许疃煤矿煤炭自燃指标气体优选与应用

骆大勇，刘 振

(1.重庆工程职业技术学院，重庆 402260； 2.淮北矿业集团许疃煤矿，安徽 亳州 233501)

在煤矿开采过程中，采空区是发生煤炭自燃最频繁的地方，且当采空区一旦发火，往往很难被隔离处理，灾情难以消除[1]。目前，国内外普遍采用指标气体检测预测煤炭自燃，但不同的矿区、不同的煤层，甚至同一矿区不同煤层或同一煤层不同区域的指标气体都可能存在差别。为了有效预测许疃煤矿3238工作面煤炭自燃，首先对工作面采集煤样进行自燃倾向性测试，然后进行低温氧化试验测试，并对试验过程中各种气体出现的最早时间、生成量与温度变化之间的规律进行分析，得出在不同的温度阶段采用不同的预报煤炭自燃的指标气体[2-9]，以便为现场实践应用提供理论基础。同时，通过数值插值拟合方法，得出指标气体体积分数与温度之间的关系[10-12]，以期对现场的防灭火工作提供实际指导。

1 试验测试系统及煤样

1.1 试验装置

煤自燃倾向性测试采用ZRJ-1煤自燃性测定仪进行测试。试验煤样是在许疃煤矿3238工作面中部采集的2#煤样。按照国家标准方法对试验煤样进行了工业和元素分析[13-14]。煤低温氧化试验采用煤自燃特性测试系统进行试验，试验装置由进气系统、自动控温加热系统、气体分析系统构成，主要部件包括高压气瓶、稳流装置、流量控制器、控温炉、煤样罐、温度显示和控制系统、气相色谱仪等，其结构如图 1 所示。

图1 煤自燃特性试验装置示意图

1.2 试验煤样

根据煤样采集原则及研究需要，分别在许疃煤矿3238工作面上口(工作面风巷口)、中部(工作面开切眼中部)和下口(工作面机巷口)处各采集1袋新鲜煤样，对应编号分别为1#、2#和3#。试验时，首先分析煤样采样袋中气体的本底气体成分；然后剥去煤样表层进行破碎，并筛选出不同粒径的煤样进行自燃倾向性鉴定和低温氧化试验。

2 试验测试结果

2.1 本底气体测试结果

首先，把采集的煤样封装在采样袋中，采样袋中预留一定的空气，并在实验室常温常压条件下静置30 d，旨在考察许疃煤矿3238工作面煤层在常温下的氧化特性。然后，从采样袋中抽取气样进行分析，分析结果如表1所示。从表1可以看出，3种煤样采样袋中的气体成分中均含有CO、C2H4、C2H6、C3H8和C2H2，由此说明许疃煤矿3238工作面煤层在常温常压条件下具有氧化性。

表1 采样袋内气体成分的本底体积分数分析

2.2 自燃倾向性测试结果

煤层自燃倾向性测试选用2#煤样作为测试煤样。首先，对试验煤样进行工业和元素分析；然后，对试验煤样进行自燃倾向性鉴定测试，其结果如表2 所示。由表2可知，2#煤样的自燃倾向性等级为Ⅱ级，煤层属自燃煤层。

表2 煤样自燃倾向性测试结果

2.3 低温氧化试验结果

2.3.1 氧化气体体积分数与温度的关系

在进行低温氧化试验时，进气O2体积分数为20.96%，流量为100 L/min，各选取粒径为550～830 μm 的煤样70～90 g作为试验对象。炉膛温度设定从20～200 ℃，升温速率设定为2 ℃/min，每隔10 ℃测试1次，每次达到预设温度后，恒温运行 3 min，再进行气样成分分析，以此循环直至试验结束。通过测试得出3种煤样CO2和O2体积分数与温度之间变化关系，以及3种气体(CO、C2H6和C3H8)体积分数与温度之间的关系，结果分别如图2和图3 所示。

图2 3238工作面3种煤样CO2和O2体积分数与温度之间的变化关系

图3 CO、C2H6和C3H8体积分数与温度之间的变化关系

由图2可知，当试验温度小于100 ℃时，3种煤样CO2体积分数变化较缓慢；当试验温度达 100 ℃ 左右时，CO2体积分数开始增大，同时O2体积分数下降速度则是缓慢加快，说明煤炭还未进入急剧氧化放热阶段。

