综放面采空区煤自燃早期分级预警方法研究

王 喆，王新堂，姬乃启，马 德，张 勋，张建忠

(1.西安天河矿业科技有限责任公司，陕西 西安 710054；2.陕煤铜川矿业有限公司下石节煤矿，陕西 铜川 727101；3.西安科技大学安全科学与工程学院，陕西 西安 710054；4.陕西煤业化工技术研究院有限责任公司，陕西 西安 710000)

0 引言

煤自燃是一种物理和化学反应共同作用的结果，整个过程也是不断产生热量和放热的过程，全过程主要为煤氧复合过程。煤氧复合过程的特性跟多种因素都有关系，因温度、孔隙率、与空气接触面积等的不同都会有不同的结果[1-4]。

目前国内外使用较多的预测煤自燃程度方法有：直接感觉法、气体分析法、测温法和物探法等。其中气体分析法较其他方法操作便捷，可信度高，现已普遍应用于煤自燃预测中。由于煤矿井下现场环境受其他因素影响较大，现主要通过程序升温实验确定某个煤样的标志性气体。煤自燃过程中伴随着各种不同的气体产生，其中主要有CO、CO2、C2H2、C2H4、C2H6等气体，在煤温升高的过程中产生气体的种类和气体量也有所不同，所有可通过监测标志性气体进行煤自燃预测预报工作[5-9]。

以铜川某矿近距离煤层群煤自燃情况为例进行分析。该矿井222工作面开采4-2煤层，垂直上方3-2(4-1)煤层2301工作面采空区，间距3.7～38.4 m，平均21.76 m。正在回采的4-2煤层为Ⅰ类易自燃煤层。222工作面既是近距离煤层群开采，又是易自燃煤层，做好防灭火的预测预警工作至关重要。

1 实验

1.1 实验目的

开展矿井回采工作面采空区的防灭火工作，首先要对工作面所属煤层特性有一定的了解，对本煤层煤自然发火时产生的各类气体和气体量进行定性及定量分析，为下一步防灭火工作打牢基础。

本煤层各类标志性气体种类和气体量的确定可采用程序升温实验，该实验是将不同粒径煤样放到程序升温箱中加热，不断地升高箱温，在实验的不同过程测试煤样的特性及各类气体产生温度及产生量。煤体温度超过170 ℃之后达到着火点大概只需要1 d时间，研究煤体超过170 ℃之后的温度对煤自燃来讲失去了预测预警的意义，所以本实验最终将煤体温度升至170 ℃。

1.2 实验装置

本实验装置如图1所示，将称好的煤样装入直径10 cm，长22 cm的钢管中，给其均匀通气，管子两端均空出2 cm左右，然后置于利用可控硅控制温度的程序升温箱内加热，并送入预热空气，实验过程中收集不同煤温时产生的气体，然后对采集气体进行成分和定量分析[7-12]。

图1 程序加热升温实验流程Fig.1 Process of temperature programmed experiment

1.3 实验条件及过程

实验煤样在铜川某矿4-2煤层采取。将原煤样破碎并筛分出5种粒度的煤样，分别为：0～0.9 mm、0.9～3 mm、3～5 mm、5～7 mm和7～10 mm，及5种粒度煤样各220 g组成的混合煤样，向煤样中通入流量为120 mL/min的空气，同时给升温箱持续加热[13]，升温速率0.3 ℃/min，升温温度范围为30～170 ℃，温度每升高10 ℃取一次气体，然后使用色谱进行分析。

2 煤自燃预警指标分析

在选择煤自燃预警指标气体时，气体有灵敏性、规律性、可测性的特点，不能单纯以产生气体作为指标。除了可以利用CO浓度、CH4浓度、C2H6和C2H4浓度来预测煤自燃程度外，格氏系数、链烷比、烯烷比等参数均能够避免环境因素的影响对煤自燃程度进行准确识别及预警[13]。

通过煤自燃预警指标的选择要求，结合铜川某矿4-2煤层的实际情况，对本煤层预警指标进行选择：CO是煤氧化产生的气体，煤温升高过程中其浓度灵敏上升，而且CO浓度增长有一定的规律可循。选择CO作为煤自燃预警的主要指标，将CH4浓度选作辅助指标；C2H4气体大多是煤温较高时产生的气体，C2H6气体在某些矿井煤处于低温时也可出现，但这2种气体随煤温上升浓度都会继续增大。这里可以选择C2H4作为煤自燃预警的指标，C2H6作为辅助指标；格氏系数R2值可以反映煤升温过程中不同阶段的特征温度，煤氧化升温的程度。因此将格氏系数R2值选作煤自燃预报的主要指标，并辅以格氏系数R3、C2H4/C2H6值。

