龍灘煤礦K1煤層自燃標志氣體及其臨界值研究

王 毅,周 余,羅 廣,張定山,陳占全

(1.重慶工程職業技術學院,重慶 402260; 2.中煤科工集團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任公司,四川 廣安 638500)

采空區遺煤自燃是煤礦火災中的一種,嚴重威脅著煤礦生產安全[1]。研究具有煤層自燃傾向的煤礦現場是否排除煤自燃的因素至關重要。

導致煤礦火災發生的因素較多,包括煤層性質、現場通風狀況、煤自燃產生的氣體等[2]?；谇叭搜芯亢凸こ炭偨Y,對煤自燃中產生的氣體進行研究,有助于預防火災[3]。王永敬[4]、彥鵬[5]、易欣[6]、楊永辰[7]等對現場取的煤樣進行升溫實驗得到了自然發火標志性氣體,并對工程現場的CO濃度進行監測,建立了四級火災預警響應模型;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測模型;孫留濤等[9]基于煤自燃實驗優選標志性氣體后,對采空區自燃“三帶”進行了劃分;付晶等[10]運用灰色關聯法對煤層自燃標志性氣體進行了優選;邊冰等[11]以標志氣體分析法為基礎,提出了一種基于學習向量量化神經網絡的煤自然發火預報系統;梁運濤等[12]對煤層自然發火標志氣體中烷烴氣體進行色譜分析,運用改進的Tikhonov正則化方法進行特征變量的提取,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]等通過分析煤層自燃現狀,建立自燃災害預警體系,并對大量數據庫進行挖掘,設計了煤層自燃預警系統。

基于前人的研究成果,筆者通過對煤樣開展程序升溫實驗,分析出應用于現場的標志性氣體,運用數學方法計算出煤自燃的臨界溫度,并在現場鋪設氣體和溫度監測系統,運用煤自燃的臨界溫度推算煤自燃標志性氣體的濃度臨界值。結合實驗室實驗和現場試驗,測試標志性氣體濃度與溫度,綜合預測預防煤自燃引發的火災。

1 煤自燃標志氣體

1.1 煤自燃標志氣體確定方法

煤炭氧化是一個放熱的過程,煤溫會隨氧化程度加劇而逐漸上升,同時產生CO等氣體產物。將部分氣體作為標志性氣體對煤礦中煤自燃所引發的火災進行預測是當下的主要煤自燃預測方法[17-19]。在長期的研究中, CO作為煤自然發火的主要標志氣體已被認可。在煤自燃氧化的過程中,CO是出現最早的氣體,且貫穿于整個氧化過程,故煤礦通常把CO的出現作為煤自燃的征兆。

CO出現的臨界值,現階段主要通過數學模型法和實驗測試法進行確定。

1)數學模型法[20]認為上隅角CO主要來自于采空區遺煤氧化,根據采空區自燃帶的CO總產生量與采空區漏風量之比可得到工作面正?；夭蓵r上隅角CO濃度計算模型。

2)實驗測試法通過檢測煤樣升溫燃燒產生的氣體,獲取CO臨界值。

2種方法目前雖應用較廣,但也存在明顯不足。實驗測試法無法模擬現場的地質條件、氧化環境和采掘因素的干擾;數學模型法則未結合采空區CO濃度隨煤溫的變化規律,導致建立的采空區CO生成與運移模型的假設條件過于理想化,無法真實有效地反映煤層在整個回采期間的自然發火情況。

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,兩階段分界點對應的溫度即為煤自燃臨界溫度。

氧化反應的初期CO濃度隨煤溫升高緩慢上升,隨著氧化持續進行,煤溫不斷升高。當煤溫超過臨界溫度時,煤的氧化反應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。當煤溫達到自燃臨界溫度時,對應的CO質量濃度即為CO臨界值。當采空區CO質量濃度超過該臨界值時,說明煤溫已經超過臨界溫度,煤自燃反應速度會迅速加快直至發生自燃。

