段賢斌，畢建乙

（山西臨汾西山生輝煤業(yè)有限公司 山西 臨汾 041000）

0 引言

山西、內(nèi)蒙古等地在回采自燃煤層工作面時，經(jīng)常發(fā)生工作面回風(fēng)隅角一氧化碳濃度超限現(xiàn)象[1]，煤因氧化而產(chǎn)生CO氣體已被眾人所認(rèn)同。

一部分科研工作者贊成煤體在破碎階段形成CO氣體：工作面采機(jī)割煤生產(chǎn)期間，把煤分子結(jié)構(gòu)的共價鍵破壞而發(fā)生煤分子脫羰現(xiàn)象，生成CO氣體；另外破煤過程會生成自由基，并和氧氣反應(yīng)而產(chǎn)生CO氣體。

另一部分科研工作者贊成煤體含有原生CO 氣體，具體如下：朱紅青等[2]通過自主設(shè)計的恒溫充氮解吸裝置及隔氧取樣，實測出深部礦井煤樣所含有CO氣體解吸量，借助恒溫氧化實驗開展校正，證明煤層賦存原生CO氣體量為0.15 L/t。

研究煤層原生CO 分布規(guī)律方法主要有：利用解吸法對煤層CO進(jìn)行測定[3]；借助研磨和溶解試驗分析煤層原生CO分布規(guī)律[4]；利用統(tǒng)計分析方法研究原生CO含量。以上研究方法都發(fā)現(xiàn)煤層自身含有原生CO氣體，然而并沒有充分分析在施工鉆孔時煤體吸附所生成的CO 氣體。為深入研究此問題，本文以山西焦煤西山煤電生輝煤業(yè)原始煤層開展試驗研究，鉆孔施工完畢后，通過向孔內(nèi)注入濃度較高的氮氣以將孔內(nèi)氣體置換出來，借助抽氣泵對孔內(nèi)氣體進(jìn)行抽取，使鉆孔成為負(fù)壓狀態(tài)，接著開始抽氣研究，減小因施工鉆孔及煤體不斷氧化過程所形成的CO氣體對試驗所造成的影響，實現(xiàn)有效分析煤層賦存原生CO的可能性。

1 鉆孔探測原理

現(xiàn)階段科研工作者對于煤層賦存原生CO 氣體所持的觀點如下：煤層產(chǎn)生CO 氣體階段主要是漫長的成煤過程，在地質(zhì)運動的作用下使得煤層暴露，其中一定體積的CO 氣體轉(zhuǎn)移到古大氣中，在煤強(qiáng)烈的吸附影響下一定體積的CO 氣體擴(kuò)散至煤層孔隙裂縫中，最終產(chǎn)生煤層原生CO氣體。在回采揭露煤層之前如果存在原生CO 氣體，主要通過2 種形式賦存在煤體內(nèi)，一是通過游離態(tài)賦存在煤體裂縫孔隙中，二是通過吸附態(tài)賦存在煤體裂縫孔隙的外表。研究煤對氣體吸附規(guī)律發(fā)現(xiàn)：當(dāng)氣體壓力下降或者溫度增加時，氣體將從吸附態(tài)向游離態(tài)轉(zhuǎn)化。通過對原始煤層打鉆同時進(jìn)行封堵處理，鉆孔底部將產(chǎn)生密閉空間，將孔內(nèi)氣體用純度較高的氮氣置換出來，在充分去除因施工鉆孔所形成的CO 氣體后，開始對鉆孔內(nèi)密閉空間氣體進(jìn)行抽取，人工造成鉆孔密閉空間的負(fù)壓狀態(tài)。如果煤層存在原生CO氣體時，CO氣體將由吸附態(tài)轉(zhuǎn)為游離態(tài)，擴(kuò)散到密閉氣室，導(dǎo)致鉆孔內(nèi)氣體壓力開始增大，直到與煤體中游離氣體達(dá)到壓力平衡。根據(jù)鉆孔內(nèi)氣體組成和濃度判斷煤體是否存在原生CO氣體。

2 探測方案

為研究煤層是否存在原生CO 氣體，借助原位鉆孔探測手段進(jìn)行分析。

2.1 試驗地點

試驗地點選在山西焦煤集團(tuán)西山煤電公司生輝煤業(yè)9#煤層一采區(qū)回風(fēng)巷北側(cè)所開采工作面停采線之外上部，該處煤層沒有受采動破壞，有良好地質(zhì)條件，地質(zhì)構(gòu)造簡單。此試驗設(shè)計探測鉆孔3 個，具體見圖1。3個鉆孔的長度為30 m，1號鉆孔位于一采區(qū)回風(fēng)巷貫位以東10 m，每間距20 m布置2號鉆孔和3號鉆孔。

圖1 探測鉆孔位置情況

2.2 鉆孔設(shè)計

探測鉆孔施工參數(shù)見表1，探測鉆孔密閉及內(nèi)部管路布置情況如圖2所示。鉆孔施工完畢后，將2根厚壁6 mm 的高壓軟管安設(shè)在鉆孔內(nèi)（鉆孔底部0.5 m 區(qū)域設(shè)計為花管），1 根管路作為取樣管同時作為出氣管，1根管路作為注氮管。封孔方式選用囊袋式“兩堵一注”工藝，外囊袋離孔口有2 m 距離，內(nèi)囊袋離孔口有29 m距離，鉆孔最外段2 m范圍使用聚氨酯密封。

