王 毅,周 余,羅 廣,張定山,陳占全

(1.重慶工程職業(yè)技術(shù)學(xué)院,重慶 402260; 2.中煤科工集團(tuán)重慶研究院有限公司,重慶 400039; 3.四川華鎣山龍灘煤電有限責(zé)任公司,四川 廣安 638500)

采空區(qū)遺煤自燃是煤礦火災(zāi)中的一種,嚴(yán)重威脅著煤礦生產(chǎn)安全[1]。研究具有煤層自燃傾向的煤礦現(xiàn)場(chǎng)是否排除煤自燃的因素至關(guān)重要。

導(dǎo)致煤礦火災(zāi)發(fā)生的因素較多,包括煤層性質(zhì)、現(xiàn)場(chǎng)通風(fēng)狀況、煤自燃產(chǎn)生的氣體等[2]。基于前人研究和工程總結(jié),對(duì)煤自燃中產(chǎn)生的氣體進(jìn)行研究,有助于預(yù)防火災(zāi)[3]。王永敬[4]、彥鵬[5]、易欣[6]、楊永辰[7]等對(duì)現(xiàn)場(chǎng)取的煤樣進(jìn)行升溫實(shí)驗(yàn)得到了自然發(fā)火標(biāo)志性氣體,并對(duì)工程現(xiàn)場(chǎng)的CO濃度進(jìn)行監(jiān)測(cè),建立了四級(jí)火災(zāi)預(yù)警響應(yīng)模型;朱令起等[8]利用CO2和CO濃度的比值η與溫度擬合建立煤自燃早期預(yù)測(cè)模型;孫留濤等[9]基于煤自燃實(shí)驗(yàn)優(yōu)選標(biāo)志性氣體后,對(duì)采空區(qū)自燃“三帶”進(jìn)行了劃分;付晶等[10]運(yùn)用灰色關(guān)聯(lián)法對(duì)煤層自燃標(biāo)志性氣體進(jìn)行了優(yōu)選;邊冰等[11]以標(biāo)志氣體分析法為基礎(chǔ),提出了一種基于學(xué)習(xí)向量量化神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的煤自然發(fā)火預(yù)報(bào)系統(tǒng);梁運(yùn)濤等[12]對(duì)煤層自然發(fā)火標(biāo)志氣體中烷烴氣體進(jìn)行色譜分析,運(yùn)用改進(jìn)的Tikhonov正則化方法進(jìn)行特征變量的提取,建立了小樣本高精度的分析模型;文虎[13]、魏超[14]、劉愛華[15]、 謝中朋[16]等通過(guò)分析煤層自燃現(xiàn)狀,建立自燃災(zāi)害預(yù)警體系,并對(duì)大量數(shù)據(jù)庫(kù)進(jìn)行挖掘,設(shè)計(jì)了煤層自燃預(yù)警系統(tǒng)。

基于前人的研究成果,筆者通過(guò)對(duì)煤樣開展程序升溫實(shí)驗(yàn),分析出應(yīng)用于現(xiàn)場(chǎng)的標(biāo)志性氣體,運(yùn)用數(shù)學(xué)方法計(jì)算出煤自燃的臨界溫度,并在現(xiàn)場(chǎng)鋪設(shè)氣體和溫度監(jiān)測(cè)系統(tǒng),運(yùn)用煤自燃的臨界溫度推算煤自燃標(biāo)志性氣體的濃度臨界值。結(jié)合實(shí)驗(yàn)室實(shí)驗(yàn)和現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn),測(cè)試標(biāo)志性氣體濃度與溫度,綜合預(yù)測(cè)預(yù)防煤自燃引發(fā)的火災(zāi)。

1 煤自燃標(biāo)志氣體

1.1 煤自燃標(biāo)志氣體確定方法

煤炭氧化是一個(gè)放熱的過(guò)程,煤溫會(huì)隨氧化程度加劇而逐漸上升,同時(shí)產(chǎn)生CO等氣體產(chǎn)物。將部分氣體作為標(biāo)志性氣體對(duì)煤礦中煤自燃所引發(fā)的火災(zāi)進(jìn)行預(yù)測(cè)是當(dāng)下的主要煤自燃預(yù)測(cè)方法[17-19]。在長(zhǎng)期的研究中, CO作為煤自然發(fā)火的主要標(biāo)志氣體已被認(rèn)可。在煤自燃氧化的過(guò)程中,CO是出現(xiàn)最早的氣體,且貫穿于整個(gè)氧化過(guò)程,故煤礦通常把CO的出現(xiàn)作為煤自燃的征兆。

