工作面采空区自然发火预测预报试验研究

唐文杰

（潞安化工集团有限公司市场技术部，山西 长治 046202）

1 引言

煤在氧化反应中，会产生多种不同的气体，这些气体都有最低反应温度和气体的生成量，同时，煤温之间的关系与煤种的氧化自燃程度有很大关系，而对于岩层的自然发火预测工作还没有开展过。根据前人总结的经验，煤自燃可以通过自燃过程中产生的气体来判断煤是否自然发火，该种气体被称为标志性气体。《煤矿安全规程》规定，开采一类和二类自燃煤层时，需要明确煤层自然发火的标志性气体。煤炭开采过程中通过试验测试，优选出最适合的指标气体，为煤炭自然火灾早期预报提供必要的前提条件，同时也使得在实际开采过程中的煤炭自燃防治工作更具有针对性[1-3]。

2 煤样氧化温升过程的气体产物特性分析

（1）实验设备

煤自然发火气体的反应产物模拟仿真实验设备原理示意图，具体如图1，其通常是由应用程序温度控制箱、气体分析测量仪、温度操控系统、流量控制操作设备等构成。

图1 指标气体实验系统图

（2）实验过程

① 样品选取

从矿井83022 工作面现采煤层选取，经密封储存邮运至实验室。采样前先剥去煤样表面氧化层，然后对煤样进行破碎，并筛分出40～80 目的颗粒。

② 实验步骤

将粒度为40～80 目的混合煤样50 g 置于铜质煤样罐内，将煤样罐置于程序控温箱内，连接好进气气路、出气气路和温度探头（探头置于煤样罐的几何中心），检查气路的气密性。当煤温达到30 ℃时向煤样内通入50 mL/min 的干空气，并将测试炉调整至0.8 ℃/min 程序升温。在反应初期每10 ℃分析一次气体成分和浓度，加速氧化阶段每12 min分析一次气体成分和浓度。

（3）测试结果

① 测试数据

在上述实验条件下得到矿井83022 工作面煤样气体产物随温度的变化。在实验过程中，随着温度的增加，各气体浓度逐渐发生变化，实验数据见表1。

表1 煤样自燃过程指标气体测试结果（ppm）

对矿井83022 工作面煤样测试实验过程中气体自动生成的实际状况展开研究分析，其实际有效浓度改变的态势，具体示意图如2、图3。

图2 矿井煤样CO、CO2 变化趋势图

图3 矿井8#煤样CH4、C2H6 、C2H4、C3H8 变化趋势图

③ 指标气体分析

煤样在30.0～180.0 ℃的温度作用，其氧化过程中会有规律性的出现一氧化碳、二氧化碳、甲烷、乙烷、丙烷与乙烯等气体，并且产生量与温度成正比例关系；在30.0～200 ℃的温度内，煤样中没有产生乙炔，但是一氧化碳、二氧化碳、甲烷等气体均在30 min 内产生。在试验初期，一氧化碳量逐渐升高，但是总量较低，煤温在达到110.0 ℃以后，其生成量快速上升，此时煤样全面进入了快速氧化反应时期。30.0～200.0 ℃的温度范围内，没有生成乙炔气体。一氧化碳的生成量在低温氧化时较低，煤温到达110.0 ℃以后，其生成量上升速度增加，表明110.0 ℃后，该煤样已进入快速氧化时期。煤温达到20 ℃、100 ℃和110 ℃时分别开始出现C2H6气体、C3H8气体和C2H4气体，其浓度不大但随煤温升高持续上升。

所以，以一氧化碳作为标志性气体，并且结合乙烯、丙烷与乙炔来分析煤的自然发火特征。一氧化碳的生成及变化特征能较好表明煤的氧化反应程度；乙烯、丙烷产生说明煤温早已达到100～110.0 ℃；乙炔的产生表明煤温早已超越200.0 ℃。煤矿测试现场检测到乙炔时，就可能已经发生了煤自燃，此时应该立刻采取积极主动的防灭火措施手段。

3 自然发火预测预报指标气体分析与优选

烯烃、炔烃和一氧化碳是煤产生自然发火氧化反应的结果，是标志煤产生自燃氧化反应进程的重要组分。其中，甲烷与二氧化碳不作为煤自燃氧化反应进程的特点气体成分，而乙烷、丙烷气体则需要参考初始的温度值与后期温度变化规律，来确定这两种气体是否可以作为煤自燃指标性气体。

调试实验样品里，一氧化碳在30.0 ℃时候开始产生，并且其形成量伴随着煤温的增高而增大，180.0 ℃以前，这种变化关系还基本符合指数递增变化规律。一氧化碳的产生说明煤样早已开始氧化反应，一氧化碳的实际有效浓度愈来愈高，就说明煤样氧化反应愈来愈激烈，其自燃危险性越大。所以，一氧化碳作为煤自燃预测预报的标志性气体是可行的，但是在煤自燃氧化过程中，温度的预测还需与其他气体的温度变化一起来分析。

因此，通过对测试样品的实验研究，可得出以下结论：

（1）一氧化碳是工作面自然发火的指标性气体之一。一氧化碳的产生，说明煤样早已开始氧化反应，一氧化碳的实际有效浓度愈来愈高，就说明煤样氧化反应愈来愈激烈，危险性越大。但由于在整个自然发火过程中都有一氧化碳产生，因此在实际生产过程中应用一氧化碳标志气体应该分两部分考察：① 现场气体检测中是否存在一氧化碳，如果存在一氧化碳，则表明岩样开始氧化。② 产生一氧化碳之后，其实际有效浓度改变态势怎样，如果一氧化碳的浓度持续加大，则很有可能是岩样的氧化反应程度在加剧；如果一氧化碳浓度变化比较平稳，这说明低温氧化得到一定程度的控制；如果一氧化碳浓度持续下降则表明自燃灾害得到有效控制。

（2）乙烯是煤样局部开始进入加速推动氧化反应时期的代表性气体。乙烯的产生说明煤样局部实际温度早已达到110.0 ℃。

（3）乙炔的产生，代表着煤样的局部实际温度超越了200.0 ℃。只要在矿井下发现到了乙炔，就应该看作煤层局部早已可能产生明火或者阴燃，采取措施时需更加谨慎。

4 应用验证

83022 工作面于2019 年11 月25 日开始回采，截至2020 年10 月31 日，工作面累计回采进度为头1 088.5 m、尾1 090.5 m。工作面采用预埋双管注氮，1#注氮管路进入采空区61 m，2#注氮管路进入采空区31 m，注氮总流量为1600 m3/h，平均日注氮约38 400 m3。工作面束管测点共5 个，分别为23022 巷2 趟、53022 巷2 趟、83022 顶回1 趟。根据束管监测系统每日监测数据和观测站观测数据绘制采空区自然发火标志气体变化曲线如图4。

图4 83022 工作面采空区束管内CO 浓度变化曲线

由上图CO 浓度变化曲线可知，83022 综放工作面采空区内自然发火标志性气体CO 浓度维持在较高水平，最高CO 浓度达67 ppm，但采空区内尚无C2H4出现。采空区内CO 浓度维持在较低水平，采空区无明显自然发火迹象，采空区内氧气浓度维持在12%的防火堕化指标以下，需加强采空区注氮，密切关注采空区内CO 等指标气体变化情况，一旦发现异常及时采取措施进行处理。同时，加强束管监控系统日常维护管理，确保采空区气体监测数据准确。