表1 探測鉆孔施工參數(shù)

圖2 探測鉆孔密閉及內(nèi)部管路布置情況

2.3 氣體采集

在原生CO 氣體探測時必須先將鉆孔施工和封孔階段煤氧化生成的CO 完全清除，同時要防止所形成的CO氣體停留在觀測氣室內(nèi)。因此在鉆孔施工完后需立即進(jìn)行封孔，同時向鉆孔內(nèi)注入純度達(dá)99.99%的氮氣將鉆孔內(nèi)氣體置換出，之后將高壓軟管的取樣嘴關(guān)閉。

對鉆孔氣體進(jìn)行置換階段，借助壓力高達(dá)15 MPa的氮氣檢測鉆孔的密封情況，控制減壓閥低壓端的壓力為1.4 MPa之后，此時2號、3號鉆孔壓力表讀數(shù)很快升高到1.4 MPa，保持2 h 之久，卻沒有發(fā)生顯著減小，表明2號、3號鉆孔沒有漏氣，封孔效果良好；1號鉆孔壓力表顯示為零，說明1 號鉆孔封孔不嚴(yán)，存在漏氣。在采集氣體時，借助抽氣泵對鉆孔內(nèi)氣體進(jìn)行抽取，為避免取樣管殘留的氣體對試驗產(chǎn)生影響，排空初始?xì)怏w。氣體取樣完成后，將取樣嘴閥門關(guān)閉，接著將抽氣泵關(guān)閉。由于現(xiàn)場實際氧氣濃度存在前期變化顯著、后期變化緩慢的現(xiàn)象，設(shè)置前期每間隔1 d進(jìn)行取氣，后期每間隔2 d 或3 d 進(jìn)行取氣。封孔情況如圖3 所示，采集氣樣情況如圖4所示。

圖3 封孔情況

圖4 采集氣樣

3 測試結(jié)果分析

3.1 試驗結(jié)果

對3個探測鉆孔進(jìn)行封孔并觀測，發(fā)現(xiàn)1號鉆水很多，整個過程總是向外冒水，表明鉆孔沒有完全密封住，1號鉆孔失效，而2號、3號鉆孔封孔良好。通過氣相色譜分析發(fā)現(xiàn)，鉆孔內(nèi)充滿氮氣、氧氣、一氧化碳、二氧化碳及少量甲烷，其中氧氣、一氧化碳濃度變化曲線如圖5所示。

3.2 鉆孔內(nèi)氣體變化規(guī)律

由圖5 發(fā)現(xiàn)，初次采氣時，具有較高的氧氣濃度，說明在施工鉆孔時巷道中的氧氣轉(zhuǎn)移到鉆孔內(nèi)。封孔完成之后，2號鉆孔CO 氣體濃度達(dá)到107×10-6，3號鉆孔CO氣體濃度達(dá)到205×10-6，說明施工鉆孔時煤體發(fā)生氧化。伴隨時間延長，鉆孔內(nèi)氧氣與一氧化碳濃度呈現(xiàn)基本一致的變化規(guī)律，通過對鉆孔內(nèi)氣體進(jìn)行抽取發(fā)現(xiàn)，第1天～6天（2021年9月29日～10月4日）鉆孔內(nèi)氧氣與CO 氣體濃度發(fā)生明顯減小，氮氣濃度開始逐步增大，原因是抽取鉆孔內(nèi)氣體導(dǎo)致的，再次說明鉆孔具有封孔質(zhì)量較高。第6天～12天（2021年10月4日～10月10日），鉆孔內(nèi)氣體濃度發(fā)生緩慢減小，原因是處于非置換環(huán)境中普通抽采泵無法將鉆孔抽取成完全真空導(dǎo)致的。第12天后，鉆孔內(nèi)依然存在少量氧氣（濃度小于2%），氧氣濃度下降趨勢較小，氣相色譜儀持續(xù)7天沒有測定到CO。

圖5 鉆孔內(nèi)氧氣和一氧化碳濃度變化曲線

3.3 CO來源分析

鉆孔施工完成前期測定到CO 氣體的源頭主要有三種情況：（a）煤常溫氧化生成CO 氣體；（b）鉆孔施工破煤產(chǎn)生；（c）前兩種來源綜合作用的結(jié)果。

（1）煤常溫氧化生成CO 氣體。在施工地點采集煤樣，通過試驗室機(jī)器破碎，要求煤樣粒徑范圍為0.2 mm～0.25 mm，在錐形瓶內(nèi)裝入100 g 煤樣并密封進(jìn)行常溫氧化試驗。圖6 為CO 濃度隨著時間的變化曲線。從圖6 發(fā)現(xiàn)，在常溫下煤樣發(fā)生氧化反應(yīng)而生成CO氣體，伴隨時間變化，CO氣體量逐步升高。經(jīng)過400 h 后，CO 氣體濃度逐漸降低，原因是煤樣對CO 氣體吸附的速度高于氧化生成CO 氣體的速度，表明處于空氣環(huán)境中的自燃煤樣，在常溫恒溫條件下能氧化生成CO 氣體。賈海林等[5]通過試驗研究發(fā)現(xiàn)處于低溫環(huán)境中的煤羰基能裂解生成CO 氣體，伴隨羰基官能團(tuán)數(shù)量減少，裂解生成的CO氣體量也在下降。

