张双楼煤矿回撤工作面自然发火预警标志气体及临界值确定

段晓平 陆 愿 魏连江

（1.江苏徐矿股份有限公司张双楼矿，江苏 沛县 221600；2.中国矿业大学，江苏 徐州 221116 ）

煤矿采煤工作面自燃是矿井主要灾害之一，煤自燃影响矿井生产且产生有毒有害气体。采煤工作面煤层自燃通常依靠检测标志性气体进行预警和防治。各个煤矿由于地质条件不同，工作面自然发火标志气体浓度指标及预警临界值不能一概而论。

王文清将神东矿区5个不同煤层为研究对象，分析得出正常开采条件下，回风隅角CO指标临界值为9×10-5，当上升至3.5×10-4时，采空区遗煤已达临界温度（60～70 ℃）[1]。康宇对某矿10+11#煤层煤样进行自然发火气体产物模拟试验最后优选出CO、C2H4、C2H2、C2H4/C2H6、C3H8/C2H6作为该矿10+11#煤层煤自然发火预测指标[2]。

张双楼煤矿由于特殊的地质条件，遗煤分布及上覆岩层附近存在黄铁矿等特殊因素，不能照搬照抄上述预测煤自燃的方法进行监控预警，需要确定张双楼矿预测预警煤层自然发火的指标及其临界值。因此本文针对张双楼煤矿工作面采空区遗煤分布、煤柱裂隙、围岩变形及破碎等引起煤自燃参数特征，分析各主要发火因素哪一因素是主控因素，对回撤工作面煤样进行煤升温氧化试验，得出延期回撤期间自然发火标志气体浓度指标及预警临界值确定值[3-8]。

1 试验及矿井工作面概况

1.1 矿井及回撤工作面概况

张双楼矿为低瓦斯矿井，本采区7煤结构简单，属稳定的厚煤层。直接顶多为泥岩，直接底为砂质泥岩，均厚6.86 m。7煤老顶细砂岩裂隙发育，局部构造裂隙发育处顶板有淋水现象。7201工作面位于-500 m水平西一采区，东起东风井保护煤柱，西距-500 m西二运输上山约70 m，南至7煤煤层开采上限以下，北部为7403工作面采空区。工作面煤厚为3.80 m，采用综合机械化采煤，一次采全高回采工艺，全部垮落法管理顶板；走向长度为1030 m，工作面平均倾斜长度194 m，工作面平均倾角22°，回采速度3.78 m/d。

7201工作面为矿井煤层边界工作面，区段保护煤柱在受到采掘活动影响下，煤柱煤体出现破碎、裂隙，形成漏风通道，使工作面采空区供氧充足。7201工作面回采末期，工作面煤层厚度变化，平均煤厚4.8 m，在沿顶开采时留有1 m底煤，受采动影响煤体破裂出现裂隙，此时采空区垮落沉积不实，采空区漏风和较长回撤周期为底煤氧化蓄热提供了有利条件，使得采空区底部遗煤自燃危险性增大。根据计划安排，采取先将回采结束的工作面封闭，后期恢复通风继续拆除支架的办法完成工作面回撤。总回撤时间94 d，已超过煤层最短自然发火周期47 d。

1.2 试验装置及方案

首先按照国家标准取样规定（引用）在开采工作面取样地点取出大块煤样，立即用塑料布进行严格密封，运至实验室，制样前先剥去煤样表面氧化层，对其进行破碎并筛分出40～80目的颗粒50 g作为试验煤样。将1 g粒度为40～80目的煤样置于铜质煤样罐内，将煤样罐置于程序控温箱内，然后连接好进气气路、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。测试时向煤样内通入100 mL/min的干空气，在程序控温箱控制下对煤样进行加热，当达到指定测试温度时，恒定温度5 min后采取气样进行气体成分和浓度分析。

2 结果与讨论

2.1 指标气体

从7201工作面提取煤样，按照试验过程对所取煤样进行测试，记录升温氧化过程产生的指标气体随温度变化趋势，结果如图1。

图1 7201工作面煤样氧化升温CO、CO2、 CH4、C2H4、C2H6、C2H2、C3H8浓度随温度变化趋势

由图1可知，煤样在30～300 ℃温度范围的氧化过程中有规律的出现CO、CO2气体，且生成量随煤温的升高基本呈指数上升趋势；CO、CO2、CH4三种气体均在30℃左右时即开始出现，CO的生成量在低温氧化阶段较小，煤温达到155～160 ℃之后其生成量迅速增加，这说明该温度下煤已经开始迅速氧化，物理吸附已经越来越弱而化学吸附和化学反应则占据了主要位置。CH4在30 ℃就出现，且伴随整个试验过程，说明煤样中赋存有CH4气体；当温度达到35 ℃左右，出现了C3H8气体，变化较平缓；当温度超过100 ℃时开始有少量C2H4、C2H6，并呈现出有规律的变化；升温过程中一直到达260 ℃左右才出现C2H2气体。综上所述，煤样开采的指标气体应该以CO作为主指标，以C2H4、C2H6、C2H2、C3H8及其相关系数为辅助指标。

