青岗坪煤矿自然发火标志气体来源研究

刘 扬，关景顺，张 辉

(1.中煤科工集团沈阳研究院有限公司 煤矿安全技术国家重点实验室，辽宁 抚顺 113122；2.陕西旬邑青岗坪矿业有限公司，陕西 咸阳 712000)

青岗坪煤田位于黄陇侏罗纪煤田中段之旬耀矿区东部，大地构造位置处于鄂尔多斯盆地南缘拗陷带。矿井主采煤层为侏罗系中统延安组的4-2号煤层，煤系地层的砂岩中多层含油，属于典型的煤油气共生煤层[1]。根据《青岗坪井田勘探地质报告》，含油层位于延安组4-2号煤层顶底板岩层中。4-2号煤层吸氧量为0.78 cm3/g，属于Ⅰ类容易自燃煤层。根据《青岗坪煤矿4-2号煤层自然发火标志气体及临界值测定报告》，该矿井的自然发火预测预报标志气体指标体系如下：①CO可以作为预测预报煤自然发火的指标气体，CO出现的临界温度在49 ℃左右；②烯烃气体C2H4和C3H6出现的初始温度分别在139 ℃和169 ℃左右，在有CO存在的前提下，只要出现C2H4或C3H6，即可做出煤已自然发火的预报；③C2H2的出现表明煤已完全进入燃烧阶段；④C2H4/C2H6可以作为煤矿判别煤自然发火进程的标志气体指标；⑤C3H8/C2H6可以作为预测煤自然发火进程的标志气体辅助指标。自然发火标志性气体的实时监测是判断遗煤氧化自燃进程的重要手段[2-4]。青岗坪煤矿工作面回采时，回风隅角及密闭墙内常检测到CO和C2H6，为矿井防灭火工作带来严重困扰。因此，确定CO、C2H4、C2H6以及C3H8等自然发火标志性气体的来源，优化煤层自然发火预测预报标志气体指标体系，对指导矿井防灭火工作和保证安全生产具有重要意义[5-8]。

1 采空区气体来源分析

青岗坪煤矿采用综采放顶煤的采煤工艺，采空区内遗煤较多且部分顶煤无法顺利下放，遗煤与顶煤在氧化的过程中会释放出指示自然发火进程的标志性气体[9-11]。在青岗坪煤矿42106工作面回风隅角密闭墙内埋设一根深3 m的取样管，对采空区内的气体连续进行约一个月的取样和检测，每天取样1次。42106工作面回风隅角密闭墙内连续取样检测结果见表1，其CO与C2H6两种气体浓度变化情况如图1所示。

表1 42106工作面回风隅角密闭墙内连续取样检测结果Tab.1 Gas sampling test results at the return air corner goaf of the 42106 working face

图1 42106工作面回风隅角密闭墙内CO与C2H6浓度变化曲线Fig.1 The concentration change curve of CO and C2H6 at the return air corner wall of the 42106 working face

由表1可知，在连续监测期间没有发现C2H2与C2H4，但每天都可以检测出CO与C2H6，说明CO与C2H6长期存在于采空区内。

由图1可以看出，采空区内CO和C2H6浓度变化规律不同，CO浓度变化比较平稳，波动小，且浓度值一般不超过30×10-6；C2H6浓度变化较大，浓度在40×10-6～130×10-6。若采空区内CO与C2H6只来自于遗煤氧化，则二者浓度的变化趋势应保持一致，由此可以判断CO和C2H6的来源不完全相同。初步分析认为，CO和C2H6来源于煤层原生气体、采空区遗煤氧化以及含油砂岩层。

2 烃类气体来源分析

2.1 原生油气赋存规律

根据陕西省煤田地质局一九四队2006年9月提交的《青岗坪井田勘探地质报告》，青岗坪井田勘探钻孔中有7个钻孔见油，含油层位于直罗组和延安组中，其中直罗组中细砂岩含油的有4个钻孔，延安组中细砂岩含油的有5个钻孔，含油级别为油迹—油斑。矿井在一采区3条集中巷开拓及回采巷道掘进过程中，亦在局部地段煤层及顶板岩层中揭露石油的存在，表现为支护锚索、锚杆滴油。

