高突矿井自燃煤层分级预警指标体系研究

2022-09-29叶春辉周言安陈玉良董振波

采矿技术 2022年5期

叶春辉，周言安，陈玉良，董振波

(1.平安煤炭开采工程技术研究院有限责任公司，安徽淮南市 232052；2.淮南矿业（集团）有限责任公司，安徽淮南市 232001；3.西安科技大学安全科学与工程学院，陕西西安 710054；4.陕西华彬雅店煤业有限公司，陕西咸阳市 713500)

0 引言

煤矿井下自然发火是矿井的主要灾害之一[1]，煤炭自燃过程中会释放大量有毒有害气体，还容易引发煤尘与瓦斯爆炸等二次事故，严重威胁井下作业人员的生命安全[2-4]。随着采煤工艺的改进，煤层开采深度也在不断增加，导致自然发火问题越来越严重，因此火灾预警与超前治理对于煤矿的安全生产来说具有重大意义[5-6]。

近几年，煤自燃分级预警预测技术研究较多，并在诸多矿井得到了应用。很多学者大多以 CO、C2H4、O2、ΔCO/ΔO2、C2H4/C2H6等作为煤自燃的主要与辅助气体指标，建立煤自燃多级预警体系，为矿井煤自燃监测与防控提供数据支撑[7-11]。

为研究能够预测潘二矿1煤自然发火发展程度的煤自燃预警体系，通过对潘二矿1煤煤样开展煤自然发火实验及程序升温实验，根据煤自燃气体产物选取各个阶段的指标气体数据，划分煤自燃预警等级，确定相应阈值，用以指导矿井煤自燃火灾防控工作，提高防控效率，减少损失。

1 煤自然发火实验

1.1 实验装置

使用煤自然发火实验台，模拟真实的自然发火条件和环境。以松散煤体为研究对象，提供良好的供风和蓄热环境，使煤体氧化升温至自燃，在此过程中通过实验系统中的温度和气体检测装置，采集煤自然发火过程中的温度和气体相关参数，确定煤自然发火特性参数，掌握煤自然发火规律，指导煤自燃防治工作。

1.2 实验条件

实验前，对煤样进行了破碎处理，处理后对煤样进行了粒度以及频度的分析，结果见表1，实验条件见表2。

表1 潘二矿煤样煤粒度筛分析结果

表2 实验条件

1.3 实验结果分析

1.3.1 实验最短自然发火期

实验从2021年3月4日开始至2021年5月18日结束，期间炉内最高煤温从 25.62℃升至192.38℃，共历时76 d。因此，在实验条件下，潘二矿煤样在自然氧化条件充分时的实验最短自然发火期为76 d。

自然升温过程中，煤样最高温度点温度随时间而变化、各种气体浓度随煤温而变化。统计记录炉内温度与各项气体数值并进行分析。

1.3.2 气体数据分析

自然升温过程中，实验炉顶层取气点各气体浓度随煤温变化关系见图1，各种指标气体比值随煤温变化关系见图2。

由图1、图2可得出分析如下。

图1 气体浓度随煤温变化曲线

图2 气体比值随煤温变化曲线

（1）气体浓度随煤温变化规律。潘二矿煤样CO气体在煤自燃整个过程都能检出，先有少量CO气体出现，随着实验的进行，气体浓度呈指数规律增加。煤样在升温过程中，CH4一直存在；在升温初始阶段含有少量C2H6，煤温到72.17℃以后开始出现明显增加趋势；C2H4在 94.19℃开始出现，之后迅速增加，但浓度不大。

（2）CO2/CO随煤温变化规律。CO2/CO值在实验开始阶段较大，在 28.26℃时值达到较大，随后温度逐渐上升，CO2/CO值逐渐减少。

（3）C2H4/C2H6随煤温变化规律。潘二矿煤样烷烯比（C2H4/C2H6）随温度的升高呈先增大后减小趋势，此比值仅在C2H4出现后方可使用。

1.3.3 温度分析

根据图3可得出：实验初期，煤体升温速度较慢，煤样属于缓慢氧化阶段，当实验进行至 69天之后，升温速度明显加快，此时对应的特征温度为临界温度，对应煤温为72.17℃；当实验进行至72天后，升温速度再次加快，此时对应的特征温度为干裂温度，对应煤温为94.19℃；从第74天开始，升温速度又一次加快，此时对应的特征温度为裂变温度，对应煤温为 131.81℃。实验停止时温度为193.38℃。