CO出現(xiàn)的臨界值,現(xiàn)階段主要通過(guò)數(shù)學(xué)模型法和實(shí)驗(yàn)測(cè)試法進(jìn)行確定。

1)數(shù)學(xué)模型法[20]認(rèn)為上隅角CO主要來(lái)自于采空區(qū)遺煤氧化,根據(jù)采空區(qū)自燃帶的CO總產(chǎn)生量與采空區(qū)漏風(fēng)量之比可得到工作面正?；夭蓵r(shí)上隅角CO濃度計(jì)算模型。

2)實(shí)驗(yàn)測(cè)試法通過(guò)檢測(cè)煤樣升溫燃燒產(chǎn)生的氣體,獲取CO臨界值。

2種方法目前雖應(yīng)用較廣,但也存在明顯不足。實(shí)驗(yàn)測(cè)試法無(wú)法模擬現(xiàn)場(chǎng)的地質(zhì)條件、氧化環(huán)境和采掘因素的干擾;數(shù)學(xué)模型法則未結(jié)合采空區(qū)CO濃度隨煤溫的變化規(guī)律,導(dǎo)致建立的采空區(qū)CO生成與運(yùn)移模型的假設(shè)條件過(guò)于理想化,無(wú)法真實(shí)有效地反映煤層在整個(gè)回采期間的自然發(fā)火情況。

1.2 煤氧化CO臨界值確定

煤的自燃一般分為低溫緩慢氧化階段和高溫劇烈氧化階段,兩階段分界點(diǎn)對(duì)應(yīng)的溫度即為煤自燃臨界溫度。

氧化反應(yīng)的初期CO濃度隨煤溫升高緩慢上升,隨著氧化持續(xù)進(jìn)行,煤溫不斷升高。當(dāng)煤溫超過(guò)臨界溫度時(shí),煤的氧化反應(yīng)將由低溫緩慢氧化階段上升到高溫劇烈氧化階段,該階段CO濃度急劇上升。當(dāng)煤溫達(dá)到自燃臨界溫度時(shí),對(duì)應(yīng)的CO質(zhì)量濃度即為CO臨界值。當(dāng)采空區(qū)CO質(zhì)量濃度超過(guò)該臨界值時(shí),說(shuō)明煤溫已經(jīng)超過(guò)臨界溫度,煤自燃反應(yīng)速度會(huì)迅速加快直至發(fā)生自燃。

因此,可在實(shí)驗(yàn)室開展煤樣程序升溫氧化實(shí)驗(yàn),計(jì)算獲得煤自燃臨界溫度值。同時(shí),在現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)正?；夭汕闆r下采空區(qū)CO濃度與煤溫的實(shí)際變化規(guī)律,兩者結(jié)合可得到煤自然發(fā)火標(biāo)志氣體CO臨界值。

2 K1煤層自燃標(biāo)志氣體實(shí)驗(yàn)測(cè)定

從龍灘煤礦3122S回采工作面采集煤樣,設(shè)計(jì)煤樣程序升溫氧化實(shí)驗(yàn)方案,通過(guò)實(shí)驗(yàn)優(yōu)選合適的標(biāo)志氣體,為防止煤自燃火災(zāi)提供早期預(yù)報(bào)。

2.1 實(shí)驗(yàn)設(shè)備

實(shí)驗(yàn)設(shè)備主要由氣路控制系統(tǒng)、程序控溫箱、煤樣罐、測(cè)溫儀、氣體分析檢測(cè)儀、溫度控制系統(tǒng)等組成,如圖1所示。

圖1 煤自燃標(biāo)志氣體實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)示意圖

2.2 實(shí)驗(yàn)準(zhǔn)備

1)煤樣采集

在龍灘煤礦3122S回采工作面采集新揭露煤體,經(jīng)密封儲(chǔ)存運(yùn)至實(shí)驗(yàn)室后,剝?nèi)ッ簶颖砻嫜趸瘜?并破碎篩分出40～80目(粒徑為178～425 μm)的顆粒50 g作為實(shí)驗(yàn)煤樣。

