赵家寨煤矿煤自然发火标志气体优选分级预警研究

李全贵 范 涛 何朋飞 左灿辉 张海永

(河南省新郑煤电有限责任公司，河南 新郑 451100)

0 引言

井下煤自燃会产生一些如CO、CO2、C2H6、C2H4等标志性气体[1-3]，这些标志气体能反映煤低温氧化和燃烧的程度。随着煤温的升高，各标志气体的生成量会发生显著变化。因此，可以在早期利用标志气体的浓度变化规律进行煤自然发火预测。国内学者也就CO标志气体进行了研究。马炳辉等[4]通过煤的自然发火模拟试验定性及定量分析了不同煤种的煤样氧化气体产物，认为CO是各煤种在“缓慢氧化—加速氧化”过程中必选的标志气体之一。谭波等[5]分析3种煤样的气体指标在各阶段的变化特征，建立煤自燃气体指标与温度阶段区间的关系。这些研究为煤炭自燃防治提供技术支撑[6-7]。

赵家寨煤矿是由郑煤集团控股的股份制企业，矿井设计生产能力300万吨/年，主采山西组二1煤，井田面积约49km2，剩余可采储量1.91亿吨，剩余服务年限45年。矿井为煤与瓦斯突出矿井，矿井瓦斯绝对涌出量12.03m3/min，相对涌出量1.95m3/t。煤层平均厚度5.5m，经煤科总院重庆分院鉴定，矿井主采的二1煤层自燃倾向性等级为Ⅲ类，属不易自燃煤层，煤层最短自燃发火期为152天。但由于该矿为高地温矿井，煤层起始温度高，煤自然发火期会缩短，开采强度增加，工作面配风量大，导致漏风强度变大，采空区自燃危险区域范围增大；地温越高，煤体的原始温度越高，煤的耗氧速度和放热强度越高，煤体的氧化放热性越强，即地温的作用增强了煤体的氧化放热性能，且影响指标性气体的优选，因此在生产过程中，赵家寨煤矿曾经发生过煤自燃现象。为保证矿井安全高效生产，提高煤自然发火防治工作水平，亟需对赵家寨煤矿二1煤层优选煤自然发火标志气体，确定分级预警指标，为煤炭自燃防治提供有力技术支撑。

1 实验与方法

采用程序升温试验装置获得煤自然发火标志气体与温度关系，从而按照行业标准优选煤自然发火标志气体。程序升温试验装置是由中国矿业大学(北京)火灾防治实验室研制的煤低温氧化试验系统，如图1。该系统主要由预热气路系统、传热煤样罐、程序控温箱、气体采集及气体分析系统等组成。

1-压力泵；2-三通；3-压力表；4-稳压阀；5-减压阀；6-除尘器；7-进气混合仓；8-煤样罐；9-隔热层；10-程序控温箱；11-气体预热铜管；12-加热器；13-风扇；14-出气过滤室图1 程序升温试验装置结构图Fig.1 Structure diagram of temperature-programmed test device

1.1 煤样的制备

煤样取自河南新郑赵家寨煤矿5个不同的区域，分别是：12206下付巷、12206中回风联巷、12206上回风联巷、12205工作面、12209工作面。从暴露的新鲜煤壁采样，现场密封后运回实验室。利用粉碎机将煤样粉碎，为反映不同粒径对煤自燃的影响，利用筛子人工将煤样分选为0～1、1～3、3～5、5～10mm 4种粒径，并按1:1:1:1均匀混合，取200g。

1.2 实验步骤

(1)将制备好的煤样约200g放入煤样罐中，把煤样罐置于程序控温箱内，向其中通入预热空气，设置程序升温加热煤样，升温速率为1℃/min，从环境温度30℃升至200℃。

(2)温度每升高10℃，用气相色谱分析仪测定煤样罐中的气体成分及浓度，同时记录时间和温度。

2 结果与分析

因为二1煤层含有原始吸附的CH4气体并且吸附有CO2气体，所以CH4、CO2气体不作为煤层自然发火标志气体[6]。

2.1 CO和CO/CO2气体产生规律

图2为上述5组煤样CO气体浓度随煤温变化规律。由图2可知，在30℃情况下，5组煤样都存在CO气体但含量很少。其中12205和12209工作面的CO气体体积分数分别为1.0677×10-6、5.3574×10-6；在100℃之前，CO产生量在缓慢增加；此时煤样处于缓慢氧化阶段；在100～170℃时，5组煤样CO产生量都飞跃式增加，此时煤进入剧烈氧化阶段，会产生大量的CO；故CO气体产生规律能较准确反映煤自燃阶段特征，可以作为二1煤层自然发火标志气体。由图3可知，5组煤样CO/CO2值随着煤温的升高逐渐呈线性增加，总体趋势与CO基本相同，故CO/CO2值可作为二1煤层自燃发火复合指标。

