煤层自燃发火指标气体的选择及预测预报应用

2019-09-26郭一铭何启林

安徽理工大学学报（自然科学版） 2019年3期

郭一铭，何启林

(安徽理工大学能源与安全学院，安徽淮南 232001)

煤炭自燃火灾是矿井安全生产的主要灾害之一[1-2]。煤炭自燃火灾早期的预测预报的优势在于早在煤体还未出现冒烟或者明火的现象之前，就可以依据温度以及指标气体等参数，提前察觉到其自燃势头，便能在火灾萌芽阶段对煤炭自燃进行有效控制。可见，煤炭自燃火灾早期的预测预报是防止火灾或减少损失一种行之有效的手段。现阶段，预测预报方法主要有两种，温度检测法以及指标气体分析法[3-9]。国内外学者对此进行了大量的研究工作，经相关实验研究表明，煤体氧化过程中能解析出很多种气体，比如一氧化碳(CO)、氢气(H2)、甲烷(CH4)、乙烷(C2H6)、乙烯(C2H4)、丙烷(C3H8)、乙炔(C3H6)等等。可以借助煤低温氧化实验对煤炭的低温氧化规律性展开研究，同时该实验可以针对低温氧化气体产物的属性与它的变化规律进行分析，从而进一步优选出相应的气体产物作为指标气体进行对煤炭自燃发火的预测预报[10-13]。基于煤的热解试验，可借助气体分析法来预测预报自燃发火，根据热解实验析出气体的析出顺序以及生产量受温度影响的规律来实现针对煤炭自燃预测预报的目的[14-15]。本文针对官地煤矿8煤层煤容易自燃特性，为防止和减少8煤层煤自燃火灾发生，选取官地煤矿8煤层具有代表性的工作面(29403工作面)煤层的煤样，对此进行低温氧化实验，进行煤自燃标志气体分析并研究煤中放出的气体成分和含量，观察研究气体成分和含量随温度升高而变化的规律，接着优选出标志气体，从而达到预测预报煤炭自燃发火的目的。

1 煤自燃发火的理论模型

煤自燃是由于煤氧复合作用并放出热量而引起的，当煤体放热速率大于散热速率时，煤体内部积聚的热量使煤体温度升高，最终导致煤体自燃。煤低温氧化是一个动态非线性过程，在不同氧化阶段煤的氧化特征及其内在作用机制存在着一定差别，使得氧化过程中活化能和氧化速率也随着煤温的升高而变化。Zarrouk提出了将煤低温氧化过程分为两个温度区间，以70℃做为分界点。本文结合实测结果以及耗氧速率计算模型来表征煤的低温氧化特性，把煤氧化升温过程进行分段研究，认为煤温在70℃之前主要是煤对氧的吸附作用：当煤温高于70℃后，主要是通过直接起燃反应方式消耗氧气，式1、2分别为吸附反应和直接起燃反应的氧化速率的计算式。

ρfmor0exp(-bq)

(1)

Sr=ρfmor0exp[-(E+Bq)/RT]

(2)

式中：ρf为空气密度，kg·m-3；m0为空气中氧气质量分数；q为单位质量的煤炭在单位时间内消耗的氧气质量，kg·kg-1·h-1；r0为参考温度下(T0=20℃)的氧化速率；B为Elovich常数，定义为B=bRT。

2 实验部分

2.1 实验装置

此次实验采用安徽理工大学能源与安全学院研发制成的煤氧化实验装置，以此研究煤炭氧化气体产物特征，实验装置如图1所示。

图1 升温氧化实验装置示意图

2.2 实验过程

1)煤样的制备。以采区为单位，在所有煤层中择选出能够代表该煤层的煤质属性的生产工作面为采样地点。首先，采样前要将底板浮煤清除干净，扫净后沿煤层垂直方向从顶板到底板割出两条白线掘凿槽，宽度和深度分别为200mm和100mm，槽的下部可借助帆布或者油布将采出的煤样收集。采样过程中应当避免顶板矸石或煤层夹矸碎块落入煤样中，如不慎落入必须立刻剔除。采集过来的大量煤样应当被破碎成小于10mm的块度置于帆布上，再经过充分混合并利用圆锥缩分法将其分至10kg，再将其分为两罐，每罐为5kg。煤样采集完之后，为了保证不漏气应当立即对其进行封装，然后送往实验室，此过程不能有延迟，否则，煤氧化将会导致实验结果的偏差。