根据以上分析，文中选择以CO浓度、C2H4浓度、格氏系数R2值作为铜川某矿4-2煤层煤自燃预警的主要指标，以CH4浓度、C2H6浓度、格氏系数R3、C2H4/C2H6值作为辅助指标。然后结合煤样升温实验，通过对6组不同粒度的煤样升温实验得到的气体浓度数据进行分析，以确定具体的指标所对应数据。

3 实验结果及预警指标分析

3.1 CO气体浓度分析

在煤氧化过程中CO气体相对来讲是出现最早的，并且在整个实验过程中都会产生。在程序升温过程中，煤样产生的CO气体浓度变化情况，如图2所示。

图2 不同粒径煤样CO浓度与温度关系曲线Fig.2 Relationship between CO concentration and temperature of coal samples with different particle sizes

根据图2分析，在实验刚开始阶段能够检测出少量的CO气体，说明铜川某矿4-2煤层中含有低浓度CO。整个实验初期，CO浓度与煤样粒径大小关系不明确，随着实验不断进行，当煤温高于70 ℃时开始出现较明显的差异，其中混合煤样产生的CO浓度基本处于中间位置，可以看出在实验过程中煤样产生气体与其本身粒径有一定关系，即与煤样表面积相关，与氧接触表面积越大，即粒径越小，易氧化，产生的CO气体也就越多，反映出浓度随粒径变小而增大，CO浓度随温度升高明显增大[14]。

3.2 CH4气体浓度分析

CH4气体的产生与煤样煤质的不同区别较大，但同个煤层的气体差距不是很明显，以下为本实验过程中煤样产生CH4气体浓度的变化情况，如图3所示。

图3 不同粒径煤样CH4浓度与温度关系曲线Fig.3 Relationship between CH4 concentration and temperature of coal samples with different particle sizes

从图3可以看出，从常温至高温阶段，CH4含量较大，说明铜川某矿4-2煤层煤样中富含瓦斯气体较多，试验初期就可以测出一定含量的CH4气体，在实验过程中，均可测出有CH4气体产生。在煤温不断升高的过程中，煤体中分子的范德华力越来越小，对CH4的吸附能力逐渐减弱，所以在较高温时会快速产生CH4[15]。在50～120 ℃阶段CH4脱附基本完成，此后基本上均是煤热解产生的CH4。不同粒径的煤样均产生较多的CH4气体，而小粒径煤样相对于高粒径煤样，解吸速度更快。铜川某矿4-2煤层各粒径煤样CH4脱附温度及脱附峰浓度见表1，相关曲线如图4、图5所示。

表1 CH4脱附情况一览Table 1 Overview of CH4 desorption

图4 各粒径煤样CH4脱附温度Fig.4 CH4 desorption temperature of coal samples with different particle sizes

图5 各粒径煤样CH4脱附峰浓度Fig.5 CH4 desorption peak concentration of coal samples with different particle sizes

3.3 C2H6和C2H4气体

在煤自燃过程中会生成C2H6和C2H4气体，两者属于裂解气体，但也存在煤中本身赋存一定量气体，这时就需要经过专业知识对气体进行分析，6组煤样中C2H4和C2H6的浓度与温度关系，如图6～11所示。

从图6～图11可以看出，实验煤样在实验初期没有C2H4气体，煤温达到100 ℃左右时，检测出极少量的C2H4气体。说明该矿煤样富含一定浓度的C2H4气体，随着实验不断进行，C2H4气体产生随之增多，其主要是煤样高温裂解生成；C2H6气体在实验初期出现，说明煤样中本来就吸附一定量的C2H6气体，在随着煤温升高过程中发生脱附并释放出来。C2H6气体一部分来源于煤体赋存，另一部分来源于煤体高温裂解，所以C2H6气体不能作为煤自燃的预报性指标气体。以上2种气体产生率与粒径有关，粒径越小，产生量越多，并且温度越高，产生率越高。