圖6 常溫氧化生成的CO氣體濃度隨時間變化規(guī)律

（2）破煤生成CO 氣體。把采集煤樣置于密封條件下，分別注入氮氣和空氣氣體開始破碎，隨破碎時間延長，生成CO 氣體濃度變化規(guī)律如圖7 所示。從圖7發(fā)現(xiàn)，不管煤樣處于什么氣體環(huán)境——空氣還是氮氣，在破碎階段都可以生成CO氣體，而且CO氣體生成量伴隨時間延長而不斷升高。破碎的煤樣越多，所生成的CO 氣體量越高。在氮氣環(huán)境下生成的CO 氣體量比空氣環(huán)境下生成的CO氣體量少。試驗結(jié)果表明在工作面采煤機(jī)破煤、移架、放頂煤、施工鉆孔等作業(yè)環(huán)節(jié)，均會發(fā)生因為破碎煤體而生成CO氣體。

圖7 破煤過程生成的CO氣體濃度隨時間變化規(guī)律

3.4 CO逐漸減小直至消失分析

在施工鉆孔時，因常溫氧化以及破煤所形成的CO氣體附著在鉆孔內(nèi)壁上。封孔和用氮氣置換氣體后，鉆孔內(nèi)氧氣很難完全被置換，余下的氧氣和煤體開始常溫氧化反應(yīng)，形成CO氣體。在氧氣濃度小于5%時，常溫條件煤體與氧氣的反應(yīng)被阻礙。由圖4 發(fā)現(xiàn)，氧氣濃度小于2%時，煤體與氧氣的氧化反應(yīng)停止，這時鉆孔內(nèi)CO 氣體的來源有三種可能：（a）成煤過程中的原生CO；（b）施工鉆孔時所附著在鉆孔內(nèi)壁的CO再次發(fā)生解吸；（c）以上2種原因共同導(dǎo)致。

在常溫常壓作用下，煤對混合氣體的吸附——解吸試驗結(jié)果證明，煤吸附混合氣體的強(qiáng)弱排序：二氧化碳＞一氧化碳＞甲烷＞氮氣；預(yù)氧化溫度不同條件的煤樣在二次氧化前期，吸附甲烷的能力比氮氣強(qiáng)，吸附氮氣的能力比氧氣強(qiáng)。通過煤吸附不同氣體的特征研究得到，煤競爭吸附氣體的情況不但和煤吸附單一氣體的能力相關(guān)聯(lián)，而且與被吸附氣體的分壓力大小相關(guān)。當(dāng)氣體分壓力越大，就具有越強(qiáng)的競爭吸附能力，所以會出現(xiàn)置換吸附能力大、分壓力小的氣體，吸附能力小、分壓力大的氣體現(xiàn)象。當(dāng)鉆孔內(nèi)CO 氣體與氧氣濃度都很小時，氮氣分壓力占比較大，處于煤體表面的氮氣將置換吸附在煤體上的CO 氣體和氧氣，由煤中解吸出一部分CO 氣體和氧氣，氮氣立即附著在煤體新的吸附位置處。所以伴隨時間的變化和之后負(fù)壓抽取鉆孔內(nèi)氣體，施工鉆孔時形成的CO 氣體源源不斷由煤體中被氮氣置換出來，最終負(fù)壓抽出，最終導(dǎo)致CO 氣體量大幅度減少直到難以測定出。如果煤層有原生CO 氣體，那么將會以CO 氣體源頭源源不斷補充，由吸附態(tài)解析為游離態(tài)，接續(xù)擴(kuò)散到鉆孔密閉氣室中，鉆孔內(nèi)就會一直有CO氣體存在。試驗結(jié)果表明，2號和3號兩個鉆孔持續(xù)3 d都沒有測定出CO氣體，因此判斷煤層成煤過程中未產(chǎn)生原始CO氣體。

4 結(jié)論

（1）在沒有采掘活動影響地點的煤體沒有測定出煤層存在原生CO 氣體，施工鉆孔密封之后測定出CO氣體，判定其源頭是施工過程破煤導(dǎo)致的。

（2）屬于Ⅱ類自燃的煤層，在恒溫常溫環(huán)境中可以氧化生成CO 氣體，新鮮煤體在暴露前期可氧化生成一定體積的CO氣體。

（3）通過測試分析礦井CO 氣體產(chǎn)生的機(jī)理與來源，能夠更好地指導(dǎo)分析綜放面回風(fēng)隅角出現(xiàn)大量CO氣體的原因，修正預(yù)測煤自燃指標(biāo)CO 氣體的預(yù)報臨界值，有助于預(yù)測分析工作面采空區(qū)煤自燃發(fā)生情況。