沿空掘巷工作面采空区自燃标志性气体识别试验

周 涛

(山西焦煤集团 介休正益煤业有限公司， 山西 介休 032000)

井下火灾的早期监测和发现是矿井火灾防治的前提，根据《矿井防灭火规范》规定：一、二级自燃矿井应建立火灾预测预报系统。目前,矿井火灾监测系统最常用的是矿井自燃火灾束管监测系统。束管监测系统主要由束管取样系统和地面气体分析中心组成，通过束管将监测点气体取样到地面，利用气相色谱分析仪连续分析气体组分浓度，通过各组分浓度的变化对煤层氧化自燃过程进行判断分析，并进行煤自燃发火的早期预测预报[1-2]. 正益煤业有限公司主采11号煤层属特中硫～高硫煤，自燃倾向性高。采用长壁式采煤法，11-110工作面皮带巷为窄煤柱沿空掘巷，受工作面采动影响，煤柱易产生较大的孔隙和裂隙，沿空掘巷巷道采空区存在较大的漏风自燃风险。为此，亟需对11-110沿空掘巷工作面采空区气体进行标志性气体识别，并建立预警系统，防治煤层自燃。

1 煤自燃指标气体试验

在煤自燃的全过程中，一般可以划分为3个时期[3]：

1) 潜伏期。这一阶段，煤体的温度比较低，一般与周围的环境温度一致或略低于环境温度，煤的复合氧化反应速率偏低，化学反应后释放出的各类气体也偏少，很难被探测到，但是煤的化学活性却在缓慢增强。

2) 自热期。进入这一时期，煤的复合氧化反应迅速增加，反应过程中大量生成各种气体，如CO、CO2等，煤中的原生水也会析出，随着热量的产生，煤炭温度不断上升，继而发生煤的干馏，会生成各类碳氢化合物，如C2H6、C2H4、C2H2.

3) 燃烧期。随着热量不断积聚，煤炭温度不断升高，达到燃点后进入燃烧期。在这一阶段，煤炭燃烧规模迅速扩大，并可能导致其他灾害发生。

煤自燃指标气体预警，是目前应用较广的预警方式。该方式的一般建立步骤为：通过实验室程序升温实验，确定具备良好规律的标志性气体及临界值，继而建立自燃预警体系。

1.1 试验步骤

1) 煤样采集及加工。对11#煤现场采样，煤样绝氧处理后迅速运至地面实验室，经破碎、振筛后，将符合实验要求的煤样(200 g)放入煤样罐，进行后续实验。

2) 煤样脱水干燥处理。采用氮气高温干燥的方式对罐内的煤样进行干燥，干燥温度为105 ℃，并恒温10 h.

3) 设置升温程序。煤样冷却到室温，依据实验要求，通过温度控制软件，对升温速率、温度顶点进行设置。

4) 数据分析记录。按照实验要求，在升温期间，以10 ℃温度变化为标志，进行色谱采集分析操作并记录数据。

1.2 试验结果分析

11#煤自燃标志气体测试结果见表1.

表1 煤样升温氧化过程气体产物分析结果表

由表1可知，11#煤层煤样在30～220 ℃温度范围内升温氧化过程中有规律出现H2、CO、CO2、CH4和C2H6气体。

1) CO气体生成变化规律。

实验煤样升温氧化过程中CO、CO2浓度随温度变化关系图见图1，图2. 由图1可知，CO产生量与煤温呈指数式关系，CO在起始温度30 ℃便开始出现但浓度较低，存在于整个氧化过程中。伴随着煤炭温度不断上升，CO的浓度迅速以指数曲线升高。特别是在温度达到110 ℃时，CO浓度出现了“拐点”，浓度增加速率迅速加剧。类似地，CO2也随着温度的变高而浓度变大，在120 ℃左右出现了拐点。

