龙滩煤矿K1煤层自燃标志气体及其临界值研究

王 毅,周 余,罗 广,张定山,陈占全

(1.重庆工程职业技术学院,重庆 402260; 2.中煤科工集团重庆研究院有限公司,重庆 400039; 3.四川华蓥山龙滩煤电有限责任公司,四川 广安 638500)

采空区遗煤自燃是煤矿火灾中的一种,严重威胁着煤矿生产安全[1]。研究具有煤层自燃倾向的煤矿现场是否排除煤自燃的因素至关重要。

导致煤矿火灾发生的因素较多,包括煤层性质、现场通风状况、煤自燃产生的气体等[2]。基于前人研究和工程总结,对煤自燃中产生的气体进行研究,有助于预防火灾[3]。王永敬[4]、彦鹏[5]、易欣[6]、杨永辰[7]等对现场取的煤样进行升温实验得到了自然发火标志性气体,并对工程现场的CO浓度进行监测,建立了四级火灾预警响应模型;朱令起等[8]利用CO2和CO浓度的比值η与温度拟合建立煤自燃早期预测模型;孙留涛等[9]基于煤自燃实验优选标志性气体后,对采空区自燃“三带”进行了划分;付晶等[10]运用灰色关联法对煤层自燃标志性气体进行了优选;边冰等[11]以标志气体分析法为基础,提出了一种基于学习向量量化神经网络的煤自然发火预报系统;梁运涛等[12]对煤层自然发火标志气体中烷烃气体进行色谱分析,运用改进的Tikhonov正则化方法进行特征变量的提取,建立了小样本高精度的分析模型;文虎[13]、魏超[14]、刘爱华[15]、 谢中朋[16]等通过分析煤层自燃现状,建立自燃灾害预警体系,并对大量数据库进行挖掘,设计了煤层自燃预警系统。

基于前人的研究成果,笔者通过对煤样开展程序升温实验,分析出应用于现场的标志性气体,运用数学方法计算出煤自燃的临界温度,并在现场铺设气体和温度监测系统,运用煤自燃的临界温度推算煤自燃标志性气体的浓度临界值。结合实验室实验和现场试验,测试标志性气体浓度与温度,综合预测预防煤自燃引发的火灾。

1 煤自燃标志气体

1.1 煤自燃标志气体确定方法

煤炭氧化是一个放热的过程,煤温会随氧化程度加剧而逐渐上升,同时产生CO等气体产物。将部分气体作为标志性气体对煤矿中煤自燃所引发的火灾进行预测是当下的主要煤自燃预测方法[17-19]。在长期的研究中, CO作为煤自然发火的主要标志气体已被认可。在煤自燃氧化的过程中,CO是出现最早的气体,且贯穿于整个氧化过程,故煤矿通常把CO的出现作为煤自燃的征兆。

CO出现的临界值,现阶段主要通过数学模型法和实验测试法进行确定。

1)数学模型法[20]认为上隅角CO主要来自于采空区遗煤氧化,根据采空区自燃带的CO总产生量与采空区漏风量之比可得到工作面正常回采时上隅角CO浓度计算模型。

2)实验测试法通过检测煤样升温燃烧产生的气体,获取CO临界值。

2种方法目前虽应用较广,但也存在明显不足。实验测试法无法模拟现场的地质条件、氧化环境和采掘因素的干扰;数学模型法则未结合采空区CO浓度随煤温的变化规律,导致建立的采空区CO生成与运移模型的假设条件过于理想化,无法真实有效地反映煤层在整个回采期间的自然发火情况。

1.2 煤氧化CO临界值确定

煤的自燃一般分为低温缓慢氧化阶段和高温剧烈氧化阶段,两阶段分界点对应的温度即为煤自燃临界温度。

氧化反应的初期CO浓度随煤温升高缓慢上升,随着氧化持续进行,煤温不断升高。当煤温超过临界温度时,煤的氧化反应将由低温缓慢氧化阶段上升到高温剧烈氧化阶段,该阶段CO浓度急剧上升。当煤温达到自燃临界温度时,对应的CO质量浓度即为CO临界值。当采空区CO质量浓度超过该临界值时,说明煤温已经超过临界温度,煤自燃反应速度会迅速加快直至发生自燃。

因此,可在实验室开展煤样程序升温氧化实验,计算获得煤自燃临界温度值。同时,在现场实测正常回采情况下采空区CO浓度与煤温的实际变化规律,两者结合可得到煤自然发火标志气体CO临界值。