当工作面产生CO说明煤温已经超过30 ℃，如果CO的上升趋势比较缓慢，说明煤温没有超过100 ℃，如果CO的变化趋势出现明显的上升拐点，或者产生C2H4、C2H6，说明此时煤温已经超过100℃，此时煤体已经进入快速氧化阶段；当煤温超过130 ℃，煤中分子链开始断裂，煤的氧化即将进入剧烈阶段。

2.2 C2H6/CH4、C3H8/C2H6值随温度变化趋势

图2展示了C2H6/CH4与C3H8/CH4在数值上随温度的增加表现出先增加后减小趋势，C3H8/C2H6随煤温的升高表现出先减小后再增加的趋势。C2H6/CH4曲线在130 ℃左右速率剧增，210 ℃后呈下降趋势，C3H8/CH4曲线在150 ℃之前上下波动平缓，而150 ℃之后迅速上升，C3H8/C2H6曲线在110～160 ℃范围内，曲线呈下降趋势，160～300℃呈上升趋势，200 ℃后，比值剧增，说明煤样已经进入剧烈氧化阶段。图3中可以发现C2H6/CH4和C3H8/CH4在130～150 ℃左右出现了曲线突变，这与CO2气体产生开始迅速增加的温度点相对应，说明当煤体超过该温度范围后，进入剧烈氧化阶段，链烷比发生突变。上述链烷比指标虽然能够判断煤自燃的程度，但是规律性不太明显，因此不能作为判断煤自燃的辅助指标。

图2 7201工作面煤样氧化升温过程

图3 7201工作面煤样氧化升温过程烯烷比随温度变化

2.3 烯烷比和CO增加速率

煤的低温氧化阶段，CO显示较为灵敏，但是抗干扰能力较弱，无法准确定位燃烧阶段，而C2H4、C2H2等是煤氧化到一定温度时出现的产物，故他们可以作为煤自燃的指标气体。为提高预判的准确度，提出利用CO增加速率与烯烷比为辅助指标，来判断煤自燃的发展阶段。

如图3所示，煤温超过90 ℃，产生少量C2H4、C2H6气体，说明此时煤温已经超过100 ℃，此时煤体已经进入快速氧化阶段；如果检测到C2H4开始呈现平稳上升趋势说明煤温已经超过130 ℃，煤中分子链开始断裂，煤的氧化即将进入剧烈阶段。依据CO增加速率和烯烷比的数值不同，可以将煤氧化的整个过程划分为六个阶段，每个阶段的临界预警指标见表1，每个阶段对应不同的温度。工作面煤样氧化升温过程中各阶段临界指标见表2。

表1 7201工作面煤样氧化升温过程各阶段烷烯比值

表2 7201工作面煤样氧化升温过程中各阶段临界指标

综上所述，对于张双楼煤样，生产过程中以CO为煤自燃的主要预测指标，同时辅之以临界预警指标来判断煤温，准确掌握煤炭自燃所处的阶段，采取相应措施。

2.4 煤自燃机理及主控因素分析

煤自燃发生的机理认为煤自燃必须具备四个条件，即煤具有自燃倾向性且呈破碎状态堆积、有连续的通风供氧条件、煤氧化过程中生成的热量大于散去的热量、前面三个条件共存时间大于煤的自然发火期，最终导致煤自燃。

张双楼煤矿7201工作面直接顶特别是煤中含有以黄铁矿形式存在的硫，黄铁矿中的二价铁离子易与空气中的水分和氧相互作用，更容易氧化放出热量，将会对煤的自燃起加速作用。煤柱煤体出现破碎、裂隙，形成漏风通道，使工作面采空区供氧充足。受采动影响煤体破裂出现裂隙，此时采空区垮落沉积不实，采空区漏风和较长回撤周期为底煤氧化蓄热提供了有利条件，使得采空区底部遗煤自燃危险性增大，给工作面回撤及矿井安全生产带来较大的安全隐患。本工作面在停采后封闭、撤面时间较长，总回撤时间已超过煤层最短自然发火周期，增加了采空区的自燃危险性。

3 结论

（1）张双楼矿煤自燃指标应该以CO作为主指标，以C2H4、C2H6、C2H6、C3H8、烯烷比和CO增加速率为辅助指标。

（2）煤温在80～90 ℃之间，煤体CO产生速率发生了突变，判定该煤样的临界温度80～90 ℃。

（3）采用烯烷比和CO增加速率作为辅助指标，根据其数值不同准确判断煤自燃所处的阶段。