红庆河煤矿3-1煤层自然发火标志性气体研究及应用*

2019-09-06许永成刘春江吕会庆田学刚

陕西煤炭 2019年5期

许永成，刘春江，吕会庆，田学刚

(北京天地华泰矿业管理股份有限公司，北京 100013)

0 引言

红庆河煤矿井田位于内蒙古自治区鄂尔多斯市伊金霍洛旗境内(东胜煤田南缘东部)，其南北长约19 km，东西宽约8.6～13 km，面积181.44 km2；其构造形态与区域含煤地层构造形态一致，总体为一向西倾斜的单斜构造，倾角一般 1°～3°，地层产状沿走向及倾向均有一定变化，但变化不大。矿井生产能力为1 500万t/a，服务年限99.3 a。采用立井开拓方式，共设主、副井，中央1#、2#风井4个井筒。该矿采用分区式通风、机械抽出式通风方法，由主、副井进风，中央1#、2#风井回风。属低瓦斯矿井，主采3-1煤层，平均厚度6.6 m；3-1煤层以不粘煤为主，含少量长焰煤。自燃倾向性为容易自燃，最短自然发火期45 d。综采工作面回采过程中由于采空区遗煤氧化出现了CO超限现象。

煤从开始蓄热发展到燃烧整个过程中，会生成不同的气体，这些气体是在一定温度下所生成的产物，随着温度的升高，气体生成量呈现规律性变化，用它们可以推测出煤体温度，这种气体称之为指标气体[1-4]。利用指标气体可以找到高温热源，可以分析煤自燃的发展程度，从而有足够的时间提出相应的措施去治理煤自然发火，避免因煤自燃给矿井、给工人带来的灾害。因此，选择合适的标志性气体，可通过标志性气体的检测，对自燃火灾进行早期预测预报[5-8]。为掌握3-1煤层自然发火标志性气体，指导矿井安全生产，在3-1402综采工作面采集煤样，对自然发火标志性气体进行检测、分析。

1 煤样采集与试验过程

1.1 煤样的采集与制备

试验煤样取自红庆河煤矿3-1煤层3-1402综采工作面，试验时，去掉大块煤外壳，取芯粉碎，选取粒径：0～1 mm、1～3 mm、3～5 mm、5～10 mm共计4种煤粒，用盒子密封保存。为反映煤粒粒径对煤自燃的影响，选用4种粒径质量比1∶1∶1∶1的混合煤样来测试红庆河3-1煤层自然发火标志性气体。

1.2 试验过程

在试验过程中将4种不同粒径的煤样按质量比1∶1∶1∶1混合后，在煤样罐中装入1.2 kg煤样，进行程序升温试验。

检查装置气密性，调试、校准气体分析装置，向煤样罐内通入130 mL/min的不同浓度的氧气。

试验时升温速率为0.5 ℃/min，温度上升至测试温度时，稳定2 min后，进行气样采集，分析气体成分与浓度。

为使试验结果更加准确，向煤样供给不同浓度的O2，进行程序升温试验，对煤样在不同供氧条件下氧化过程中的气体产物进行测试，分析不同温度下气体产物中各种气体出现的温度、CO变化规律以及O2浓度的变化趋势。

2 试验结果及其分析

2.1 不同供氧条件下CO与温度的关系

试验结果如图1所示，图1是不同供氧浓度条件下红庆河煤矿3-1煤层煤样CO产生量曲线。由图1可知，3-1煤层煤样在常温下有CO出现。在空气的供氧条件下，煤样在氧化过程中的CO产生量随煤温的升高而增加，呈近似指数关系；初始阶段，CO产生量曲线斜率较小，CO增长幅度不大且产生量小；当煤温上升到一定温度后，CO产生量曲线斜率明显增大，CO产生量增长急剧；剧烈氧化阶段，CO浓度达到最大值。煤温达到100 ℃之前，不同供氧(供氧浓度8%、9%和10%)条件下煤样的CO产生量与空气供氧条件下的产生量相差不大，当煤温超过100 ℃之后，CO产生量曲线出现逐渐平稳的趋势，且随着供氧浓度的减少，降幅越明显。且CO的产生规律能够较好地反映红庆河煤矿3-1煤层的自燃特征，可以作为红庆河煤矿3-1煤层的自然发火指标气体。

图1 不同供氧条件下煤样CO产生量曲线

2.2 不同供氧条件下C2H4与温度的关系

图2是不同供氧浓度条件下红庆河煤矿3-1煤层煤样C2H4产生量曲线。从图2可知，不同供氧浓度条件下C2H4产生量曲线趋势基本相同，其产生量随煤温的升高而基本呈指数规律增大，煤样温度达到150 ℃前，C2H4产生量增长缓慢，煤样温度达到150 ℃后，C2H4产生量迅速增长。与空气供氧条件下C2H4产生量曲线相比，低供氧浓度条件下C2H4产生量曲线斜率增长较小。在同一煤温下，随氧气浓度的降低，C2H4产生量呈递减趋势。且C2H4气体产生量随煤温变化规律性较好。因此，C2H4可以作为红庆河煤矿3-1煤层自然发火指标气体。