2 K1煤层自燃标志气体实验测定

从龙滩煤矿3122S回采工作面采集煤样,设计煤样程序升温氧化实验方案,通过实验优选合适的标志气体,为防止煤自燃火灾提供早期预报。

2.1 实验设备

实验设备主要由气路控制系统、程序控温箱、煤样罐、测温仪、气体分析检测仪、温度控制系统等组成,如图1所示。

图1 煤自燃标志气体实验系统示意图

2.2 实验准备

1)煤样采集

在龙滩煤矿3122S回采工作面采集新揭露煤体,经密封储存运至实验室后,剥去煤样表面氧化层,并破碎筛分出40～80目(粒径为178～425 μm)的颗粒50 g作为实验煤样。

2)实验过程

将制作的煤样置于煤样罐内放入程序控温箱中,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50 mL/min的干空气;对煤样进行加热,当达到指定测试温度时,取气样进行气体成分和浓度分析。

2.3 实验结果

实验分析所取煤样升温氧化生成的气体成分,CO、CO2浓度随温度变化的分析数据见表1。

表1 CO、CO2质量浓度随温度变化分析数据

对3122S回采工作面煤层煤样氧化气体组分进行分析,其变化趋势如图2所示。

(a)CO、CO2质量浓度变化

由图2可知:当氧化实验温度到达160 ℃时,煤样中释放的气体有CO、CO2、甲烷(CH4)、乙烷(C2H6)、乙烯(C2H4)、丙烷(C3H8)6种。对6种气体浓度随温度变化进行标志性气体分析:

1)在常温下,煤样未释放CO;煤样在温度上升至40 ℃时开始释放CO气体; 40～110 ℃时,CO的释放量较小且上升速率较低,呈现平稳上升趋势;大于110 ℃后,CO释放量骤升,煤样氧化程度加剧。因此,CO可作为煤炭早期预报气体,一旦发现CO,必须及时跟踪监测CO浓度的变化趋势,若是发现其质量浓度持续上升,即可视其为自燃征兆。

2)CO2受井下大气环境影响较大,CH4为煤炭开采时常温下正常释放的气体,因此这2种气体一般不作为预测预报煤炭自燃的标志性气体。

3)常温下,煤样就释放有C2H6、C3H8气体,并且释放量随温度的升高而不断增大,可认为原始煤层中含有C2H6、C3H8气体。因此,C2H6、C3H8气体不作为预测预报该煤层自燃的标志性气体。

4)温度上升至160 ℃时,检测到C2H4质量浓度为0.90 mg/L。由此可见,C2H4在煤样氧化过程中,需要煤样达到160 ℃以上高温时才能产生,并且气体浓度随温度的升高而不断增大,因此可以将其作为预测该煤层煤炭氧化自燃的标志性气体。

因此,龙滩煤矿3122S回采工作面煤炭氧化自燃过程中,选取CO、C2H4为主要标志性气体。

根据《煤层自然发火标志性气体色谱分析及指标优选方法》中的标志性气体优选原则:中变质程度的焦煤、瘦煤及贫煤,应优先考虑CO、烯烃及烯烷比(C2H4与C2H6浓度比)作为标志气体及其指标。3122S回采工作面煤样自燃标志性气体中烯烷比随温度变化情况如图3所示。

图3 龙滩煤矿煤样氧化生成气体的烯烷比

由图3可知:在160～210 ℃,煤样氧化过程中所测气体的烯烷比最大值约为0.04,此时对应的温度为210 ℃。烯烷比随着温度的升高呈增大的趋势,因此烯烷比可以作为3122S回采工作面煤炭氧化自燃标志气体的辅助指标。

3 煤自燃临界温度确定

综上所述,对煤样程序升温实验得到的CO产生速率和温度进行处理,计算得到lncout与(-1/T),并绘制出lncout随(-1/T)的变化图,进行线性拟合。拟合直线斜率(E/R)的变化,可以反映煤氧化过程中不同阶段表观活化能的变化,表观活化能发生突变的点对应的温度即为临界温度。

煤样在160 ℃时释放C2H4气体,表明此时煤样已经进入了剧烈氧化阶段。由于煤的自燃温度一般为60～80 ℃,因此,重点研究40～160 ℃内的煤氧化反应活化能变化情况。lncout与-1/T的值见表2,lncout与(-1/T)关系曲线如图4所示。

表2 实验室所测数据ln cout与-1/T值

图4 龙滩煤矿煤样ln cout与-1/T关系曲线

对整体曲线进行分段拟合后,2条拟合直线的拟合优度R2分别达到了0.971 3与0.981 0,拟合程度较高。将2条拟合直线联立:

