2H6值變化曲線隨溫度的升高而逐漸增加，且在150 ℃之前，C2H4/C2H6值與供風(fēng)量呈負(fù)相關(guān)的關(guān)系；當(dāng)煤溫達(dá)到160 ℃以后，C2H4/C2H6值隨煤溫升高持續(xù)增大，且供風(fēng)量越大，C2H4/C2H6值增長(zhǎng)越快，C2H4/C2H6值與供風(fēng)量呈正相關(guān)的關(guān)系。

圖6 C2H4/C2H6值隨溫度變化曲線

2.2.3 100(ΔCO/ΔO2)值變化趨勢(shì)分析

由圖7可知，在反應(yīng)初期，由于煤溫較低，煤與氧氣發(fā)生不完全反應(yīng)，氧化產(chǎn)生的CO氣體較少，在30～120 ℃之間，100(ΔCO/ΔO2)的值均在2以下。隨著煤溫的持續(xù)升高，煤與氧氣發(fā)生氧化反應(yīng)產(chǎn)生的CO氣體快速釋放，當(dāng)煤溫達(dá)到140 ℃時(shí)，3種條件下的煤樣的100(ΔCO/ΔO2)的值均在3左右；當(dāng)煤溫高于140 ℃之后，煤與氧氣進(jìn)行快速的復(fù)合反應(yīng)，100(ΔCO/ΔO2)值呈指數(shù)倍的增加，隨供風(fēng)量的增大，100(ΔCO/ΔO2)值增加越迅速。

圖7 100(ΔCO/ΔO2)值隨溫度變化曲線

2.3 煤自燃預(yù)警指標(biāo)體系構(gòu)建

依據(jù)煤自燃指標(biāo)氣體變化規(guī)律以及煤自燃參數(shù)指標(biāo)變化規(guī)律，并結(jié)合易自燃煤層的分級(jí)預(yù)警主動(dòng)防控方法，根據(jù)溫度范圍與氣體指標(biāo)臨界值，將煤自燃劃分成灰、藍(lán)、黃、橙和紅共5個(gè)等級(jí)預(yù)警級(jí)別，其中灰色預(yù)警最低，預(yù)警溫度范圍為常溫30～40 ℃，藍(lán)色預(yù)警溫度范圍為40～50 ℃，黃色預(yù)警溫度范圍為50～90 ℃，橙色預(yù)警溫度范圍為90～150 ℃，紅色預(yù)警為煤溫大于150 ℃，具體見表2。

表2 煤自燃分級(jí)預(yù)警體系及指標(biāo)臨界值

3 現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用

陜西某礦某工作面屬于易自燃煤層，根據(jù)煤自燃標(biāo)志性氣體變化規(guī)律與煤自燃參數(shù)指標(biāo)變化規(guī)律，并結(jié)合煤自燃分級(jí)預(yù)警劃分理論與方法，通過對(duì)150#架后采空區(qū)與上隅角氣體進(jìn)行預(yù)埋束管取氣監(jiān)測(cè)，得到該工作面采空區(qū)埋深與氣體的變化規(guī)律，從而對(duì)監(jiān)測(cè)時(shí)間內(nèi)采空區(qū)煤自燃程度進(jìn)行預(yù)警，如圖8所示。

圖8 O2與CO體積分?jǐn)?shù)隨埋深變化曲線

根據(jù)煤自燃分級(jí)預(yù)警體系及指標(biāo)臨界值，結(jié)合圖9所得工作面采空區(qū)的100(ΔCO/ΔO2)值可知，該工作面采空區(qū)煤自然發(fā)火等級(jí)整體上為預(yù)警初值，煤溫低于30 ℃，埋深在15.2～20 m時(shí)，煤自然發(fā)火等級(jí)為灰色預(yù)警，煤溫處于30～40 ℃，故發(fā)出灰色預(yù)警，在出現(xiàn)預(yù)警后進(jìn)行采空區(qū)注氮并使得預(yù)警指標(biāo)快速降為初值，工作面開始安全生產(chǎn)。

圖9 100(ΔCO/ΔO2)值隨埋深變化曲線

4 結(jié)論

(1)通過煤自燃程序升溫實(shí)驗(yàn)，得到陜西某煤礦煤自燃標(biāo)志性氣體變化規(guī)律以及煤自燃參數(shù)指標(biāo)變化規(guī)律。

(2)以O(shè)2、CO、100(ΔCO/ΔO2)以及C2H4/C2H6為主要指標(biāo)，以C2H4與C2H6為輔助指標(biāo)建立煤自燃分級(jí)預(yù)警，預(yù)警溫度范圍為：灰色預(yù)警常溫30～40 ℃，藍(lán)色預(yù)警溫度范圍為40～50 ℃，黃色預(yù)警溫度范圍為50～90 ℃，橙色預(yù)警溫度范圍為90～150 ℃，紅色預(yù)警為煤溫大于150 ℃。

(3)基于本次實(shí)驗(yàn)所建立的煤自燃分級(jí)預(yù)警，在陜西某礦某工作面進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用，得到該工作面采空區(qū)埋深與100(ΔCO/ΔO2)值，因此該工作面采空區(qū)埋深在15.2～20 m之間時(shí)，對(duì)煤自燃發(fā)出灰色預(yù)警，采取注氮措施解除預(yù)警后，工作面恢復(fù)正常生產(chǎn)。