发耳煤矿近距离煤层自燃预测指标研究

董小明，武瑞龙，王超群，郭睿智

（1.贵州安晟能源有限公司，贵州 贵阳 550000；2.贵州发耳煤业有限公司，贵州 六盘水 553001；3.西安科技大学安全科学与工程学院，陕西 西安 710054）

0 引 言

近距离煤层是指间距较小且受采煤活动影响较大的煤层[1]，容易在采动应力的作用下产生大量贯通裂隙，形成复杂的漏风通道[2]，增加煤自燃危险性[3]。目前，学者们对近距离煤层自燃防治做了大量工作。何敏[4]分析了近距离煤层群正压通风矿井自然发火的规律。黎经雷等[5]通过Fluent 软件模拟了风速对近距离煤层采空区漏风及煤自燃的影响。徐青云、王政等[6，7]研究了瓦斯抽采对近距离煤层采空区煤自燃的影响。李强等[8]采用钻孔埋管监测了近距离煤层下分层开采过程中上分层的气体变化规律，预测上分层采空区遗煤自燃情况。王超群等[9]采用SF6 示踪气体对近距离煤层群漏风规律进行研究，提出煤自燃隐患区域注水降温等治理措施。郝宇、吴玉海等[10，11]在高瓦斯近距离煤层群易自燃工作面回撤期间，采用注氮、注浆及堵漏风等多种手段。刘云秋[12]采取封堵漏风、均压、注浆和注氮等防灭火技术，保障了浅埋深近距离易自燃煤层群工作面安全回采。近距离煤层自燃环境复杂且相互影响，目前大多研究主要集中在漏风规律和煤自燃防治，因此，有必要通过实验研究近距离煤层自燃预测及分级预警指标。

本文对发耳煤矿的1、3、5-2、5-3、7 和10 煤层的煤样分别开展程序升温实验，研究各煤层的自燃临界温度、干裂温度及气体产物变化规律，对比分析CCO/CCO2、CCO2/CO2和CCO/CO2气体比值，建立近距离煤层的自燃预测及分级预警指标，保障煤矿安全生产，为同类近距离煤层自燃预测提供参考与指导。

1 煤矿概况

发耳煤矿位于贵州省六盘水市水城县南部，含煤地层大约47 层，平均总厚46.90 m。其中可采及局部可采煤层共19 层，平均总厚度为26.82 m，比较稳定的煤层平均总厚度为19.42 m。其中3 煤与5-2 煤的平均间距为8.8 m，最小间距为2.5 m。发耳煤矿具有煤层薄、间距小的特点，见表1。 6 个煤层的元素分析见表2。

表1 发耳煤矿主要煤层特征表

表2 各煤层元素分析结果

元素分析结果表明，1 煤的碳元素含量最高，5-3 煤的碳元素含量最低。

2 实验方法及过程

2.1 煤样制备

从发耳煤矿采集6 个煤层（1、3、5-2、5-3、7和10）的煤样送至西安科技大学，在空气条件下分别将实验煤样破碎，采用标准筛网筛取0～0.9、0.9～3 、3～5、5～7 和7～10 mm 5 种不同粒径的煤样各50 g 组成混合煤样。

2.2 实验装置

采用西安科技大学自主研制的油浴程序升温实验系统，该系统由气体供给、传热试验罐、智能温控油浴装置、气体采集及分析仪器5 部分组成，如图1所示。相比于空气浴程序升温系统，油浴程序升温系统的升温速率具有较好稳定性。

图1 油浴程序升温实验系统图

2.3 实验过程

取各煤层混合煤样各250 g，分别装到试验罐进行升温测试。煤样初始温度为室温，调节空气流量为30 ml/min，升温速度为0.5 ℃/min，每升高10 ℃抽取出实验气样，采用SP-3430 气相色谱分析仪分析气样组分和浓度。

3 实验结果及分析

3.1 气体浓度

在程序升温过程中，煤样的CO 和C2H4生成量随温度的变化曲线如图2、图3 所示。

图2 CO 浓度与温度的关系曲线

如图2 所示，随着温度升高，各煤样的CO 气体增加，且在70℃～80 ℃和130℃～140 ℃2 个温度阶段出现突变点。各煤样CO 生成量与温度的关系整体表现的大小顺序为：1 煤＞3 煤＞5-2 煤＞5-3煤＞10 煤＞7 煤。如图3 所示，在110 ℃之前，煤样均未出现C2H4气体。随着温度升高，1、3、5-3 和7煤在110 ℃出现C2H4气体，5-2 煤和10 煤分别在120 ℃和140 ℃出现C2H4气体，但整个升温过程中C2H4生成量较小。C2H4气体可作为煤裂解反应的标志性气体产物。

图3 C2H4 浓度与温度的关系曲线

3.2 耗氧速率

耗氧速率能够表征煤氧化性强弱。根据化学动力学及化学平衡理论，由耗氧速率与氧气浓度成正比，可推导出炉内耗氧速率V0（T）为[13]：

式中，Q为供气量，cm3/s;S为炉体供风面积，cm2；n为煤样孔隙率；l为煤样高度，cm；C0为进气口氧气浓度，mol/cm3；C1为出气口氧气浓度，mol/cm3。

