西川煤矿4号煤层自然发火标志气体及临界值确定

余国猛

(江苏徐矿能源股份有限公司江苏矿业西川煤矿，江苏 徐州 221131)

0 引言

目前，我国矿井煤炭开采呈现出埋藏深、地下温度高的特点，极为容易产生煤自燃灾害，控制煤自燃的方式仍以预防为主[1-3]。煤炭在自燃时，由于煤氧反应会产生如CO、CO2、C2H4、C2H6等标志性氧化产物和烃类气体[4-6]，这些标志气体的物化性质可以反映煤低温氧化和燃烧的程度，故选择关键的预防煤自然发火指标气体至关重要[7-8]，找到临界气体浓度所对应的温度是矿井火灾防治煤自燃灾害发生的有效手段之一[9]。随着煤温的升高，各标志气体的生成量会发生显著变化[10]，通过对气体的收集可以有效避免自燃灾害的发生。

西川煤矿开采煤层为4号煤层，煤层结构简单，整体情况为小型向斜构造，工作面中部位于向斜底部。经鉴定，4号煤层自燃倾向性为Ⅰ类容易自燃煤层，煤体存在低温易氧化等特点，采用试验研究煤体的升温氧化研究、工作面现场监测数据进行统计分析确定临界温度和可以表征自然发火的标志气体。为做好工作面低温氧化的内因火灾防治工作，西川煤矿采用灌浆注氮等综合防灭火措施，同时需加强束管监测方法和安全监测监控的预测预报系统[11]。由于生产速度的加快和该矿开采强度增加，自然发火期缩短，工作面配风量大，导致煤孔裂隙中风流速度加快，漏风强度增大，采空区氧化升温带不断增大，导致自燃危险区域扩大；另外，由于深度的影响，地温不断增高，煤体的原始温度受到煤岩层的热传导温度不断增高，耗氧速率加快，热量不断积累，使得获得供风通道的煤体氧化放热性能不断增强，且影响指标性气体的优选以及临界温度的判断[12-13]。为响应国家政策，保证矿井持续高效的生产，提高煤自然发火防治工作水平，杜绝矿井煤自燃的发生，亟需对西川煤矿1117综放工作面4号开采煤层优选煤自然发火标志气体，确定分级预警指标，为矿井煤炭自燃防治提供有力的技术支撑和理论指导。

1 井田概况

华能铜川照金西川煤矿1117综放工作面开采煤层为4号煤层，煤层结构简单，总体形态为小型向斜构造，工作面中部位于向斜底部。工作面内煤层厚度为6.0～9.8 m，平均煤厚7.8 m，煤层厚度变化不明显;煤层走向NE56°～NW85°，煤层倾向SE34°～SW5°，煤层倾角0°～10°，平均4°。1117综放工作面采用“U”型全负压通风。进风流路线为地面→副(主)斜井→井底车场(清理斜巷)→集中辅助运输下山(集中胶带下山)→集中辅助运输下山延伸巷(集中胶带输送机下山延伸巷)→1117车场→1117运输顺槽→1117综放工作面。回风流路线为1117综放工作面→1117回风顺槽→1117回风顺槽联络巷→集中回风下山→回风斜井→地面。

为了防治内因火灾的发生，1117综放工作面主要采取以黄泥灌浆为主、注氮和阻化剂为辅的综合防灭火措施，同时加强束管监测和安全监测监控的预测预报系统。井田为单一开采煤层，煤层倾角小，厚度大，煤质较硬，在煤层中布置3条南北向的集中下山，3条东西向的大巷。煤层厚度平均7.8 m，属中厚-厚-特厚煤层。煤层夹矸1～2层，夹矸岩性多为泥岩，次为炭质泥岩和泥质粉砂岩，属结构简单煤层。经鉴定，煤炭自燃倾向性等级鉴定为I类容易自燃煤层。

2 发火标志气体试验

2.1 试验装置

采用ZRDⅡ型煤自燃特性测定装置，联用气相色谱分析仪进行测试得到煤自然发火标志气体与温度的关系，从而按照行业标准优选煤自然发火标志，测试装置由温度控制器，电热炉及样品管、色谱仪、流量控制器、减压阀等组成，如图1所示。

1-高压气瓶；2-减压阀；3-稳压阀；4-稳流阀；5-压力表；6-气阻；7-电子流量计；8-预热铜管；9-进气管；10-煤样罐；11-出气管；12-温度传感器；13-加热电阻；14-风扇；15-保温层；16-升温箱；17-数据采集卡；18-气相色谱分析仪；19-色谱分析工作站；20-计算机图1 煤自然发火标志气体测试装置示意Fig.1 Test device for marker gas of coal spontaneous combustion

2.2 煤样的制备

根据GB/T 4822008《煤层煤样采取方法》的要求，确定煤样采集地点为西川煤矿1117综放工作面。采样时取工作面中部块状煤样5～10 kg，用保鲜膜密封保存后24 h内运至实验室；进行测试前先将大块煤体的外部表面氧化层剥离，取中心内部煤样，然后对其进行破碎并用机械筛分器筛分出40～80目的颗粒50 g作为试验煤样，放在温度为30 ℃的真空干燥箱中干燥72 h，煤样工业分析见表1。

