极易自燃煤层发火特性试验研究

陈芳

摘要：煤炭开采过程中受煤层伴生CO气体的影响，煤层极易自燃且存在煤层自然监测和预报难度大的问题。本文采用试验模拟的研究方法对宁夏宁东矿区煤层发火特性进行研究，确定了气体指标的选择、煤层自燃发火判定参数及其与煤温的关系，找出了在矿井开采条件下灵敏度较高的指标气体及其对应的特征温度，明确了矿区煤自然氧化升温过程中的自燃特性参数，这对建立和完善宁东矿区煤层自燃监测预报及预报技术体系具有重要意义。

Abstract： Coal mining process is affected by the associated CO gas in the coal seam. The coal seam is easy to spontaneous combustion and the difficult problem for coal seam is natural monitoring and prediction. In this paper， the characteristics of the coal seam ignition in Ningdong mining area of Ningxia are studied by the method of experimental simulation. The selection of gas index， the determination parameters of spontaneous combustion and the relation with the coal temperature are determined， and the index gas with high sensitivity and its corresponding characteristic temperature under the condition of mine mining is found out. The spontaneous combustion characteristic parameters of coal spontaneous combustion in the east mining area of Ningxia are specified，which has a great significance to establish and improve the monitoring and forecasting technology system for spontaneous combustion of coal seam in Ningdong mining area.

关键词：煤层；自燃；气体指标；发火特性

Key words： coal seam；spontaneous combustion；gas index；ignition characteristics

中圖分类号：TD752 文献标识码：A 文章编号：1006-4311（2018）29-0088-03

1 概述

煤自燃是在常温常压下，煤与空气中的氧自发反应升温的过程。宁夏宁东矿区煤质属低硫、低灰、特低磷、较高发热量、高化学反应性，容易自然，煤层最短发火周期21天。综采（放）工作面在正常回采过程中，采空区、上隅角、回风流都会出现CO超限，其值在15～70ppm之间变化。由于技术装备水平所限，对CO产生机理及自燃威胁程度掌握不清。本文试图通过试验研究的方法探索煤层自燃发火的规律及其重要影响参数，为自燃发火预测预报提供依据和技术支持，确保安全生产。

2 煤自燃特性试验

2.1 试验装置

为了科学、合理、有效的模拟煤自燃的整个过程，本试验采用XKIII型煤自燃发火模拟试验平台，操作过程中充分考虑了各个重要环节和影响因素。该实验台由炉体、气路及控制检测三部分组成。气样数据采集采用人工采集法。每天人工取样进行色谱分析预报一次，分析参数为分析参数为O2、N2、CO、CO2、CH4、C2H6、C2H4、C2H2。

2.2 试验条件

试验的煤样粒度、质量、频度及其试验条件如表1-表2所示。

2.3 试验过程

试验周期为16天，起始日期：2017年12月5日，结束日期：2017年12月20日。试验炉内温度从31.2℃逐渐上升至169.9℃，温度升幅达130℃，根据煤自燃发火情况，除去停电、降温等因素影响，试验结果表明试验煤样自然发火周期为实际实验自燃发火期为16天。综合分析煤层赋存地区地质条件、围岩温度等因素，计算可知煤样实验自燃发火期为19天。

2.4 试验结果分析

2.4.1 温度数据分析

最高温度点温度与供风时间的关系如图1，中心轴各测点温度分布与供风时间关系见图2。

从图1-图4分析可以得出以下结论：

①整个实验过程中变化比较明显的时间节点有三个，分别是第9天、第16天和第16.7天。持续供风在9天以前，煤样升温较慢；9天之后煤样温度升温开始变快，达到其临界温度（62.5℃）；在16天、16.7天时，分别出现两次加速升温过程，于此同时达到干裂温度（121.1℃）和裂变温度（150℃）。

②实验前期炉内中心轴这一核心区域温度升的快，当煤体温度高于79.7℃时，伴随着耗氧量增加，高温点逐渐向供氧充分、空隙大的炉边缘转移。

③随着煤体温度的升高，在正常供风条件下，煤体升温逐渐加快。当煤温低于临界温度时，适当增加供风量，显示煤体升温速度下降。而当煤温超过121.2℃后，增加供风量，高温点温度则会迅速上升。