因此,可在實驗室開展煤樣程序升溫氧化實驗,計算獲得煤自燃臨界溫度值。同時,在現場實測正?；夭汕闆r下采空區CO濃度與煤溫的實際變化規律,兩者結合可得到煤自然發火標志氣體CO臨界值。

2 K1煤層自燃標志氣體實驗測定

從龍灘煤礦3122S回采工作面采集煤樣,設計煤樣程序升溫氧化實驗方案,通過實驗優選合適的標志氣體,為防止煤自燃火災提供早期預報。

2.1 實驗設備

實驗設備主要由氣路控制系統、程序控溫箱、煤樣罐、測溫儀、氣體分析檢測儀、溫度控制系統等組成,如圖1所示。

圖1 煤自燃標志氣體實驗系統示意圖

2.2 實驗準備

1)煤樣采集

在龍灘煤礦3122S回采工作面采集新揭露煤體,經密封儲存運至實驗室后,剝去煤樣表面氧化層,并破碎篩分出40～80目(粒徑為178～425 μm)的顆粒50 g作為實驗煤樣。

2)實驗過程

將制作的煤樣置于煤樣罐內放入程序控溫箱中,連接好進氣氣路、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;測試時向煤樣內通入50 mL/min的干空氣;對煤樣進行加熱,當達到指定測試溫度時,取氣樣進行氣體成分和濃度分析。

2.3 實驗結果

實驗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據見表1。

表1 CO、CO2質量濃度隨溫度變化分析數據

對3122S回采工作面煤層煤樣氧化氣體組分進行分析,其變化趨勢如圖2所示。

(a)CO、CO2質量濃度變化

由圖2可知:當氧化實驗溫度到達160 ℃時,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6種氣體濃度隨溫度變化進行標志性氣體分析:

1)在常溫下,煤樣未釋放CO;煤樣在溫度上升至40 ℃時開始釋放CO氣體; 40～110 ℃時,CO的釋放量較小且上升速率較低,呈現平穩上升趨勢;大于110 ℃后,CO釋放量驟升,煤樣氧化程度加劇。因此,CO可作為煤炭早期預報氣體,一旦發現CO,必須及時跟蹤監測CO濃度的變化趨勢,若是發現其質量濃度持續上升,即可視其為自燃征兆。

2)CO2受井下大氣環境影響較大,CH4為煤炭開采時常溫下正常釋放的氣體,因此這2種氣體一般不作為預測預報煤炭自燃的標志性氣體。

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,可認為原始煤層中含有C2H6、C3H8氣體。因此,C2H6、C3H8氣體不作為預測預報該煤層自燃的標志性氣體。

4)溫度上升至160 ℃時,檢測到C2H4質量濃度為0.90 mg/L。由此可見,C2H4在煤樣氧化過程中,需要煤樣達到160 ℃以上高溫時才能產生,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測該煤層煤炭氧化自燃的標志性氣體。

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

根據《煤層自然發火標志性氣體色譜分析及指標優選方法》中的標志性氣體優選原則:中變質程度的焦煤、瘦煤及貧煤,應優先考慮CO、烯烴及烯烷比(C2H4與C2H6濃度比)作為標志氣體及其指標。3122S回采工作面煤樣自燃標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 ℃,煤樣氧化過程中所測氣體的烯烷比最大值約為0.04,此時對應的溫度為210 ℃。烯烷比隨著溫度的升高呈增大的趨勢,因此烯烷比可以作為3122S回采工作面煤炭氧化自燃標志氣體的輔助指標。

3 煤自燃臨界溫度確定

綜上所述,對煤樣程序升溫實驗得到的CO產生速率和溫度進行處理,計算得到lncout與(-1/T),并繪制出lncout隨(-1/T)的變化圖,進行線性擬合。擬合直線斜率(E/R)的變化,可以反映煤氧化過程中不同階段表觀活化能的變化,表觀活化能發生突變的點對應的溫度即為臨界溫度。

煤樣在160 ℃時釋放C2H4氣體,表明此時煤樣已經進入了劇烈氧化階段。由于煤的自燃溫度一般為60～80 ℃,因此,重點研究40～160 ℃內的煤氧化反應活化能變化情況。lncout與-1/T的值見表2,lncout與(-1/T)關系曲線如圖4所示。