由图3可知，工作面3种煤样在20 ℃都出现了CO，当温度在20～100 ℃时，CO体积分数变化虽然缓慢，但都随温度升高而缓慢升高；当温度在100～200 ℃时，CO体积分数都随着温度的升高呈指数型迅速增大。工作面3种煤样在50 ℃左右时，开始出现C2H6，当温度在50～100 ℃时，C2H6体积分数随温度升高缓慢增大；当温度在100～200 ℃时C2H6体积分数都随着温度的升高呈指数型迅速增大。工作面3种煤样在120 ℃左右时，开始出现C3H8，当温度在150～200 ℃时，随着煤样氧化的不断进行，C3H8体积分数随温度升高呈指数型缓慢增大。

2.3.2 生成氧化气体的初始温度

齐抓共管，形成工作合力。水利部门加强对前期工作、建设管理、检查验收等环节的指导服务。财政部门抓好资金筹集和拨付，强化资金监管，并会同国土房管、物价、税务、供电等部门落实政策。监察、审计部门把改造专项资金纳入强农惠农资金进行重点监管，确保资金及时足额到位和使用安全。市政府督查室将此项工作作为考核内容，并定期通报督查情况。先后召开了协调会、工作会、推进会、现场会，解决出现的重大问题。通过检查、督查、巡查和驻查等方式，全过程开展质量监督和安全监管，确保项目质量好、建得快、用得上、管得久。

通过测试得出3种煤样在低温氧化试验过程中各种气体出现的最早温度和体积分数，如表3所示。

表3 各煤样在试验过程中出现各种气体的最早温度和体积分数

由表3可以看出，各煤样在常温条件下都出现了CO，进一步说明3238工作面煤层在常温下具有氧化性。随着煤温的升高，煤样氧化性逐渐增强，相继出现C2H6、C3H8和C2H4，煤样短时间内氧化生成C2H6、C3H8和C2H4的温度大致分别为40、120、170 ℃。

3 试验测试结果分析

为了提高预测结果的准确性和可靠性，本次采用多因素综合分析法，分别进行火灾系数、链烷比和烯烷比分析。

3.1 火灾系数分析

根据 CO2、CO 及 O2体积分数变化量可按下式计算出格氏火灾系数(分别为R1、R2、R3)：

式中：+Δφ(CO2)、+Δφ(CO)及-Δφ(O2)分别表示CO2、CO、O2的体积分数变化量。

由试验数据计算出火灾系数R1、R2、R3，对数据取绝对值后各系数与煤温之间的关系如图4所示。

图4 各煤样火灾系数与温度之间的关系

由图4可知，3238工作面3种煤样火灾系数R1和R3随温度增加变化幅度均较大，且没有规律，两者均不宜作为煤自燃的判别指标。当温度低于150 ℃时，火灾系数R2随煤温的增高整体呈上升趋势，但整体规律性也不强，也不宜作为煤自燃的判别指标。

3.2 链烷比分析

由图5可以看出，煤温在150 ℃之前，C2H6与CH4体积分数比值随煤样温度的增高变化比较小，之后呈指数上升趋势。煤温在120 ℃之后，C3H8与CH4体积分数比值随温度增加呈指数上升趋势，变化比较大；C3H8与C2H6体积分数比值随温度增高呈线性上升趋势，变化较大。当煤样温度超过120 ℃时，煤样氧化速度加快，C3H8与CH4体积分数比和C3H8与C2H6体积分数比变化特征符合煤样拐点温度段及之后温度的试验特征。

3.3 烯烷比分析

根据试验数据绘制烯烷比随温度变化曲线，如图6所示。

由图6可知，C2H4与CH4体积分数比值开始上升的温度约为 180 ℃，C2H4与C2H6体积分数比值和 C2H4与C3H8体积分数比值开始上升的温度都在170 ℃左右，且当各煤样烯烷比值开始上升后，比值都随温度增高呈指数上升趋势。因此，烯烷比可以用作该工作面煤层已处于活跃氧化阶段的参考指标。

4 预报指标气体优选

基于该矿煤样试验结果，依据预测煤炭自燃指标气体选择原则，提出在不同阶段以不同指标气体来预测煤自燃[14-20]。

1)温度在20～100 ℃时，可选择CO作为指标气体。通过对煤样本底气样分析可知，可作为指标气体的是 CO、C2H6、C3H8、C2H4、C2H2中的一种或几种气体，通过表3所示的各气体出现最早温度可知，C3H8、C2H4出现时温度在120 ℃以上，而C2H2在试验煤样温度达200 ℃之前没有出现，所以这3种气体不适合作为早期预报的指标气体；C2H6虽然出现的最早温度为40 ℃，但在煤样温度达100 ℃之前，其体积分数均未超过5×10-6，显然现有检测技术对CO的检测范围及精度远大于C2H6。因此，温度在20～100 ℃时，选择CO作为早期预报的指标气体更适合。