表1 工业分析

2.3 试验条件及流程

指标气体测试过程及程序升温参数：恒温温度40 ℃，升温速率0.8 ℃/min，终止温度240 ℃；指标气体测试过程试验流量参数：室温～35 ℃(96 mL/min)，35～70 ℃(8 mL/min)，70～240 ℃(96 mL/min)。试验使用铜制煤样罐，具体参数为直径45 mm、高度100 mm；试验所用煤样使用电子天平称量；称取参数质量50±0.1 g、粒径40～80目(0.45～0.2 mm)。每经过升温12 min，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。

3 结果分析

3.1 CO气体产生规律

CO气体是煤升温氧化过程中出现最早的氧化气体产物，并且贯穿于整个氧化过程中；在180 ℃以前，CO气体产生浓度与煤温之间表现为单调递增的变化关系，如图2所示，并基本符合指数关系，拟合关系式为y=0.627 3e0.067 3x，拟合优度为R=0.968 6。当煤温超过180 ℃左右以后，这种指数关系不复存在，呈现出一种增长放缓，生成量逐渐稳定的关系。试验中供氧量恒定，激烈氧化时耗氧量极大，致使氧气浓度降低幅度很大，此时煤样的CO的产生不再随煤温的升高而持续递增，但在温度升至210 ℃之前，CO产生浓度一直增大。

图2 煤样升温过程中CO浓度与煤温间关系Fig.2 Relationship between CO concentration and coal temperature during coal sample heating

因此，选取CO作为西川煤矿1117综放工作面的煤自燃标志气体具有可行性，但由于矿井结构复杂，内部不可控因素较多且未知，在现场应用过程中，还需要考虑1117综放工作面的具体环境因素，根据大多煤自燃发生的地点，自燃会经常出现在采空区遗煤和破损的煤柱中，煤体的自燃一旦发生，无论是贫氧条件还是阴燃，检测到的CO浓度与煤真实氧化反应产生之间无法明确表达，为消除进风风量对CO气体的影响，采用CO气体浓度指数等派生指标。

3.2 CxHy类气体分析与优选

乙烯气体C2H4为煤自燃发生时产生的有机烃类气体，由图3可以看出，其出现温度为110 ℃左右，随后浓度快速增大，呈现出随煤温的升高逐渐增大后呈指数型快速增高。经过GC气象色谱仪对测试煤样升温氧化过程中气体的分析，可以得到烷烃类的气体有CH4、C2H6、C3H8，气体随温度变化趋势如图4所示。CH4在煤温达到50 ℃时少量出现，当煤温达到157 ℃后浓度快速增大；C2H6在煤温达到90 ℃时出现，浓度随煤温逐渐增加；C3H8初始出现温度在60～70 ℃之间，随后其浓度迅速增大，在174～180 ℃间达到最大，随后快速减少。

图3 煤样升温氧化过程中烯烃浓度变化曲线Fig.3 Variation curve of olefin concentration in coal sample during temperature rise oxidation

图4 煤样升温氧化过程中烷烃浓度变化曲线Fig.4 Variation curve of alkane concentration in coal sample during temperature rise oxidation

C2H4气体其临界温度在110 ℃左右，在时间和温度上出现一个明显的差值，相比CO气体更为准确，特征性更高。C2H4出现以后，表示煤样进入加速氧化阶段。在157～210 ℃之间增速极快，在210 ℃出现峰值，之后浓度减小。因此，矿井在进行煤自然发火相关的工作当中，需要特别注意烯烃类气体出现时的浓度和温度等相关参数变化，在检测到C2H4出现则煤温已经达到110 ℃，C2H4浓度达到峰值代表煤温已经达到210 ℃左右，有机气体的产生对矿井防灭火工作的预测预报有重要的意义。但是，乙烯气体相对检测到的温度及时间会比CO气体靠后，在较高温度使用乙烯气体才可以说明自燃发生的情况，这时煤温已经很高，所以在选择烯烃类气体作为煤自然发火的指标气体时需慎重考虑。

3.3 煤自然发火气体比率

煤自燃标志气体是与井下空气含量有差别的、以一种准确便捷的方式去预测判断煤自燃的程度或其比值等参数。在自然发火预测预报中，根据各标志气体在煤升温过程中气体浓度随温度的变化规律、不同气体之间的比值等方法来推断煤自然发火所处的状态和发展趋势，对井下煤体氧化程度以及自然发热情况进行预测防控。

C2H4/C2H6比值与煤温的关系：C2H4/C2H6比值与煤温之间的关系如图5所示，由图可看出，C2H4/C2H6比值呈曲折的变化规律，由于该指标只有C2H4出现后才能应用，因此使用时应慎重考虑C2H4临界温度以前的自然发火状态。同时该指标在煤温达到210 ℃之前随煤温逐渐变大，且在157 ℃之后增速明显变快，在煤温达到210 ℃时达到最大，之后C2H4/C2H6比值曲线略有降低；在矿井中检测到该指标快速变大，则代表煤温已经超过157 ℃，煤进入快速氧化阶段；检测到该指标达到峰值则代表煤温已经超过210 ℃；但在未检测到该指标及220 ℃之后其与煤温变化趋势不明，因此对该指标也应慎重分析。

