張立魁 陳夢喬 張樂

神華天電礦業(yè)有限公司寬溝煤礦，中國·新疆 昌吉 831215

1 引言

《煤礦安全規(guī)程》（2016）規(guī)定：“開采容易自燃和自燃煤層時(shí)，必須開展自然發(fā)火監(jiān)測工作，建立自然發(fā)火監(jiān)測系統(tǒng)，確定煤層自然發(fā)火標(biāo)志氣體及臨界值，健全自然發(fā)火預(yù)測預(yù)報(bào)及管理制度。”目前，中國學(xué)者對煤自然發(fā)火研究主要集中在自然發(fā)火標(biāo)志性氣體優(yōu)選，對煤發(fā)火臨界值研究甚少。基于此，以寬溝煤礦B2 煤層實(shí)驗(yàn)研究和現(xiàn)場觀測相結(jié)合的方法確定B2 煤自然發(fā)火標(biāo)志氣體及臨界值，也為礦井自然發(fā)火標(biāo)志氣體及臨界值確定提高一種方法。

2 自然發(fā)火標(biāo)志氣體優(yōu)選

2.1 CO 氣體生成規(guī)律

CO 是煤氧化最早出現(xiàn)的氣體產(chǎn)物，并貫穿整個(gè)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，表明了62℃為B2 煤層自然發(fā)火的臨界溫度。在煤溫超過62℃后，煤體的升溫速度將快速增加，在215℃以前，CO 產(chǎn)生濃度與煤溫之間表現(xiàn)為單一遞增的變化規(guī)律。當(dāng)煤溫超過215℃后，呈現(xiàn)出一種增長更快的關(guān)系。C2H4出現(xiàn)以后，進(jìn)入加速氧化階段，C3H6產(chǎn)生后煤溫進(jìn)入激烈氧化階段，之后煤溫迅速達(dá)到燃點(diǎn)，并在短時(shí)間內(nèi)煤溫達(dá)到峰值。

2.2 烯烴氣體生成規(guī)律

在煤的吸附氣體中，沒有烯烴氣體。煤氧化產(chǎn)生C2H4和C3H6氣體的臨界溫度分別在110℃和140℃左右，與CO氣體相比，有一個(gè)明顯的時(shí)間差和溫度差。C2H4出現(xiàn)，標(biāo)志著煤氧化進(jìn)入加速氧化階段，煤溫在超過253℃后迅速升高至332℃。從氣體濃度變化上表現(xiàn)為出現(xiàn)突起的陡峰，這是煤劇烈燃燒的表征。

2.3 C2H2 氣體產(chǎn)生規(guī)律

C2H2氣體在礦井中常作為煤自然發(fā)火的重要的標(biāo)志氣體，實(shí)驗(yàn)煤樣產(chǎn)生C2H2氣體初始溫度為330℃左右，這與C3H6相比又有一個(gè)明顯的溫度差。C2H2是煤進(jìn)入燃燒階段的標(biāo)志，因此，一旦出現(xiàn)C2H2氣體，采取措施時(shí)一定要謹(jǐn)慎，避免采取直接剝挖火源的辦法，以免高溫煤體引發(fā)瓦斯或煤塵爆炸事故。

2.4 煤自然發(fā)火標(biāo)志氣體優(yōu)選

①CO 作為預(yù)測預(yù)報(bào)煤自然發(fā)火的指標(biāo)氣體，其預(yù)測的溫度范圍為常溫至215℃。CO 出現(xiàn)的臨界溫度較低，為27℃左右，并在整個(gè)自燃發(fā)火過程中都有CO 產(chǎn)生，應(yīng)特別加強(qiáng)觀測。

②烯烴氣體 C2H4和 C3H6氣體預(yù)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(xiàn)標(biāo)志著煤氧化進(jìn)入激烈氧化階段的標(biāo)志。在有CO 存在的前提下，只要出現(xiàn)C2H4或C3H6，必須采取切實(shí)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(xiàn)標(biāo)志著煤已完全處于燃燒或陰燃階段。

④綜上所述，選擇CO、C2H4、C2H2作為B2 煤層自然發(fā)火的標(biāo)志氣體。

3 自然發(fā)火標(biāo)志氣體現(xiàn)場觀測

3.1 采空區(qū)自然發(fā)火標(biāo)志氣體觀測

3.1.1 采空區(qū)埋管方式

在B2 煤層I010203 工作面回風(fēng)順槽埋設(shè)3 趟束管，并用φ20mm 無縫鋼管進(jìn)行保護(hù)。在每個(gè)采樣點(diǎn)位置設(shè)置一個(gè)取氣三通，為防止被水或煤泥堵塞，每個(gè)取氣三通需抬高至離底板1m 高位置，同時(shí)與每個(gè)采空區(qū)束管采樣點(diǎn)同步設(shè)置測溫?zé)犭娕迹詫Σ煽諈^(qū)內(nèi)不同位置的溫度進(jìn)行持續(xù)監(jiān)測。