根据青岗坪井田煤层底板等高线绘制了煤层赋存的三维图，能更加形象地显示出油点与煤层赋存之间的关系。井田内煤层呈现出北高南低、西高东低的埋深关系，井田内存在东西走向的2条向斜和1条背斜，几乎贯穿井田的东西范围。PK2、PK4、PK6、PK14、PK17与PK9等地勘出油点与A、B、C等采掘过程中发现的出油点皆位于井田内的两处向斜轴部附近。

根据地勘数据、井下实际揭露情况结合三维示意图进行分析，井田内油气显示主要有以下3个较为明显的特点：①含油层岩性主要以细、中粒砂岩为主；②含油砂岩为透镜状分布，平面展布的面积较小；③含油点多位于向斜的轴部两侧(或隆起的上倾方向)。

图2 青岗坪井田煤层出油点分布三维示意Fig.2 Three-dimensional schematic of distribution of oil outlet points in the Qinggangping Mine Coal Seams

目前生产的42106工作面位于PK17点附近，位于一个小型向斜的翼部。根据以上分析，工作面内顶板有含油区域，采空区内应存在一定的油气分布。

2.2 原生油气成分分析

油气中含有多种烷烃类物质，不仅会影响井下瓦斯爆炸的上下限，而且会影响矿井的自然发火预测预报标志气体指标体系[12-15]。为采集到油气样品，在42106回风巷车场处选择渗油严重区域向岩层内施工钻孔，钻孔施工完毕在孔内下入φ15 mm钢管，采用“两堵一注”方式进行封孔，封孔长度大于所穿过的煤层厚度5 m以上，用胶管连接取样器与钢管端头的球阀出气嘴进行采集气样。对气样进行15 d的检测分析，检测结果见表2。

表2 42106回风巷车场岩孔内气样连续检测分析结果Tab.2 Detection results of gas samples in the rock hole of 42106 return airway tank yard

由表2可知，岩孔内C2H6的浓度变化不大，无明显衰减现象，浓度保持在2 000×10-6～3 000×10-6，由此可判断钻孔密封良好，数据稳定可靠；CO浓度仅为0～3×10-6，且后期无CO存在。考虑到施工钻孔时穿过了4～5 m厚的煤层，钻具与煤层摩擦随着温度升高会产生部分CO，且CO分子量与空气平均分子量十分接近，产生的CO不易从孔内排出，可判断岩孔内的CO为打钻过程中生成并非油气内含有。

为进一步确定油气的成分，采集1份气样送至沈阳研究院实验室进行了C3及以上烃类成分分析，气样检测图谱如图3所示，气样成分检测结果见表3和表4。

图3 岩孔内气样图谱Fig.3 The atlas of gas sample in the rock hole

表3 岩孔内气样主要成分检出时间Tab.3 Detection time of main components of gas sample in rock hole

表4 42106回风巷车场岩孔内气样主要成分测试结果Tab.4 Detection results of of gas samples in the rock hole of 42106 return airway tank yard

由表3和表4可知，含油砂岩层内不含有CO，除了含有O2、N2与CO2等成分外，其余成分都是烃类物质，主要有CH4、C2H6、C3H8、异丁烷、正丁烷、异戊烷、正戊烷、正己烷、C7H16以及C8H16等，其他组分为含量极少的其他烃类；油气成分中烃类主要为含1～3个碳原子的烃类为主，其他烃类含量较少。

3 CO来源分析

3.1 煤层原生气体成分分析

在42105工作面新暴露的煤壁上，利用风煤钻施工钻孔并收集钻孔内煤样，将煤样送至沈阳研究院实验室测定其各成分及含量。青岗坪煤矿4-2号煤层煤样实验室测定结果结果见表5。

表5 青岗坪煤矿4-2号煤层煤样实验室测定结果Tab.5 Laboratory test results of coal samples of 4-2 coal seam in Qinggangping Coal Mine

为了验证实验室数据的准确性，在42105回风巷750 m处重新施工一个深度为90 m的本煤层钻孔，封孔后连接到瓦斯抽采系统中，先进行为期3 d的抽放，将因钻孔施工过程中可能氧化产物预先排空，再对钻孔的气体进行为期6 d的取样检测，气样检测结果见表6。

表6 42105回风巷750 m处本煤层钻孔连续取样检测结果Tab.6 The continuous test results of the gas sample in the coal seam at 750 m from the 42105 return airway