图1 CO浓度随温度变化关系图

图2 CO2浓度随温度变化关系图

2) H2、C2H4气体生成变化规律。

实验煤样升温氧化过程中H2、C2H4随温度变化关系见图3，图4. 由图3可知，煤自燃氧化气体中H2在160 ℃时开始出现，其浓度随煤温的升高而逐渐增大。由图4可知，煤自燃氧化气体中C2H4生成与H2有着相类似的规律，其在150 ℃时开始出现，其后浓度随煤温的升高而增大。C2H4的浓度伴随着温度的上升而增加，呈现出比较好的规律性变化，体现了良好的对应关系。在实验温度达到160 ℃时，开始检测到C2H4气体，此后，伴随着温度的持续上升，气体浓度也不断升高，表现出了明显的单调递增规律。在温度达到190 ℃时，C2H4气体的浓度上升速率出现“拐点”，说明煤样出现了剧烈的氧化反应，析出了更多的气体。可以认为，在井下，一旦检测到该气体，说明煤温至少已达到160 ℃，进入了剧烈氧化阶段，危险性很高。基于C2H4具备良好的规律与对应关系，同时井下环境对气体的影响较小，将C2H4与H2作为预警矿井11#煤层自燃发火的指标气体。

图3 H2随温度变化关系图

图4 C2H4随温度变化关系图

3) 烷烃气体(CH4、C2H6)规律。

实验煤样升温氧化过程中CH4、C2H6随温度变化关系见图5. 考虑到现场实际，井下采空区的CH4、C2H6的浓度受到诸多因素的影响，特别是矿井通风状况的影响，这两种气体的浓度变化机理十分复杂，所以上述两种气体不能作为指标气体。综上，正益煤业11号煤层自燃标志气体应以CO为主，H2、C2H4为辅。

图5 CH4、C2H6随温度变化关系图

2 煤自燃监测系统应用

2.1 矿井火灾监控系统

在利用矿井原有的煤矿安全监控系统上，做适当增容。

CO传感器：回采工作面上隅角、距采煤工作面10 m处、紧急避灾硐室、采区回风巷等处设置CO传感器。CO传感器报警浓度为0.002 4%.

温度传感器：在主要机电硐室、紧急避灾硐室、井下各变电所处设置温度传感器，报警温度34 ℃.

烟雾传感器：在回采工作面顺槽皮带、掘进巷道皮带、运输巷皮带以及主井皮带风下侧10 m等处设置烟雾传感器。

2.2 束管监测系统

煤矿自燃火灾束管监测预报系统能对井下任意地点的O2、N2、CO、CH4、CO2、C2H4、C2H6、C2H2等气体含量进行24 h连续循环监测，经过对自燃火灾标志气体的确定和分析，及时预测预报沿空掘巷工作面发火点的温度变化[4]. 正益煤业采用KSS-200煤矿自燃火灾束管监测预报系统对采空区气体进行监测。

2.3 人工检测和取样分析

根据沿空掘巷矿井防灭火的需要，在掘进工作面以及采煤工作面上下隅角、进回风顺槽等处每班检测2次。如果任何一处CO或温度异常，可随时根据变化情况设置测点，且增加每班观测次数。

2.4 矿井火灾预测预报管理

1) 加大布点密度，提高预测预报精度。

2) 严格气样分析日报制度，并当天审核上报。

3) 做好防灭火监测，针对火区和重点监测点要绘制指标气体变化曲线图，有针对性地提出合理化建议，从而指导防火工作的现场实施。

3 应用效果

在11-110工作面回采过程中通过对煤自燃监测系统监控信息进行综合分析研判，可以得到沿空掘巷工作面自燃煤层采空区发火位置。通过对获取标准参数进行综合分析，解决了传统火灾监控系统误报率。监控系统应用后，通过及时采取防灭火措施，以及以CO为主，H2、C2H4为辅的标志性气体进行监测预警，沿空巷道采空区未发生明显的自燃事件，表明该系统应用效果较好。

4 结 论

通过升温氧化实验确定了正益煤业11-110沿空掘巷工作面采空区发火标志气体以CO为主，H2、C2H4为辅，建立了沿空掘巷采空区煤自燃监测系统。煤自燃发火预测预报指标体系是基于煤层建立的，取得了较好的应用效果。