图2 不同供氧条件下煤样C2H4产生量曲线

表1是红庆河煤矿3-1煤在不同供氧条件下首次检测到C2H4的温度及浓度。由表1知，低供氧条件下首次检测到C2H4的温度比空气供氧条件下延迟了10℃；在低供氧的条件下，首次检测到C2H4浓度随氧气浓度的升高呈逐渐增大趋势。

表1 首次检测到C2H4的温度及浓度

2.3 不同供氧条件下C2H6与温度的关系

图3是不同供氧浓度条件下红庆河煤矿3-1煤层煤样C2H6产生量曲线。从图3可知，不同供氧浓度条件下C2H6产生量曲线趋势基本相同，煤样温度达到150 ℃前，C2H6产生量增长缓慢，煤样温度达到150 ℃后，C2H6产生量迅速增长。与空气供氧条件下C2H6产生量曲线相比，低供氧浓度条件下C2H6产生量曲线斜率增长较小。在同一煤温下，随氧气浓度的降低，C2H6产生量呈递减趋势。且C2H6产生量随煤温的升高而增大。因此，C2H6气体可以作为红庆河煤矿3-1煤层自然发火辅助指标。

表2是红庆河煤矿3-1煤在不同供氧条件下首次检测到C2H6的温度及浓度。由表2知，低供氧条件下首次检测到C2H6的温度比空气供氧条件下延迟了10 ℃；在低供氧浓度条件下，首次检测到C2H6浓度随氧浓度的升高呈现出逐渐增大的趋势。

图3 不同供氧条件下煤样C2H6产生量曲线

表2 首次检测到C2H6的温度及浓度

2.4 不同供氧条件下C3H8与温度的关系

图4是不同供氧浓度条件下红庆河煤矿3-1煤层煤样的C3H8产生量曲线。从图4可知，不同供氧浓度条件下C3H8产生量曲线趋势基本相同，煤样温度达到150 ℃前，C3H8产生量增长缓慢，煤样温度达到150 ℃后，C3H8产生量开始迅速增长。与空气供氧条件下C3H8产生量曲线相比，低供氧浓度条件下C3H8产生量曲线斜率增长较小。在同一煤温下，随氧气浓度降低，C3H8产生量呈递减趋势。且C3H8产生量随煤温升高总体呈增大趋势。因此，C3H8可作为红庆河煤矿3-1煤层自然发火辅助指标。

图4 不同供氧条件下煤样C3H8产生量曲线

表3是红庆河煤矿3-1煤在不同供氧条件下首次检测到C3H8的温度及浓度。由表3知，低供氧条件下首次检测到C3H8温度比空气供氧条件下延迟了10 ℃；在低供氧条件下，首次检测到C3H8的浓度随着氧浓度的升高呈现出逐渐增大的趋势。

表3 首次检测到C3H8的温度及浓度

2.5 C2H2气体

C2H2仅产生于煤的剧烈氧化阶段，具有较强的温度区间特征。虽然在20～200 ℃试验条件下没有C2H2出现，可一旦在井下检测到C2H2，则说明煤温已超过200 ℃，表明煤已经发生剧烈的化学反应。因此，将C2H2作为红庆河煤矿3-1煤层剧烈氧化阶段的指标气体之一。

3 煤炭自燃分级预警指标

根据现场观测及分析并参考相邻煤矿的经验，红庆河煤矿3-1402综采工作面CO主要由以下原因产生[9-11]：采空区遗煤氧化；井下车辆作业产生的尾气；采煤机割煤过程中局部高温点产生。

其中采空区遗煤氧化产生的CO是3-1402综采工作面CO超限的主要原因，如果工作面车辆集中作业，也将造成工作面CO超限。根据相邻煤矿的经验结合红庆河煤矿的实际情况，确定工作面回风隅角CO浓度按24 ppm为限进行管理，自燃预警浓度按50 ppm为限进行管控。回风隅角CO呈升高趋势或大于50 ppm时，必须进行汇报，并查明超限原因，加强气体检测，采取措施将CO浓度控制不超过50 ppm。

日常管理中当CO浓度超过50 ppm，不超过130 ppm时，必须汇报总工程师、安全副矿长，并采取预防性注氮措施，加快推进速度，采面每日推进不少于1.78 m，每天两班注氮量不低于10 000 m3/d。

日常管理中CO浓度超过130 ppm时，采取黄泥灌浆、注氮、喷洒阻化剂等措施，每天三班注氮且注氮量不低于15 000 m3/d，两班灌浆量不低于450 m3/d。