2)實(shí)驗(yàn)過(guò)程

將制作的煤樣置于煤樣罐內(nèi)放入程序控溫箱中,連接好進(jìn)氣氣路、出氣氣路和溫度探頭(探頭置于煤樣罐的幾何中心),檢查氣路的氣密性;測(cè)試時(shí)向煤樣內(nèi)通入50 mL/min的干空氣;對(duì)煤樣進(jìn)行加熱,當(dāng)達(dá)到指定測(cè)試溫度時(shí),取氣樣進(jìn)行氣體成分和濃度分析。

2.3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

實(shí)驗(yàn)分析所取煤樣升溫氧化生成的氣體成分,CO、CO2濃度隨溫度變化的分析數(shù)據(jù)見表1。

表1 CO、CO2質(zhì)量濃度隨溫度變化分析數(shù)據(jù)

對(duì)3122S回采工作面煤層煤樣氧化氣體組分進(jìn)行分析,其變化趨勢(shì)如圖2所示。

(a)CO、CO2質(zhì)量濃度變化

由圖2可知:當(dāng)氧化實(shí)驗(yàn)溫度到達(dá)160 ℃時(shí),煤樣中釋放的氣體有CO、CO2、甲烷(CH4)、乙烷(C2H6)、乙烯(C2H4)、丙烷(C3H8)6種。對(duì)6種氣體濃度隨溫度變化進(jìn)行標(biāo)志性氣體分析:

1)在常溫下,煤樣未釋放CO;煤樣在溫度上升至40 ℃時(shí)開始釋放CO氣體; 40～110 ℃時(shí),CO的釋放量較小且上升速率較低,呈現(xiàn)平穩(wěn)上升趨勢(shì);大于110 ℃后,CO釋放量驟升,煤樣氧化程度加劇。因此,CO可作為煤炭早期預(yù)報(bào)氣體,一旦發(fā)現(xiàn)CO,必須及時(shí)跟蹤監(jiān)測(cè)CO濃度的變化趨勢(shì),若是發(fā)現(xiàn)其質(zhì)量濃度持續(xù)上升,即可視其為自燃征兆。

2)CO2受井下大氣環(huán)境影響較大,CH4為煤炭開采時(shí)常溫下正常釋放的氣體,因此這2種氣體一般不作為預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)煤炭自燃的標(biāo)志性氣體。

3)常溫下,煤樣就釋放有C2H6、C3H8氣體,并且釋放量隨溫度的升高而不斷增大,可認(rèn)為原始煤層中含有C2H6、C3H8氣體。因此,C2H6、C3H8氣體不作為預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)該煤層自燃的標(biāo)志性氣體。

4)溫度上升至160 ℃時(shí),檢測(cè)到C2H4質(zhì)量濃度為0.90 mg/L。由此可見,C2H4在煤樣氧化過(guò)程中,需要煤樣達(dá)到160 ℃以上高溫時(shí)才能產(chǎn)生,并且氣體濃度隨溫度的升高而不斷增大,因此可以將其作為預(yù)測(cè)該煤層煤炭氧化自燃的標(biāo)志性氣體。

因此,龍灘煤礦3122S回采工作面煤炭氧化自燃過(guò)程中,選取CO、C2H4為主要標(biāo)志性氣體。

根據(jù)《煤層自然發(fā)火標(biāo)志性氣體色譜分析及指標(biāo)優(yōu)選方法》中的標(biāo)志性氣體優(yōu)選原則:中變質(zhì)程度的焦煤、瘦煤及貧煤,應(yīng)優(yōu)先考慮CO、烯烴及烯烷比(C2H4與C2H6濃度比)作為標(biāo)志氣體及其指標(biāo)。3122S回采工作面煤樣自燃標(biāo)志性氣體中烯烷比隨溫度變化情況如圖3所示。

圖3 龍灘煤礦煤樣氧化生成氣體的烯烷比

由圖3可知:在160～210 ℃,煤樣氧化過(guò)程中所測(cè)氣體的烯烷比最大值約為0.04,此時(shí)對(duì)應(yīng)的溫度為210 ℃。烯烷比隨著溫度的升高呈增大的趨勢(shì),因此烯烷比可以作為3122S回采工作面煤炭氧化自燃標(biāo)志氣體的輔助指標(biāo)。