根据公式（1），计算得到各煤样耗氧速率随温度变化的曲线，如图4 所示。

图4 耗氧速率与温度的关系曲线

从图4 可知，煤样的耗氧速率均随温度的升高而升高，在70℃～80 ℃以前，耗氧速率较小，且曲线变化平缓。在130℃～140 ℃以后，耗氧速率急剧增大，具有明显的阶段性特征。说明在此温度后，煤氧复合反应加快。各煤层煤样的耗氧速率与温度的大小关系整体表现为：1 煤＞5-2 煤＞3 煤＞5-3 煤＞7煤＞10 煤。

3.3 气体产生率

CO 和CO2产生速率可表征煤氧复合作用的剧烈程度。根据流体流动和传质理论，由方程（1）推导出CO 和CO2生产率表达式，如式（2）、（3）所示[14]：

式中，VCO（T）和VCO2（T）为CO 和CO2的产生率，mol·cm-3·s-1；C1CO和C1CO2为进气口处的CO 和CO2浓度，mol·cm-3·s-1；C2CO和C2CO2为进气口处的CO 和CO2浓度，mol·cm-3·s-1。

煤样的CO 产生率与温度的关系曲线如图5 所示，CO2产生率与温度的关系曲线如图6 所示。

图5 CO 产生率与温度的关系曲线

图6 CO2 产生率与温度的关系曲线

从图5 可知，随着温度升高，CO 产生率整体表现出单调递增且增速变大的趋势。在70℃～80 ℃之前，CO 产生率随温度升高的速度较慢。在130℃～140 ℃范围内，CO 产生率随温度升高的增速加快。1、3 和5-2 煤的CO 产生率均较大。由图6 可知，随着温度的升高，CO2产生率整体表现出单调递增且增速变大的趋势。

3.4 放热强度

煤氧复合作用释放的热量是煤自燃的主要热源，放热强度是其重要指标。实际的放热强度在最大值和最小值之间，如方程式（4）和（5）所示：

式中，qmax（T）和qmin（T）分别是最大和最小放热速率，J/cm3·s；V0CO（T）和V0CO2（T）分别是标准CO 和CO2产生率，mol·cm-3·s-1；ΔHCO2和ΔHCO分别是CO2与CO的反应热，kJ/mol；=58.8 kJ/mol。

由化学键能守恒估算法，测算出煤氧化过程中的最大和最小放热强度随温度的变化如图7 所示。

图7 煤样放热强度与温度的关系曲线

从图7 可知，煤样在升温过程前期的放热强度变化缓慢，70℃～80 ℃开始明显升高，130℃～140℃出现显著升高。1、3、5-2 煤的最大和最小放热强度均较大。通过对气体生成量、耗氧速率和气体产生率等分析，得到各煤样的临界温度为70℃～80 ℃，干裂温度为130℃～140 ℃，以此将氧化过程大致分为3 个阶段：缓慢氧化、加速氧化与剧烈氧化阶段。

3.5 气体比值分析

为消除实验条件带来的误差，对CCO/CCO2、CCO2/CO2和CCO/CO2气体比值进行分析，气体比值随温度的变化规律如图8 所示。

图8 气体比值随温度的变化曲线

根据煤样的临界温度和干裂温度范围，分别选择70℃和140 ℃为例，对其CCO/CCO2、CCO2/CO2和CCO/CO2气体比值进行对比分析，见表3。

表3 CCO/CCO2、CCO2/CO2 和CCO/CO2 气体比值表

如图8 和表3 所示，当煤样温度达到70 ℃时，煤样缓慢氧化到加速氧化阶段的临界指标为气体比值为0.008～0.021，CCO2/CO2气体比值为107.01～345.33，CCO/CO2气体比值为1.66～6.34。当煤样温度达到140 ℃时，煤样加速氧化到剧烈氧化阶段的临界指标为CCO/CCO2气体比值为0.083～0.186，CCO2/CO2气 体 比 值 为492.5 ～726.9，CCO/CO2气 体 比 值 为47.42～130.44。以上气体比值可作为不同温度阶段各煤层的煤自燃分级预警指标，可提高发耳煤矿近距离煤层自燃预测的准确性和灵敏度。

4 结 论

1）发耳煤矿近距离煤层的自燃临界温度范围为70～80 ℃，干裂温度范围为130℃～140 ℃，以此把煤自燃氧化过程划分为缓慢氧化、加速氧化和剧烈氧化3 个阶段。

2）各煤样的CO 生成量与温度的大小关系整体表现为：1 煤＞3 煤＞5-2 煤＞5-3 煤＞10 煤＞7 煤，CO 气体可作为发耳煤矿的煤自燃主要指标。在110℃之前，煤样均未出现C2H4气体。随着温度升高，1、3、5-3 和7 煤在110 ℃出现C2H4气体，5-2 煤和10煤分别在120 ℃和140 ℃出现C2H4气体，C2H4气体可作为发耳煤矿的煤自燃辅助指标。

3）当温度达到70 ℃时，煤样缓慢氧化到加速氧化阶段的临界指标为CCO/CCO2气体比值为0.008～0.021，CCO/CO2气体比值为107.01～345.33，气体比值为1.66～6.34。当煤样温度达到140 ℃时，煤样加速氧化到剧烈氧化阶段的临界指标为C～/CCO2气体比值为0.083～0.186，CCO2/CO2气体比值为492.5～726.9，CCO/CO2气体比值为47.42～130.44。