图3 最高温度点温度随时间变化关系

1.3.4 特征温度及其气体表征

在煤的自燃过程中，各种气体指标在特定温度段出现突变，其变化温度范围和特点见表3。

表3 煤自燃过程中特征温度及其气体表征

煤样在潘二矿1煤层采取。实验前将煤样进行破碎处理并区分粒度，分析结果见表4。实验条件见表5。

表4 潘二矿煤样煤粒度筛分析结果

表5 实验条件

2.2 实验结果分析

2.2.1 气体浓度与煤温关系分析

通过程序升温实验，气体浓度与煤温关系如图4所示。

（1）从图4（a）中可以看出，实验初期 CO的产生量降低，随着煤温的升高产生速率增加，产生量曲线图基本符合指数状；由此得出煤样的氧化速度随着温度的升高而明显加快。

（2）从图4（b）中可以看出，在煤体升温氧化过程中，CH4一直存在且量值不大，随着温度的升高，CH4气体浓度迅速上升，说明温度的增高导致CH4与煤体脱附速度加快。

图4 气体浓度与煤温关系曲线

（3）从图4（c）中可以看出，C2H4自 120℃左右检出，随后其浓度伴随着煤温的增长迅速增加。在实验初期升温阶段就含有少量 C2H6气体，说明煤样中本身就含有C2H6气体。

2.2.2 CO/O2与煤温关系分析

根据图5可以看出，从30℃开始至110℃，期间CO/ΔO2随煤温升高而不断变大，并近乎呈现指数性增大趋势。在 110℃～140℃之间增大趋势变缓，这是由此阶段CO气体浓度突增导致。

图5 CO/ΔO2与煤温关系曲线

2.2.3 临界温度与干裂温度分析

根据潘二矿1煤层煤样的实验数据分析得出，实验初期煤样缓慢氧化，煤体升温速度较慢，随着实验的进程，CO产生率发生第一次突变，其起点温度为临界温度，对应温度为80℃～90℃。CO产生率发生第二次突变，其起点温度即为干裂温度，对应温度为110℃～120℃。

3 煤自燃分级预警指标体系构建

3.1 指标气体分析

气体检测设备采用的是气相色谱仪，主要检测O2、N2、CO、CO2、CH4、C2H2、C2H4、C2H6、C3H8等9种气体。

在煤体自燃过程中，根据各种气体的产生原因，可根据气体产生的原因将其分为两类：一类为煤体氧化产生的气体，主要为CO和CO2；一类为煤体热解产生的气体，主要有CH4、C2H6、C3H8、C2H4、C2H2。

通过两组实验的相互验证对比，选取CO、O2、C2H4、CO/CH4、CO/ΔO2、CO2/CO、CH4/C2H6作为煤自燃指标气体。

3.2 煤自燃指标气体选取

3.2.1 CO气体

煤的自然发火过程一直有CO的生成和释放。因此CO作为煤自燃指标气体表征煤的氧化反应，并表现出一定特征。但检测CO浓度时，对应温度区间较大，导致以此为预报指标时预报范围过大，很难准确判段煤自燃过程中与温度的关系；实验中CO随煤温的变化曲线呈指数状，但在井下真实环境中，受各种环境、设备因素的影响，从气体浓度值分析找出其对应的温度值难度很大。因此可以将CO作为煤自然发火过程中的预测预报指标气体，结合煤矿井下实际情况来说，还需考虑井下环境和条件造成的影响。

3.2.2 C2H4气体

煤样在实验初始阶段无 C2H4气体，随着实验的进程，温度在120℃左右出现少量C2H4气体，随后浓度缓慢增加。C2H4出现以后，煤样氧化进入加速氧化阶段。

3.2.3 C2H4/C2H6

由实验数据分析可得，C2H4/C2H6比率曲线图呈抛物线状，该指标仅用于 C2H4气体出现阶段。C2H4/C2H6比率可作为C2H4气体出现后、C2H2气体出现前判断煤体自燃的预测预报指标。

3.2.4 CO/ΔO2

以往运用指标气体分析法预测预报煤自燃仅采用CO一种气体指标，但结合现场应用实践表明，单一的CO指标不能满足要求。因此国内外除主要的CO、CH4、C2H4等气体外，还采用CO/ΔO2作为煤自燃指标气体，多种指标联合判断有助于消除单一气体判断不准确的影响。

综上分析，结合潘三矿 13煤样程序升温实验结果，选取 CO、O2、CO/ΔO2、C2H4、C2H4/C2H6作为主要的指标气体。