2)实验过程及条件。实验过程中，应按照不同的粒度将煤样分开量取(70g)，再将其放入煤样氧化炉。在恒温箱里安装氧化炉的同时应安装温度探头，将高压气瓶打开，采集室温条件下的气样；在给加热丝接通电源的同时，将恒温箱的电风扇打开，使其内部的环境温度保持均匀。利用温度控制器将恒温箱内温度以及采样温度预先设定好(每隔2℃)，直至箱内温度到达预定温度时，在恒定温度维持5min之后，将煤样罐的出气口接在矿井自动气相色谱仪(GC-4085型)上进行色谱分析。

2.3 实验结果与分析

1)煤热解释放气体实验结果

8号煤煤热解释放气体的实验结果如表1所示。

表1 8煤低温氧化释放气体特征表

从表1可以看出煤样生成气体产物随温度的变化趋势基本相同，且呈指数上升趋势。在程序升温氧化实验中生成气体产物的出现温度有所不同：煤样在整个氧化过程中都能检测到CO2气体，在实验前期CO2浓度出现波动，是由于随温度的上升煤层裂隙中吸附的CO2被解析出来了，后期随着温度的升高，CO2浓度稳定增加，此时CO2气体是由煤氧化产生的，没有吸附的CO2气体解析出来；实验前期，CH4浓度呈缓慢增加，随着温度的增加，煤的氧化过程更加剧烈，CH4气体的浓度上升速度加快，由于煤中本身就含有CH4，且不同煤样的CH4含量差异较大，所以CH4不能作为指标气体；C3H8气体在实验初始阶段(40～120℃)一直没有出现，从130℃开始，气体开始出现，并且随温度的升高，气体浓度也在不断上升；C4H10气体在180℃时开始出现，且析出的含量少。其中热解放出的CO、C2H4、C2H6等碳氢化合物的规律性如图2～图4所示。

图2 8#煤一氧化碳(CO)浓度随温度变化趋势

图3 8#煤乙烯(C2H4)浓度随温度变化趋势

图4 8#煤乙烷(C2H6)浓度随温度变化趋势

CO气体在40℃时已有溢出，但浓度起伏不定，在100℃以后，随温度升高，CO浓度开始急剧增加。C2H4气体在实验初始阶段(40～120℃)一直没有出现，从130℃开始，气体开始出现，并且随温度的升高，气体浓度也在不断上升。C2H6气体在100℃时开始出现，且产生速率随着煤温的升高呈现明显增大的规律。指标气体要满足一定的规律性：①灵敏性，②可测性，③规律性[15]，④是煤氧化与裂解过程中放出气体，裂解出来气体必须是正常生产条件下工作空间不具备有气体。通过对实验结果综合分析8煤指标气体选择如下：

1)井下测出CO浓度与煤氧化温度之间没有直接对应关系，应利用CO增加趋势作为预测预报煤自燃发火的指标值，具体方法是在工作面回风流中检测到CO，且CO浓度有持续增加趋势，经过统计分析，得出一般结论为：当工作面回风流中检测CO浓度大于24×10-6，且持续增加，当CO浓度增加到50×10-6(对于炮掘工作面回风流不适用)，可能采空区已出现高温点，应即时查找高温点或高温区域，采取合理防火措施；

2)析出C2H4气体的温度较低，析出量相比C3H8要大，并且在原煤中不存在这种气体。故C2H4能够作为预测预报煤自燃发火进入加速或剧烈氧化阶段的指标气体。C2H4气体出现表明煤进入加速氧化阶段，通过对官地煤矿8煤知：井下出现C2H4气体，煤的氧化温度可达到120℃左右，在存在CO存在的前提下，只要出现C2H4气体，毫无疑问即井下某区域发生了煤炭自燃，此时必须采取切实有效的灭火措施，在井下荫蔽区域，尤其是采空区，通过大量灭火工作后，CO气体快速下降，烟雾也可能消失，但火源一般情况下都不可能扑灭，只是着火煤炭处于荫燃状态，如果采用直接灭火一定监测火区内可燃气体增加速度与氧气浓度下降情况，防止发生瓦斯爆炸事故。

3 煤炭自燃的预测预报

3.1 指标气体的选择

从官地煤矿8#煤样的热解实验中可以总结出如下几点：

1)若在上隅角、支架后方以及回风流中检测出CO气体存在，且其含量保持稳定增加时，8#煤的煤温超过45℃，当煤温超过75℃时，其中CO气体的析出速率与煤温之间成正比关系，即随着煤温的升高而明显上升；