2)温度在100～150 ℃时，选择C2H6作为指标气体。由试验数据可知，C2H6出现的最早温度为50 ℃左右，在50～100 ℃时，C2H6体积分数随温度增高变化幅度较小，当温度在100～200 ℃时，C2H6体积分数随温度增高呈指数急剧上升。因C2H6的灵敏度高，准确性好，只要检测到C2H6，便可以判定煤炭自然发火已进入了加速氧化阶段。因此，温度在100～150 ℃时，选择C2H6作为指标气体。

3)温度在150 ℃以上时，选择C3H8作为指标气体。由试验数据可知，只要检测到C3H8，说明煤炭温度已经超过120 ℃，若其体积分数持续增大，说明煤炭已进入急剧氧化阶段，自燃温度已超过150 ℃。

运用插值拟合方法，得出各指标气体体积分数与温度的函数关系式，见表4。

表4 指标气体体积分数与温度的函数关系

4)链烷比作为辅助指标。φ(C3H8)/φ(CH4)的比值随煤样温度增高整体呈指数上升趋势，有较好的规律性，变化特征符合煤样拐点温度(120 ℃)及之后温度的试验特征，适合作为该矿判断煤炭自燃的辅助指标。

5 现场应用

5.1 矿井概况

许疃煤矿位于安徽省蒙城县境内，总体为一走向近南北、向东倾斜的单斜构造。井田走向长9～12 km,倾向长3～7 km，面积为52.6 km2。矿井2004年 11月建成投产，设计生产能力300万t/a，2020年核定生产能力为350万t/a。主采煤层为32、71、72、82、101(许疃断层以北)煤层，平均总厚11.12 m。矿井为煤与瓦斯突出矿井，33采区32煤-645 m以深为煤与瓦斯突出危险区，其他采区回采煤层均为非突出煤层。目前回采的32、71、72、82煤层自然发火等级均为Ⅱ类，煤尘具有爆炸性。

5.2 工作面概况

工作面位于33采区下山北翼的第四阶段，工作面上区段(西)为3236工作面(已回采)，下区段(东)为32310工作面(尚未准备)，3238 综采工作面巷道布置如图7所示。32煤层属于二叠系上统上石盒子组，工作面的煤层厚度1.70～3.80 m，平均2.80 m，局部含1～2层夹矸，夹矸厚0～0.8 m，煤层赋存稳定，结构较简单。工作面煤系地层总体呈南北走向，向东倾斜的单斜构造，煤层倾角3°～30°,平均15°。煤尘爆炸指数为36.65%，有爆炸危险。煤的自燃倾向性为Ⅱ类，自然发火期为54 d。

图7 3238 综采工作面巷道布置示意图

5.3 工作面防火实践

根据煤样试验测试结果，优选CO作为该工作面早期预报煤炭自燃的指标气体、C2H6作为自燃初期预报的指标气体、C3H8和链烷比(φ(C3H8)/φ(CH4))作为自燃发展期预报的指标气体。应用如下：①当检测出CO气体、且其浓度有稳定增大趋势时，表示煤温t>50 ℃；②当检测出C2H6气体、且其浓度有稳定上升趋势时，表示煤温t>120 ℃；③当检测出C3H8气体、且其浓度有稳定上升趋势时，表示煤温t>150 ℃；④当烯烷比呈稳定上升趋势时，表示煤温t>170 ℃。

在3238综采工作面开采期间，在工作面回风流和邻近层采集气样，并通过矿井专用色谱仪分析，气样中未检测出C2H6、C2H4和C3H8等气体。气样中虽检测出有CO，但其体积分数均较低，且不稳定，分析未发现有稳步上升的趋势，因此，可以判定该煤层没有发生自热(自燃)现象。此结果与现场实际吻合。

6 结论

1)通过对许疃煤矿煤样进行低温氧化试验，得出温度在20～100 ℃时，CO体积分数与温度变化规律性较强；在100～150 ℃时，C2H6体积分数与温度变化规律较强；在150 ℃ 以上时，C3H8体积分数与温度变化规律较强；火灾系数与温度关系规律性不强。因此，在上述温度区间内，分别以CO、C2H6、C3H8作为指标气体，并以链烷比和烯烷比作为辅助指标。

2)基于试验测试结果，利用插值拟合方法，得出各指标气体体积分数与温度的函数关系式，通过检测煤体温度，可以计算出CO、C2H6及C3H8的体积分数，由此可以推测采空区煤炭所处状态，及时了解采空区煤自燃状况。

3)将试验测试数据与该矿现场实测统计数据相结合，可进一步对指标气体参数进行优化修正，建立煤层自燃早期预测预报防控体系，对于有效防止煤炭自燃具有一定的指导意义。