图2 CO气体浓度随煤温变化趋势图Fig.2 The trend of CO gas concentration with coal temperature

图3 CO/CO2值随煤温变化趋势图Fig.3 Trend graph of CO/CO2 value with coal temperature

2.2 C xH y产生规律

2.2.1 C2H4气体产生规律

图4为5组煤样C2H4浓度随温度的变化规律。从图4可知，C2H4气体开始出现的温度为170℃左右，并且5组煤样C2H4浓度随温度变化趋势一致，该结果与其他典型煤样自燃C2H4出现温度(120℃)差别较大，其中12205和12209工作面实验煤样C2H4体积分数分别为3.991 2×10-6、2.882 5×10-6，其产生量随煤温升高呈线性增加，含量相对CO较低。200℃时，12205和12209工作面实验煤样的C2H4体积分数为30.192 8×10-6、21.030 7×10-6，因此，C2H4气体可以作为二1煤层自然发火辅助指标。当井下检测到C2H4气体时，说明温度已超170℃，煤已经发生剧烈的氧化反应。

图4 C2H4气体浓度随煤温变化趋势图Fig.4 The trend of C2H4 gas concentration with coal temperature

2.2.2 C2H6气体产生规律

图5为5组煤样C2H6浓度随温度的变化规律。从图5可知，C2H6气体开始出现的温度为170℃左右，并且5组煤样C2H4浓度随温度变化趋势一致，其产生量随煤温升高呈线性增加，但含量相对较低；同样地，C2H6气体可以作为二1煤层自然发火辅助指标，一旦井下检测到C2H6气体，说明煤已经发生剧烈的氧化反应。

图5 C2H6气体浓度随煤温变化趋势图Fig.5 The trend of C2H6 gas concentration with coal temperature

2.3 煤自燃分级预警表及防控措施

根据前面程序升温实验结果，结合现场实际情况，得到煤层应该首选CO作为其煤自然发火主要标志气体，而C2H4和C2H6气体出现时，进入高温阶段，CO/CO2作为其煤自然发火主要复合指标，并以C2H4和C2H6作为辅助指标，按照以上变化特征，将煤自燃低温氧化过程划分为4个阶段，定义为4级预警体系，用4种颜色表示，分别为绿色、黄色、橙色、红色，见下表。并针对这4个阶段，提出对应防控措施。

表 煤自燃分级预警表Tab. Classification warning table for coal spontaneous combustion

绿色预警时主要加强监测监控，增加气体样品的采集率；采用预防性的防治煤自燃的措施如注浆、注氮、堵漏，加快推进速度等常规较易实施的防灭火技术措施。

黄色警报主要加强监测监控，应该从束管监测、人工检测、人工取样同时进行；对现场漏风情况进行分析与测量，初步判断火灾发生原因与发展情况；除了采取加强常规灭火技术措施外，有技术力量可以采取均压防灭火方案，针对着火区域大量注浆、胶体、惰性气体和三相泡沫等防灭火材料，并实时监测监控火区影响范围内气体、气温、水温等参数，做好封闭火区准备。

红色预警时选择正确位置，建立密闭、封闭火区，打钻探测火区，并打钻进行区域性防灭火。

3 结论

(1)实验过程中，5组耗氧速率随温度的升高而增加。在70℃之前，耗氧速率缓慢升高；在70℃之后，耗氧快速升高。因此二1煤层的临界温度位于70～80℃范围，干裂温度位于140～170℃范围。

(2)CO可作为二1煤层自然发火指标性气体，CO/CO2可作为二1煤层自然发火复合指标，并辅以C2H4和C2H6来掌握煤炭自燃情况。在30℃左右出现CO气体，说明赵家寨二1煤层在低温情况就发生氧化反应；C2H4和C2H6浓度都较小，一旦井下检测到，表明煤的温度已超过170℃，煤已进入加速氧化阶段。

(3)根据程序升温实验结果，结合现场实际情况，从温度入手，按照标志气体变化特征，将煤自燃低温氧化过程划分为4个阶段，建立了煤自燃分级预警表，并提出了各级煤炭自燃防控措施，为赵家寨煤矿二1煤层自燃预测预报提供有力技术基础支撑。