2)若在上隅角、支架后方或回风流中检测出C2H6气体存在，且其含量保持稳定增加时，相应8#煤的煤温则会超过57℃；

3)若在上隅角、支架后方或回风流中检测出C3H8气体存在，且其含量保持稳定增加时，相应8#煤的煤温则会超过118℃；

4)若在上隅角、支架后方或回风流中检测出C2H4气体存在，且其含量保持稳定增加时，相应8#煤的煤温则会超过160℃。

综上所述，可选择CO、C2H6、C3H8和C2H4作为进行8#煤自燃早期预报的指标气体。若在上隅角、支架后方或回风流中检测出CO与C2H6气体的存在，则必须尽快采取措施找到气体出处并进行处理。否则煤温将持续升高，煤温升至118℃左右将会出现C3H8气体，继续自燃会产生C2H4气体。经实验验证和经验总结可知，煤温超过72℃其自燃将会演变得更加剧烈，在很短的时间内就可能会出现明火。

3.2 现场应用

结合工作面的实际，采用监测系统对采空区实际温度以及气体成分等信息进行采集。监测系统主要有保护套管、束管、温度传感器、测温仪表和抽气泵等组成部分。考虑到测定数据的准确性、成本控制以及施工便利等因素，最终采取的观测系统布置方式可以参照图5。

图5 测定布置图

在29403综放工作面的停采线和上下巷执行束管系统连续监测的同时还需在工作面上隅角和回风巷等处安置监测点实施对CH4、CO、CO2等气体的实时监测。可以通过在各个支架设置的钻孔或监测点对终采线支架上端破碎煤体和支架后方金属网上煤炭进行日常观测。监测地点：上隅角、回风端头支架后：1#～20#支架架间、后方；监测参数：O2、CO、CO2、烯烃和温度等；监测仪器：CO便携仪、瓦检仪、红外热像仪等。

日常观测与实时监测两种措施并用，能够实时准确地发现气体的异常变化，这给预测预报采空区自燃发火提供了可靠的技术参数，具体如表2、表3所示。

表2 停采期间撤架的CO变化情况

表3 工作面架间CO浓度随时间变化情况

通过以上监测结果发现，气体涌出量是不稳定变化的。仅在某些时刻某些点有所升高且并非连续，由此可以总结出采空区并未形成自燃发火区域的结论。

(1)截至10月10日止，扩循环过程结束，开始拆卸装置。10月15日至20日，工作面回风流的CO浓度峰值达到500×10-6，上隅角的CO浓度峰值达到980×10-6。在此阶段CO浓度如此之高，如果参照官地煤矿的规律和经验，则可判定采空区浮煤发生自燃。但17日借助手持红外成像仪观察到74#架的高温点，采取相应有效措施，使得工作面回风流和上隅角的CO浓度骤减，6小时之后，上隅角的CO浓度从980×10-6降到100×10-6，之后仍在下降；回风流的CO浓度从500×10-6降到64×10-6，之后仍在下降，直至21日才达到稳定状态。截至11月22日撤架结束，工作面回风流和上隅角的CO浓度最高没有超过100×10-6。

(2)10月15日至21日，通过分析架间的监测数据发现，1#、2#、3#、5#支架架间CO浓度峰值达到300×10-6～550×10-6。其次，这些支架后方或上方的煤炭有已发生自燃的概率，但在之后的观测中发现，CO浓度随之下降并且呈现起伏变化。15日1#架架间CO浓度达到545×10-6，第二天却下降到30×10-6左右且没有继续升高，一直稳定在50×10-6以下。综合上述因素和工作面上下巷束管监测分析得出，支架后方采空区并未出现浮煤自燃的现象，在采空区内部尽管有CO气体的存在，但浓度不超过70×10-6。借助红外热像近距离探测发现，74#架上方高温区域的高温点是CO的主要来源。在进行注浆和压注GRT系列防灭火材料之后，虽然CO浓度在某些点依旧很高，且暂时没有呈现任何规律性，但整体呈下降趋势，截至21日22时稳定在30×10-6以下。

(3)10月15日至21日，工作面的内气流温度在16℃到20℃之间变化，温差仅4℃。研究可得，该时间段的温度变化并非由74#架上方高温区域的高温点或煤体的自身氧化散热所致，而是采面漏风所致。同理，根据回风流的监测数据可以得出，该时间段的回风流的温度在15℃到21.2℃之间变化，温差同样不大，由此说明采空区并未发生自燃。