(1)

可以得到,当(-1/T)取-0.011 5时,2条直线相交,即温度为87 ℃时活化能发生了突变。因此,3122S回采工作面煤层煤样自燃临界温度为87 ℃。

4 煤层自然发火标志气体现场测试

4.1 现场测试设备及系统

1)温度测试系统

现场测试采用高精度白金电阻温度表作为测试仪表,测温元件采用集成温度传感器PT100(测温范围为-50～200 ℃)。

2)抽气系统

井下气样采集仪器采用CFZ22(A)型煤矿井下专用的防爆型气体自动负压采样器。

3)气相色谱分析系统

采用气囊将井下收集的气体带入实验室;利用气相色谱仪进行色谱分析。

4.2 测点布置

抽气管和温度传感器PT100的布置方式采用工作面回风巷埋管。由于现场条件的限制,在工作面回风巷中共设2个测点,两测点沿走向间距为20 m,在回风巷的支架后方先布置一个采样点进行采样。3122S回采工作面推进20～30 m后,再在回风巷的支架后方布置另一个采样点,此后,2个测点同时进行采样。采样点布置如图5所示。

图5 采样点布置示意图

4.3 现场实测数据分析

2022年7月8日至8月27日,对龙滩煤矿3122S回采工作面采空区氧化带中各种气体浓度进行实测。现场采用高精度温度表及温度传感器PT100测定采空区的温度;统计工作面推进期间回风巷测点与工作面的距离;通过数据处理得到距工作面不同位置测点的温度及气体浓度。

龙滩煤矿3122S工作面采空区中1#、2#测点CO质量浓度随推进距离的分布曲线如图6所示。

(a)1#测点

4.4 采空区CO临界值确定

基于煤矿现场CO和C2H4实测结果,构建一种煤层自然发火标志气体临界值确定方法,可准确地对煤自燃灾害进行预测预报,为防止采空区煤自燃提供重要保障。

绘制1#、2#测点的CO质量浓度与温度对应的散点图,分别对散点图进行对数拟合,如图7所示。

(a)1#测点

根据拟合曲线及数据结果可知,1#、2#测点数据拟合的对数函数表达式如下:

y=76.562lnx-236.59

(2)

y=64.42lnx-198.86

(3)

式中:y为CO质量浓度,mg/L;x为温度,℃。

根据实验测得龙滩煤矿K1煤层煤自燃临界温度为87 ℃,将x=87 ℃代入式(2)中,计算得到1#测点此温度下CO质量浓度为105.30 mg/L;同理将x=87 ℃代入式(3)中,得到2#测点此温度下CO质量浓度为88.80 mg/L。

综上所述,1#测点、2#测点的CO临界质量浓度分别为105.30、88.80 mg/L。出于安全考虑,将采空区CO质量浓度临界值确定为88.80 mg/L。当采空区CO质量浓度接近105.30 mg/L时,就需及时采取防灭火措施。

4.5 采空区C2H4临界值确定

现场测试中,在3122S回采工作面采空区氧化带内未检测到C2H4气体,因此无法采用上述方法确定采空区氧化带C2H4的临界值。但根据实验室煤自然发火标志气体实验结果可知,煤样首次出现C2H4气体时,温度为160 ℃、质量浓度为0.90 mg/L,随着温度的增高,C2H4气体浓度迅速增大。

因此,如果在回采工作面采空区或回风流中检测出C2H4气体,说明煤样已进入加速氧化阶段,采空区已存在160 ℃以上的高温区域,应立即采取措施,及时治理煤层自燃。

5 结束语

1)通过煤样程序升温氧化实验,确定了龙滩煤矿K1煤层选取CO、C2H4作为煤自然发火主要标志气体,烯烷比作为煤自然发火标志气体的辅助指标。

2)龙滩煤矿K1煤层煤样出现CO气体时,温度为40 ℃、质量浓度为10.28 mg/L;出现C2H4气体时,温度为160 ℃、质量浓度为0.90 mg/L,随着温度的增高,C2H4气体质量浓度迅速增大。在40～210 ℃内,龙滩煤矿煤样所测气体的烯烷比随着温度的升高呈增大的趋势。

3)构建了基于采空区内部CO质量浓度随煤温变化规律及煤自燃特性的煤层自然发火标志气体CO临界值确定方法;通过综合分析现场实测的采空区自然发火标志气体,确定了龙滩煤矿K1煤层回采工作面采空区的自燃标志气体CO、C2H4临界值分别为88.80、0.90 mg/L。