图5 试验煤样自然发火过程中的C2H4/C2H6Fig.5 Changes of C2H4/C2H6 during spontaneous combustion of coal samples

链烷比主要包括2类：一类是长链烷烃气体与甲烷的比值(C2H6/CH4、C3H8/CH4、C4H10/CH4)；另一类是长链的烷烃气体与乙烷的比值(C3H8/C2H6、C4H10/C2H6)。链烷比随煤温的变化曲线有类似于上述烯烷比的情况，但此处不进行C4H10/CH4与C4H10/C2H6的比值分析，其他比值变化规律如图6所示。可以看出，链烷比值变化同样表现出一定的规律性，但CH4绝大部分来源于煤吸附CH4的涌出，煤氧化所产生的CH4仅占极小的部分，即在实际生产过程中，很容易受到采掘工作、落煤时间的影响。因此，C2H6/CH4、C3H8/CH4指标不适合作为煤自燃的标志气体指标。图6中C3H8/C2H6随温度的上升比值在110 ℃前不断变大，在110 ℃之后快速变小，表现出较好的规律性，可作为辅助性指标。

图6 试验煤样自然发火过程中气体产物链烷比Fig.6 Alkane ratio during spontaneous combustion of coal samples

4 现场测试及防控

4.1 现场测试

2020年6月20日—2020年7月30日，对1117工作面进行了40余天现场观测，观测期间未发现乙烯和乙炔气体，同时统计了采空区、工作面、回风巷、回风上隅角气体浓度变化情况，如图7所示。采集的19个气样中CO浓度最低值为2.317×10-5，最大值为5.946×10-5，CO浓度整体呈现下降趋势，测得19个气样CO浓度均未超过2.4×10-5，可以取2.4×10-5作为回风隅角CO浓度的临界值；经过30余天的观测，采空区内(距工作面距离9～56 m)CO浓度最高未超过2×10-4，可将2×10-4作为采空区的CO浓度临界值。正常回采阶段采集气样中CO浓度均符合未超过2.4×10-5的规定，其中CO浓度值最大为2.290×10-5。回风巷内CO浓度较低，测得19个气样CO浓度最大值为9.05×10-6，最小值为7.6×10-7。

图7 CO浓度变化情况Fig.7 Change of CO concentration

4.2 采空区分级防控措施

根据前面程序升温的温度数据以及气相色谱的气体浓度分析结果，结合西川煤矿现场实际情况进行综合分析，得到1117煤层应该首选CO作为其煤自然发火主要标志气体，而C2H4气体的出现视为进入加速氧化阶段的标志，相比CO的浓度较高时才出现规律性的变化，C3H8/C2H6可以作为预测煤自燃的辅助指标，根据以上试验数据变化规律以及现场实测数据特征，将煤自燃低温氧化过程分为3个阶段，同时提出相应的防控措施，见表2。

表2 煤自燃低温氧化阶段划分

结合采空区遗煤及破损煤柱等发生低温氧化的阶段特征及西川煤矿现有的防灭火技术现状，结合1117工作面的地质情况、通风方式、采煤方法等情况，确定了不同阶段的防灭火协同措施。提出了在常规时间内可加强对隅角处的漏风防控，以减少采空区的漏风量。而当出现自燃征兆时，CO浓度开始阶段性大幅上升的状态表明温度超过70 ℃，此时可以采用间歇性注氮的方式对采空区内进行注氮作业防灭火。当遗煤自燃进程发展到加速氧化过程时，即发现有C2H4气体时，表明温度超过了110 ℃，此时可通过持续性注氮并喷洒阻化剂方式对采空区高温区域进行降温处理。而当遗煤自燃发展到剧烈氧化阶段过程时，可采用大流量注氮或者灌浆防灭火方式对采空区高温区域进行处理。

5 结论

(1)西川煤矿1117综放工作面在进行煤自然发火预测预报时需选择CO为指标气体；自燃缓慢至快速氧化的标志由C2H4气体表征。C2H4气体的出现可以视为煤的氧化进入加速氧化阶段的标志，C3H8/C2H6、C2H4/C2H6可以作为煤自然发火进程的辅助指标。

(2)通过对1117工作面、采空区(9～56 m)、回风隅角和回风巷4个测点现场采集气样，实验室气体浓度测定，并对4个测点CO和O2气体分布规律进行了分析，正常回采期间工作面CO浓度未超过2.4×10-5，回风巷CO浓度小于1×10-5；并确定了回风隅角CO浓度临界值为6×10-5，采空区CO浓度临界值为2×10-4。

(3)构建了分级防控防灭火体系，提出了在采空区出现不同自燃征兆时的防灭火措施，自燃征兆初期、自燃严重期不同自燃阶段的综合防灭火处理技术。