3 煤自燃臨界溫度確定

綜上所述,對(duì)煤樣程序升溫實(shí)驗(yàn)得到的CO產(chǎn)生速率和溫度進(jìn)行處理,計(jì)算得到lncout與(-1/T),并繪制出lncout隨(-1/T)的變化圖,進(jìn)行線性擬合。擬合直線斜率(E/R)的變化,可以反映煤氧化過(guò)程中不同階段表觀活化能的變化,表觀活化能發(fā)生突變的點(diǎn)對(duì)應(yīng)的溫度即為臨界溫度。

煤樣在160 ℃時(shí)釋放C2H4氣體,表明此時(shí)煤樣已經(jīng)進(jìn)入了劇烈氧化階段。由于煤的自燃溫度一般為60～80 ℃,因此,重點(diǎn)研究40～160 ℃內(nèi)的煤氧化反應(yīng)活化能變化情況。lncout與-1/T的值見表2,lncout與(-1/T)關(guān)系曲線如圖4所示。

表2 實(shí)驗(yàn)室所測(cè)數(shù)據(jù)ln cout與-1/T值

圖4 龍灘煤礦煤樣ln cout與-1/T關(guān)系曲線

對(duì)整體曲線進(jìn)行分段擬合后,2條擬合直線的擬合優(yōu)度R2分別達(dá)到了0.971 3與0.981 0,擬合程度較高。將2條擬合直線聯(lián)立:

(1)

可以得到,當(dāng)(-1/T)取-0.011 5時(shí),2條直線相交,即溫度為87 ℃時(shí)活化能發(fā)生了突變。因此,3122S回采工作面煤層煤樣自燃臨界溫度為87 ℃。

4 煤層自然發(fā)火標(biāo)志氣體現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試

4.1 現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試設(shè)備及系統(tǒng)

1)溫度測(cè)試系統(tǒng)

現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試采用高精度白金電阻溫度表作為測(cè)試儀表,測(cè)溫元件采用集成溫度傳感器PT100(測(cè)溫范圍為-50～200 ℃)。

2)抽氣系統(tǒng)

井下氣樣采集儀器采用CFZ22(A)型煤礦井下專用的防爆型氣體自動(dòng)負(fù)壓采樣器。

3)氣相色譜分析系統(tǒng)

采用氣囊將井下收集的氣體帶入實(shí)驗(yàn)室;利用氣相色譜儀進(jìn)行色譜分析。

4.2 測(cè)點(diǎn)布置

抽氣管和溫度傳感器PT100的布置方式采用工作面回風(fēng)巷埋管。由于現(xiàn)場(chǎng)條件的限制,在工作面回風(fēng)巷中共設(shè)2個(gè)測(cè)點(diǎn),兩測(cè)點(diǎn)沿走向間距為20 m,在回風(fēng)巷的支架后方先布置一個(gè)采樣點(diǎn)進(jìn)行采樣。3122S回采工作面推進(jìn)20～30 m后,再在回風(fēng)巷的支架后方布置另一個(gè)采樣點(diǎn),此后,2個(gè)測(cè)點(diǎn)同時(shí)進(jìn)行采樣。采樣點(diǎn)布置如圖5所示。

圖5 采樣點(diǎn)布置示意圖

4.3 現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)分析

2022年7月8日至8月27日,對(duì)龍灘煤礦3122S回采工作面采空區(qū)氧化帶中各種氣體濃度進(jìn)行實(shí)測(cè)?，F(xiàn)場(chǎng)采用高精度溫度表及溫度傳感器PT100測(cè)定采空區(qū)的溫度;統(tǒng)計(jì)工作面推進(jìn)期間回風(fēng)巷測(cè)點(diǎn)與工作面的距離;通過(guò)數(shù)據(jù)處理得到距工作面不同位置測(cè)點(diǎn)的溫度及氣體濃度。

龍灘煤礦3122S工作面采空區(qū)中1#、2#測(cè)點(diǎn)CO質(zhì)量濃度隨推進(jìn)距離的分布曲線如圖6所示。

(a)1#測(cè)點(diǎn)