由表5和表6可知，青岗坪煤矿4-2号煤层原生气体成分主要由CH4和N2组成，除CH4外还含有一定量的其他烷烃，其中以C2H6为主，浓度在300×10-6左右，不含有CO、C2H4和C2H2等。

3.2 采空区遗煤氧化CO产生规律

为模拟破碎煤体在采空区内的氧化规律，取42106工作面新鲜煤样，在实验室中研究在空气环境下煤粉碎过程中CO的产生与变化规律。实验工况条件如下：①粒度100目(<0.15 mm)；②质量为1 g；③供气流量为100 mL/min；④25～80 ℃时升温速率为0.5 ℃/min，80～200 ℃时升温速率为1.0 ℃/min，200～300 ℃时升温速率为2.0 ℃/min；⑤气样采集间隔时间<20 min/次。

在上述实验条件下测得的4-2号煤层煤样产生CO随煤温的变化情况如图4所示。

图4 煤样升温过程中CO浓度与煤温关系Fig.4 The relationship between CO concentration and coal temperature during heating process of coal sample

由实验结果可知，CO的产生量随着煤温的升高而上升，其产生的临界温度为49 ℃左右，并贯穿于整个自燃氧化过程，169 ℃之前，这种变化表现为单一递增关系，并基本符合指数关系，拟合关系式为y=0.3e0.049x，拟合优度为0.949。由于青岗坪煤矿4-2号煤属于容易自燃煤层，煤体自然氧化速度快，加之采用放顶煤的采煤工艺，采空区遗煤与顶煤留存较多，这部分煤的氧化过程会在较低温度下产生CO。因此，采空区遗煤与顶煤低温氧化生成的CO是回风隅角及密闭墙内CO的主要来源。

3.3 采煤时高温氧化CO产生规律

采煤机割煤时滚筒与煤体碰撞产生的瞬间高温也会氧化煤体释放CO，该现象也可以通过实验室有氧升温实验进行模拟推演。

有研究表明，采煤机滚筒截齿最高瞬时温度可达600 ℃以上，但时间极短，且采煤机上配有喷雾降尘，可降低其温度。利用手持式红外测温仪在现场测得采煤时落煤实际温度为70 ℃左右，在实验室环境下当温度超过290 ℃后，煤就会出现大量烟雾，甚至出现明火，所以实验温度控制在0～260 ℃，在70 ℃处恒温6 min。在70 ℃左右，CO浓度平均30×10-6。从70 ℃降到25 ℃的过程中，CO平均浓度为10.21×10-6。这说明在空气环境下采煤机滚筒截齿与煤体碰撞中产生高温造成煤体氧化产生CO浓度在10×10-6～30×10-6变化。因为采煤产生的CO主要随着风流流入回风巷，在回风隅角处聚集较少，也不会进入采空区，所以采煤机采煤时产生的CO不是回风隅角及密闭墙内CO的主要来源。

4 结论

(1)利用钻屑法和实验室测试确定了青岗坪煤矿4-2号煤层原生气体中不含有CO、C2H4和C2H2，但含有一定量的烷烃类，其中以C2H6为主，浓度约为300×10-6。

(2)通过施工钻孔取样，确认了青岗坪煤矿4-2号煤层上覆含油砂岩层内的气体成分中烃类组分主要为CH4、C2H6、C3H8等，不含CO、C2H4、C3H6和C2H2等气体。

(3)通过实验室程序升温实验，确定4-2号煤低温氧化时在49 ℃左右开始产生CO，169 ℃之前这种变化表现为单一递增关系，确定采空区遗煤与顶煤低温氧化生成的CO是回风隅角及密闭墙内CO的主要来源。

(4)采煤机采煤时瞬时高温对煤体氧化会产生CO，但生成量较小，不是回风隅角及密闭墙内CO的主要来源，但会干扰对采空区自然发火进程的判断。

(5)通过在煤层和含油砂岩层采集气样进行实验室检测，进一步验证了《青岗坪煤矿4-2号煤层自然发火标志气体及临界值测定》报告中所提及的CO、C2H4、C3H6和C2H2等气体可作为该矿井的自然发火标志性气体，但报告中指出的烯烷比(C2H4/C2H6)与链烷比(C3H8/C2H6)均不适合作为判断青岗坪煤矿自然发火进程的指标。