霍西煤田生輝煤業煤層CO氣體來源分析

段賢斌，畢建乙

（山西臨汾西山生輝煤業有限公司 山西 臨汾 041000）

0 引言

山西、內蒙古等地在回采自燃煤層工作面時，經常發生工作面回風隅角一氧化碳濃度超限現象[1]，煤因氧化而產生CO氣體已被眾人所認同。

一部分科研工作者贊成煤體在破碎階段形成CO氣體：工作面采機割煤生產期間，把煤分子結構的共價鍵破壞而發生煤分子脫羰現象，生成CO氣體；另外破煤過程會生成自由基，并和氧氣反應而產生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 分布規律方法主要有：利用解吸法對煤層CO進行測定[3]；借助研磨和溶解試驗分析煤層原生CO分布規律[4]；利用統計分析方法研究原生CO含量。以上研究方法都發現煤層自身含有原生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原始煤層開展試驗研究，鉆孔施工完畢后，通過向孔內注入濃度較高的氮氣以將孔內氣體置換出來，借助抽氣泵對孔內氣體進行抽取，使鉆孔成為負壓狀態，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，實現有效分析煤層賦存原生CO的可能性。

1 鉆孔探測原理

現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：煤層產生CO 氣體階段主要是漫長的成煤過程，在地質運動的作用下使得煤層暴露，其中一定體積的CO 氣體轉移到古大氣中，在煤強烈的吸附影響下一定體積的CO 氣體擴散至煤層孔隙裂縫中，最終產生煤層原生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，一是通過游離態賦存在煤體裂縫孔隙中，二是通過吸附態賦存在煤體裂縫孔隙的外表。研究煤對氣體吸附規律發現：當氣體壓力下降或者溫度增加時，氣體將從吸附態向游離態轉化。通過對原始煤層打鉆同時進行封堵處理，鉆孔底部將產生密閉空間，將孔內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，開始對鉆孔內密閉空間氣體進行抽取，人工造成鉆孔密閉空間的負壓狀態。如果煤層存在原生CO氣體時，CO氣體將由吸附態轉為游離態，擴散到密閉氣室，導致鉆孔內氣體壓力開始增大，直到與煤體中游離氣體達到壓力平衡。根據鉆孔內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行分析。

2.1 試驗地點

試驗地點選在山西焦煤集團西山煤電公司生輝煤業9#煤層一采區回風巷北側所開采工作面停采線之外上部，該處煤層沒有受采動破壞，有良好地質條件，地質構造簡單。此試驗設計探測鉆孔3 個，具體見圖1。3個鉆孔的長度為30 m，1號鉆孔位于一采區回風巷貫位以東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 鉆孔設計

探測鉆孔施工參數見表1，探測鉆孔密閉及內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 的高壓軟管安設在鉆孔內（鉆孔底部0.5 m 區域設計為花管），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

圖2 探測鉆孔密閉及內部管路布置情況

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。因此在鉆孔施工完后需立即進行封孔，同時向鉆孔內注入純度達99.99%的氮氣將鉆孔內氣體置換出，之后將高壓軟管的取樣嘴關閉。

對鉆孔氣體進行置換階段，借助壓力高達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號鉆孔壓力表讀數很快升高到1.4 MPa，保持2 h 之久，卻沒有發生顯著減小，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，存在漏氣。在采集氣體時，借助抽氣泵對鉆孔內氣體進行抽取，為避免取樣管殘留的氣體對試驗產生影響，排空初始氣體。氣體取樣完成后，將取樣嘴閥門關閉，接著將抽氣泵關閉。由于現場實際氧氣濃度存在前期變化顯著、后期變化緩慢的現象，設置前期每間隔1 d進行取氣，后期每間隔2 d 或3 d 進行取氣。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 測試結果分析

3.1 試驗結果

對3個探測鉆孔進行封孔并觀測，發現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現，鉆孔內充滿氮氣、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 鉆孔內氣體變化規律

由圖5 發現，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移到鉆孔內。封孔完成之后，2號鉆孔CO 氣體濃度達到107×10-6，3號鉆孔CO氣體濃度達到205×10-6，說明施工鉆孔時煤體發生氧化。伴隨時間延長，鉆孔內氧氣與一氧化碳濃度呈現基本一致的變化規律，通過對鉆孔內氣體進行抽取發現，第1天～6天（2021年9月29日～10月4日）鉆孔內氧氣與CO 氣體濃度發生明顯減小，氮氣濃度開始逐步增大，原因是抽取鉆孔內氣體導致的，再次說明鉆孔具有封孔質量較高。第6天～12天（2021年10月4日～10月10日），鉆孔內氣體濃度發生緩慢減小，原因是處于非置換環境中普通抽采泵無法將鉆孔抽取成完全真空導致的。第12天后，鉆孔內依然存在少量氧氣（濃度小于2%），氧氣濃度下降趨勢較小，氣相色譜儀持續7天沒有測定到CO。

圖5 鉆孔內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）鉆孔施工破煤產生；（c）前兩種來源綜合作用的結果。

（1）煤常溫氧化生成CO 氣體。在施工地點采集煤樣，通過試驗室機器破碎，要求煤樣粒徑范圍為0.2 mm～0.25 mm，在錐形瓶內裝入100 g 煤樣并密封進行常溫氧化試驗。圖6 為CO 濃度隨著時間的變化曲線。從圖6 發現，在常溫下煤樣發生氧化反應而生成CO氣體，伴隨時間變化，CO氣體量逐步升高。經過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]通過試驗研究發現處于低溫環境中的煤羰基能裂解生成CO 氣體，伴隨羰基官能團數量減少，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 氣體濃度變化規律如圖7 所示。從圖7發現，不管煤樣處于什么氣體環境——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。在氮氣環境下生成的CO 氣體量比空氣環境下生成的CO氣體量少。試驗結果表明在工作面采煤機破煤、移架、放頂煤、施工鉆孔等作業環節，均會發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氣體附著在鉆孔內壁上。封孔和用氮氣置換氣體后，鉆孔內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，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被阻礙。由圖4 發現，氧氣濃度小于2%時，煤體與氧氣的氧化反應停止，這時鉆孔內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壁的CO再次發生解吸；（c）以上2種原因共同導致。

在常溫常壓作用下，煤對混合氣體的吸附——解吸試驗結果證明，煤吸附混合氣體的強弱排序：二氧化碳＞一氧化碳＞甲烷＞氮氣；預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，吸附氮氣的能力比氧氣強。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聯，而且與被吸附氣體的分壓力大小相關。當氣體分壓力越大，就具有越強的競爭吸附能力，所以會出現置換吸附能力大、分壓力小的氣體，吸附能力小、分壓力大的氣體現象。當鉆孔內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壓抽取鉆孔內氣體，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，最終負壓抽出，最終導致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，由吸附態解析為游離態，接續擴散到鉆孔密閉氣室中，鉆孔內就會一直有CO氣體存在。試驗結果表明，2號和3號兩個鉆孔持續3 d都沒有測定出CO氣體，因此判斷煤層成煤過程中未產生原始CO氣體。

4 結論

（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致的。

（2）屬于Ⅱ類自燃的煤層，在恒溫常溫環境中可以氧化生成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 氣體產生的機理與來源，能夠更好地指導分析綜放面回風隅角出現大量CO氣體的原因，修正預測煤自燃指標CO 氣體的預報臨界值，有助于預測分析工作面采空區煤自燃發生情況。