4.4 采空區(qū)CO臨界值確定

基于煤礦現(xiàn)場(chǎng)CO和C2H4實(shí)測(cè)結(jié)果,構(gòu)建一種煤層自然發(fā)火標(biāo)志氣體臨界值確定方法,可準(zhǔn)確地對(duì)煤自燃災(zāi)害進(jìn)行預(yù)測(cè)預(yù)報(bào),為防止采空區(qū)煤自燃提供重要保障。

繪制1#、2#測(cè)點(diǎn)的CO質(zhì)量濃度與溫度對(duì)應(yīng)的散點(diǎn)圖,分別對(duì)散點(diǎn)圖進(jìn)行對(duì)數(shù)擬合,如圖7所示。

(a)1#測(cè)點(diǎn)

根據(jù)擬合曲線及數(shù)據(jù)結(jié)果可知,1#、2#測(cè)點(diǎn)數(shù)據(jù)擬合的對(duì)數(shù)函數(shù)表達(dá)式如下:

y=76.562lnx-236.59

(2)

y=64.42lnx-198.86

(3)

式中:y為CO質(zhì)量濃度,mg/L;x為溫度,℃。

根據(jù)實(shí)驗(yàn)測(cè)得龍灘煤礦K1煤層煤自燃臨界溫度為87 ℃,將x=87 ℃代入式(2)中,計(jì)算得到1#測(cè)點(diǎn)此溫度下CO質(zhì)量濃度為105.30 mg/L;同理將x=87 ℃代入式(3)中,得到2#測(cè)點(diǎn)此溫度下CO質(zhì)量濃度為88.80 mg/L。

綜上所述,1#測(cè)點(diǎn)、2#測(cè)點(diǎn)的CO臨界質(zhì)量濃度分別為105.30、88.80 mg/L。出于安全考慮,將采空區(qū)CO質(zhì)量濃度臨界值確定為88.80 mg/L。當(dāng)采空區(qū)CO質(zhì)量濃度接近105.30 mg/L時(shí),就需及時(shí)采取防滅火措施。

4.5 采空區(qū)C2H4臨界值確定

現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試中,在3122S回采工作面采空區(qū)氧化帶內(nèi)未檢測(cè)到C2H4氣體,因此無(wú)法采用上述方法確定采空區(qū)氧化帶C2H4的臨界值。但根據(jù)實(shí)驗(yàn)室煤自然發(fā)火標(biāo)志氣體實(shí)驗(yàn)結(jié)果可知,煤樣首次出現(xiàn)C2H4氣體時(shí),溫度為160 ℃、質(zhì)量濃度為0.90 mg/L,隨著溫度的增高,C2H4氣體濃度迅速增大。

因此,如果在回采工作面采空區(qū)或回風(fēng)流中檢測(cè)出C2H4氣體,說(shuō)明煤樣已進(jìn)入加速氧化階段,采空區(qū)已存在160 ℃以上的高溫區(qū)域,應(yīng)立即采取措施,及時(shí)治理煤層自燃。

5 結(jié)束語(yǔ)

1)通過(guò)煤樣程序升溫氧化實(shí)驗(yàn),確定了龍灘煤礦K1煤層選取CO、C2H4作為煤自然發(fā)火主要標(biāo)志氣體,烯烷比作為煤自然發(fā)火標(biāo)志氣體的輔助指標(biāo)。

2)龍灘煤礦K1煤層煤樣出現(xiàn)CO氣體時(shí),溫度為40 ℃、質(zhì)量濃度為10.28 mg/L;出現(xiàn)C2H4氣體時(shí),溫度為160 ℃、質(zhì)量濃度為0.90 mg/L,隨著溫度的增高,C2H4氣體質(zhì)量濃度迅速增大。在40～210 ℃內(nèi),龍灘煤礦煤樣所測(cè)氣體的烯烷比隨著溫度的升高呈增大的趨勢(shì)。

3)構(gòu)建了基于采空區(qū)內(nèi)部CO質(zhì)量濃度隨煤溫變化規(guī)律及煤自燃特性的煤層自然發(fā)火標(biāo)志氣體CO臨界值確定方法;通過(guò)綜合分析現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)的采空區(qū)自然發(fā)火標(biāo)志氣體,確定了龍灘煤礦K1煤層回采工作面采空區(qū)的自燃標(biāo)志氣體CO、C2H4臨界值分別為88.80、0.90 mg/L。