表2 實驗室所測數據ln cout與-1/T值

圖4 龍灘煤礦煤樣ln cout與-1/T關系曲線

對整體曲線進行分段擬合后,2條擬合直線的擬合優度R2分別達到了0.971 3與0.981 0,擬合程度較高。將2條擬合直線聯立:

(1)

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

4 煤層自然發火標志氣體現場測試

4.1 現場測試設備及系統

1)溫度測試系統

現場測試采用高精度白金電阻溫度表作為測試儀表,測溫元件采用集成溫度傳感器PT100(測溫范圍為-50～200 ℃)。

2)抽氣系統

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負壓采樣器。

3)氣相色譜分析系統

采用氣囊將井下收集的氣體帶入實驗室;利用氣相色譜儀進行色譜分析。

4.2 測點布置

抽氣管和溫度傳感器PT100的布置方式采用工作面回風巷埋管。由于現場條件的限制,在工作面回風巷中共設2個測點,兩測點沿走向間距為20 m,在回風巷的支架后方先布置一個采樣點進行采樣。3122S回采工作面推進20～30 m后,再在回風巷的支架后方布置另一個采樣點,此后,2個測點同時進行采樣。采樣點布置如圖5所示。

圖5 采樣點布置示意圖

4.3 現場實測數據分析

2022年7月8日至8月27日,對龍灘煤礦3122S回采工作面采空區氧化帶中各種氣體濃度進行實測?，F場采用高精度溫度表及溫度傳感器PT100測定采空區的溫度;統計工作面推進期間回風巷測點與工作面的距離;通過數據處理得到距工作面不同位置測點的溫度及氣體濃度。

龍灘煤礦3122S工作面采空區中1#、2#測點CO質量濃度隨推進距離的分布曲線如圖6所示。

(a)1#測點

4.4 采空區CO臨界值確定

基于煤礦現場CO和C2H4實測結果,構建一種煤層自然發火標志氣體臨界值確定方法,可準確地對煤自燃災害進行預測預報,為防止采空區煤自燃提供重要保障。

繪制1#、2#測點的CO質量濃度與溫度對應的散點圖,分別對散點圖進行對數擬合,如圖7所示。

(a)1#測點

根據擬合曲線及數據結果可知,1#、2#測點數據擬合的對數函數表達式如下:

y=76.562lnx-236.59

(2)

y=64.42lnx-198.86

(3)

式中:y為CO質量濃度,mg/L;x為溫度,℃。

根據實驗測得龍灘煤礦K1煤層煤自燃臨界溫度為87 ℃,將x=87 ℃代入式(2)中,計算得到1#測點此溫度下CO質量濃度為105.30 mg/L;同理將x=87 ℃代入式(3)中,得到2#測點此溫度下CO質量濃度為88.80 mg/L。

綜上所述,1#測點、2#測點的CO臨界質量濃度分別為105.30、88.80 mg/L。出于安全考慮,將采空區CO質量濃度臨界值確定為88.80 mg/L。當采空區CO質量濃度接近105.30 mg/L時,就需及時采取防滅火措施。

4.5 采空區C2H4臨界值確定

現場測試中,在3122S回采工作面采空區氧化帶內未檢測到C2H4氣體,因此無法采用上述方法確定采空區氧化帶C2H4的臨界值。但根據實驗室煤自然發火標志氣體實驗結果可知,煤樣首次出現C2H4氣體時,溫度為160 ℃、質量濃度為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或回風流中檢測出C2H4氣體,說明煤樣已進入加速氧化階段,采空區已存在160 ℃以上的高溫區域,應立即采取措施,及時治理煤層自燃。

5 結束語

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

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

3)構建了基于采空區內部CO質量濃度隨煤溫變化規律及煤自燃特性的煤層自然發火標志氣體CO臨界值確定方法;通過綜合分析現場實測的采空區自然發火標志氣體,確定了龍灘煤礦K1煤層回采工作面采空區的自燃標志氣體CO、C2H4臨界值分別為88.80、0.90 mg/L。