图6 1#煤样C2H4和C2H6浓度与温度关系曲线Fig.6 Relationship between C2H4 and C2H6 concentration and temperature of 1# coal sample

图7 2#煤样C2H4和C2H6浓度与温度关系曲线Fig.7 Relationship between C2H4 and C2H6 concentration and temperature of 2# coal sample

图8 3#煤样C2H4和C2H6浓度与温度关系曲线Fig.8 Relationship between C2H4 and C2H6 concentration and temperature of 3# coal sample

图9 4#煤样C2H4和C2H6浓度与温度关系曲线Fig.9 Relationship between C2H4 and C2H6 concentration and temperature of 4# coal sample

图10 5#煤样C2H4和C2H6浓度与温度关系曲线Fig.10 Relationship between C2H4 and C2H6 concentration and temperature of 5# coal sample

图11 6#煤样C2H4和C2H6浓度与温度关系曲线Fig.11 Relationship between C2H4 and C2H6 concentration and temperature of 6# coal sample

3.4 格氏系数及C2H4/C2H6的比值分析

格氏系数是由煤的氧化过程中CO2浓度的增量、CO浓度的增量和O2浓度的减少量进行计算而来[15]。格氏系数R2、R3计算公式如下

R2=+ΔCO/(-ΔO2)

(1)

R3=+CO/(+ΔCO2)

(2)

由于其使用气体变量间的比值计算，不受风量等其他因素的影响，比单气体指标更为准确。将实验数据带入上式进行计算，得到格氏系数R随煤温的变化规律，如图12～14所示。

图12 R2与煤温关系曲线Fig.12 Relationship curve between R2 and coal temperature

由图12可知，在实验初期，由于煤样温度较低，煤温从30 ℃升至70 ℃比值上升缓慢，煤与氧气不完全氧化产生CO较少，格氏系数R2值约在0.020左右。煤温在70～120 ℃之间格氏系数R2值曲线比较平缓增速较低。当煤温达到70 ℃，此时已经超过临界温度，煤氧反应充分CO产生量也增加，格氏系数R2值大概在0.030左右。当煤温大于120 ℃，此时已经超过热解温度。煤样复合反应加快，格氏系数R2值增加速度极快，呈指数函数增加。因此，当格氏系数R2值大于0.020时，煤温已达到或高于临界温度；当格氏系数R2值大于0.030左右时，煤温超过热解温度，煤氧反应极速增加。

由图13表明，从煤样升温初期到70 ℃左右时，格氏系数R3值增速较慢。煤温在70～120 ℃，格氏系数R3值增加速率变得缓慢，此时煤样温度已经超过临界温度，煤样复合反应不完全氧化程度加快，CO产生量超过CO2产生量，所以格氏系数R3值增加速度较小。当煤温超过热解温度即120 ℃时，产生大量CO，格氏系数R3值增加速度再次加快，这是煤分子结构中惰性官能团激活参与反应所致。

图13 R3与煤温关系曲线Fig.13 Relationship curve between R3 and coal temperature

由图14可知，实验过程中，C2H4/C2H6值随煤温升高而升高，在煤温高于110 ℃后C2H4/C2H6随粒径减小而升高，且随煤温升高，粒径越小，C2H4/C2H6增速越大。

图14 C2H4/C2H6值与煤温关系曲线Fig.14 Relationship curve between C2H4/C2H6 value and coal temperature

4 分级预警体系及阈值确定

在该工作面推采过程中，可以利用预警指标对采空区遗煤自燃程度进行判定，然后采取对应的措施，这样就可以早发现早治理，有效防治煤自燃灾害的发生。结合采空区煤自燃主动分级预警方法，根据相关气体指标和温度划分，将煤自燃预警划分为3个等级，分别为一级预警、二级预警和三级预警，通过指标气体来判定采空区遗煤自燃程度，得出气体指标模型，见表2。

表2 煤自燃分级预警模型Table 2 Classified early warning model of coal spontaneous combustion

5 结论

(1)通过程序升温实验，测试了铜川某矿4-2煤层的煤自燃特性参数，得到了指标气体随煤温的变化规律。

(2)分析了铜川某矿4-2工作面煤自燃预警的主要指标气体和辅助指标气体，确定了预警指标。

(3)基于本次实验数据，构建了铜川某矿煤自燃分级预警指标气体和阈值。为实际生产中积极主动地进行防灭火工作提供了指导，为矿井的安全生产保驾护航。