3.1.2 觀測結(jié)果及分析

通過3 個(gè)測點(diǎn)采集氣樣分析采空區(qū)氣體變化規(guī)律。觀測結(jié)果分析可知，I010203 采空區(qū)回風(fēng)側(cè)散熱帶范圍為0～4m，氧化帶范圍為4～47.2m，超過47.2m 的區(qū)域則為窒熄帶。

3.2 回風(fēng)隅角自然發(fā)火標(biāo)志氣體觀測

根據(jù)回風(fēng)隅角CO 出現(xiàn)波動(dòng)但未呈現(xiàn)持續(xù)增長趨勢，均穩(wěn)定在24×10-6以下。通過數(shù)理統(tǒng)計(jì)分析可得，回風(fēng)隅角CO 平均濃度為11×10-6。

3.3 回風(fēng)流自然發(fā)火標(biāo)志氣體觀測

I010203 工作面割煤、放煤等生產(chǎn)階段對回風(fēng)流氣體組分影響較小，幾乎可以忽略不計(jì)，回風(fēng)流CO 濃度平均為4×10-6。

4 自然發(fā)火標(biāo)志氣體臨界值

C2H4、C2H2等氣體在常溫下并不產(chǎn)生，且一旦產(chǎn)生，該氣體組分有無就可判斷采空區(qū)遺煤所處的自燃狀態(tài)。因此，確定B2 煤層自然發(fā)火標(biāo)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(gè)方面：①采空區(qū)遺煤氧化；②生產(chǎn)過程中煤體氧化；③支架頂煤氧化、放炮和無軌膠輪車等其他外部因素產(chǎn)生，據(jù)此可建立[CO]濃度計(jì)算數(shù)學(xué)模型：

式中，x——修正系數(shù)；Qg——目標(biāo)區(qū)域風(fēng)量，m3/s；——采空區(qū)遺煤氧化CO 生成速率，m3/s；Vc2o——推采時(shí)煤體氧化CO 生成速率，m3/s；Vc3o——放炮等其它生成CO 速率，m3/s。

根據(jù)采空區(qū)現(xiàn)場觀測并采用數(shù)理統(tǒng)計(jì)法可得，散熱帶內(nèi)遺煤平均溫度為22.2 ℃，氧化帶遺煤平均溫度為24.41℃。工作面割煤期間對CO 產(chǎn)生可忽略不計(jì)，生成速度為0。工作面進(jìn)風(fēng)量為1064.61m3/min，回風(fēng)量為1503.48m3/min，工藝巷進(jìn)風(fēng)量為237.38m3/min，回風(fēng)隅角過風(fēng)量為309.15m3/min，氧化帶過風(fēng)量為42.12～101.09m3/min，散熱帶過風(fēng)量與隅角過風(fēng)量相等。單位炸藥導(dǎo)致CO產(chǎn)生速度為0.02×106m3/s。根據(jù)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，B2 煤層CO 生成速率以氧氣濃度10%（71℃）和氧氣濃度20.9%（62℃）時(shí)的CO 平均生成速度，計(jì)算得4.57×10-6mol/(m3/s)。

綜合上述，將各參數(shù)代入公式，得到表1內(nèi)的理論計(jì)算結(jié)果。

將表1內(nèi)數(shù)據(jù)代入公式，可分別計(jì)算出不同區(qū)域的修正系數(shù)，如表2所示。

在非預(yù)裂爆破影響時(shí)間段內(nèi)，并利用表2修正系數(shù)和表1數(shù)據(jù)代入公式計(jì)算得到B2 煤層自然發(fā)火標(biāo)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(qū)域CO 標(biāo)志氣體濃度

表2 修正系數(shù)計(jì)算結(jié)果

表3 不同煤溫下工作面不同區(qū)域CO 氣體臨界值

5 結(jié)論

①CO、C2H4、C2H2、C3H6、C2H4/C2H6、C3H8/C2H6可以作為B2 煤層自然發(fā)火的標(biāo)志氣體或發(fā)火指標(biāo)，選擇CO、C2H4、C2H2作為B2 煤層自然發(fā)火的標(biāo)志氣體。

②CO 在常溫25℃就可產(chǎn)生，CO 預(yù)測的溫度范圍從常溫至215℃；C2H4氣體產(chǎn)生時(shí)對應(yīng)煤溫為110℃，是煤進(jìn)入激烈氧化階段的標(biāo)志氣體；C2H2氣體產(chǎn)生時(shí)對應(yīng)煤溫為332℃，是煤已經(jīng)開始燃燒或陰燃的標(biāo)志氣體。

③采空區(qū)散熱帶CO 發(fā)火臨界值為57×10-6，氧化帶CO 發(fā)火臨界值為287×10-6，回風(fēng)隅角CO 發(fā)火臨界值為23×10-6，回風(fēng)流CO 發(fā)火臨界值為5×10-6。在CO 存在前提下，只要C2H4和C2H2出現(xiàn)，必須采取切實(shí)有效的滅火措施。