井下工作面大量的实例表明，一旦采空区出现自燃发火征兆时，增加工作面供风量能够使着火时间缩短，而减小风量，自燃会受到抑制。

④当煤体温度过了121.2℃时，煤体升温加快，平均升温幅度超过16.8℃/天。当煤温过了169.9℃时，煤体升温速度极速上升，在供风充足的前提下，在24小时的时间内煤体温度就可以可超过燃点。

⑤实验结果表明，高温火区煤体窒息熄灭的氧浓度在2～3%以下。从实验结果来看，煤温超过110℃后，尽管炉内下侧的温度较高，在氧浓度低于2%区域煤体温度变化幅度不大，当氧气浓度位于4～5%这一区间时，煤温出现上升趋势。

2.4.2 气体数据分析

自然升温过程中，实验炉顶层取气点各种指标气体浓度及其对应的炉内最高的温度见图4，煤样自然升温过程中各种指标气体比值及其对应的炉内最高温度见图5。

①有机气体出现温度。

煤样在升温氧化过程中，C2H6和C2H4在升温初始阶段就氧化产生少量气体，而当煤温达到50℃左右时，C2H6 和C2H4逐渐减少至消失，说明C2H6和C2H4脱附完成。

②一氧化碳浓度与温度的关系。

在煤自燃的整个过程中，相对灵敏的一氧化碳作为一种指标气体，当煤层自身温度出现升高时，一氧化碳就会溢出，一氧化碳的溢出量伴随着温度呈现指数规律递增。

③二氧化碳/一氧化碳。

CO2/CO数值在实验初期就存在，并且其伴随着温度上升过程CO2/CO数值也逐渐增长，当温度在48.9℃时，CO2/CO值到峰值；伴随温度持续的增加，当温度在57.7℃时，CO2/CO值逐步降至最低点后进而出现升高的趋势。

④链烷比。

链烷比作为研究指标气体浓度和温度之间相互关系的参考标准，该标准可以精准的指导我们去判断实验结果，从而避免一些其他因素的影响。在煤样自然温度升高的开始便出现C2H4气体，其烷烯比（C2H4/C2H6）随温度的升高而逐渐上升。

3 試验结论

综合上述分析可以得出以下结论：

①宁夏鸳鸯湖矿区煤样实际自燃发火期为16天，根据该矿区井下实际围岩温度为25℃计算该矿煤样实验自燃发火期为18天。

②实验结果表明，随着煤体温度逐渐升高，煤体氧化放热强度、一氧化碳产生率、耗氧速度和升温速度呈现增加的趋势。

③根据实验中各类气体指标、对应比值、温度变化率与温度的相互关系，可将鸳鸯湖矿区煤从常温逐步升高至170℃的过程分成5个阶段，以更好的指导对煤层自燃程度进行预报。

④气体分析结果表明，气体指标可以有效的体现出该地区的煤体的温度特征，以及煤分子在整个自然升温过程中变化情况。

⑤煤自燃过程中，产生的热量q0（t）位于qmax和qmin之间，说明在实验过程中，符合最大最小放热量关系。

4 防灭火建议

①正常生产情况下，利用束管监测系统每班至少对采空区、上隅角、回风流等各测点采集气样，进行色谱分析一次，异常情况下每班至少两次，分析参数为O2、N2、CO、CO2、CH4、C2H6、C2H4、C2H2，分析结果每天必须送矿长、总工程师审阅，出现异常必须立即采取措施处理。

②工作面每班必须设专职瓦斯检查员开展人工检测预报工作，检测参数为O2、CO、CO2、CH4和温度。工作面上隅角必须设置CO监测传感器和O2报警仪。

③严格按工作面设计风量配风，防止风量过大向采空区供氧。

④定期对采空区气体检测。采空区预埋检测管采用￠50塑料管，内置￠6束管，埋入采空区90m、60m、30m、10m，每班人工对预埋管内气体检测一次，检测内容为CO、O2。各检测管内CO超过100ppm进行取样分析。

⑤通风队要安排专人定期观测地表塌陷和裂缝情况，对出现的裂缝要及时充填，杜绝地表裂隙造成采空区漏风。

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