芮國相，王玉懷，任建軍，席曉斌

(1.內(nèi)蒙古科技大學(xué)，礦業(yè)研究學(xué)院，內(nèi)蒙古包頭 014010;2.華北科技學(xué)院，北京東燕郊 101601;3.國電建投內(nèi)蒙古能源有限公司察哈素煤礦，內(nèi)蒙古鄂爾多斯 017209)

0 引言

察哈素煤礦位于鄂爾多斯東勝煤田新街礦區(qū)，井田南北走向長 13.83 km，東西傾斜寬12.02 km，面積157.95 km2。礦井設(shè)計可采儲量1833.809 Mt，礦井設(shè)計生產(chǎn)能力10.0 Mt/a。礦井采用主斜井、副立井和回風(fēng)立井的混合開拓方式。礦井主采煤層為3－1煤層，煤層厚度2.05～7.15 m，平均為5.25m;煤層傾角平緩，一般為1°。煤種屬不粘煤和少量長焰煤。煤層自然傾向性為容易自燃，最短自然發(fā)火期為39天。31301工作面為該礦首采工作面，工作面開采過程中，由于煤層厚度賦存變化，煤層厚度個別地段最高達到6.7 m左右，在開采過程中采空區(qū)出現(xiàn)1.0 m～1.5 m左右的遺煤，工作面回采過程中出現(xiàn)了CO超標(biāo)現(xiàn)象。

煤在低溫氧化過程中產(chǎn)生多種氣體，如CO、CH4、C2H6、C2H4等，但不同溫度時各成分氣體的濃度各不相同［1－3］。能反映煤炭自熱或可燃物燃燒初期特征的、并可用來作為火災(zāi)早期預(yù)報的氣體稱之為標(biāo)志性氣體［4］。因此，按照一定的試驗條件、通過試驗優(yōu)選適合各礦和各煤層的標(biāo)志性氣體，才能進行及時而準(zhǔn)確的預(yù)報。選擇合適的煤自燃標(biāo)志性氣體，通過測試標(biāo)志性氣體的方法，可以對煤自燃火災(zāi)進行早期預(yù)測預(yù)報［5－7］。為掌握該礦3號煤層的氧化特性，指導(dǎo)礦井安全生產(chǎn)，在31301工作面采集了五組煤樣，進行了煤層自然發(fā)火標(biāo)志性氣體測試與分析。

1 煤樣采集與實驗過程

1.1 煤樣的采取與制備

煤樣采自察哈素煤礦31301工作面新暴露的煤層表面，在工作面不同地點采集了五個煤樣。采樣后立即放入采樣罐，運至實驗室。試驗時打開采樣罐，將塊煤進行粉碎，并將破碎煤樣篩分，取粒度為1.25～1.6 mm、1.6～2 mm、2～3.5 mm、3.5～5 mm、5～7 mm部分各20%混合，每個煤樣取200 g，作為試驗樣品，密封于采樣罐。

1.2 實驗過程

在實驗過程中，將準(zhǔn)備好的試驗煤樣放入煤氧化模擬實驗裝置進行氧化升溫試驗。具體升溫過程如下:先以約1℃/min的速度將煤溫升高15℃，然后保持煤溫恒定5 min左右后，再以約1℃/min的速度將煤溫升高15℃，然后保持煤溫恒定5 min左右，依次類推。為使實驗結(jié)果更加精確，對五組煤樣分別進行氧化升溫試驗，然后對五組實驗結(jié)果進行對比、分析。

2 實驗結(jié)果及其分析

2.1 CO與溫度變化關(guān)系

第一組煤樣的實驗結(jié)果如圖1所示，由圖可見:

(1)CO的濃度隨著溫度的升高而升高。

(2)煤樣在實驗初始階段(30℃以后)開始出現(xiàn)CO，隨煤溫升高其濃度呈上升趨勢。

(3)從60℃開始，隨溫度的升高其濃度升高的幅度越來越大，表示煤已經(jīng)進入了加速氧化階段;在120℃以后，其隨溫度升高的幅度有所減緩但讓逐漸變大。

圖1 第一組煤樣CO濃度隨溫度變化曲線

根據(jù)五組煤樣的實驗結(jié)果，分別得出五組煤樣隨溫度變化釋放出的CO濃度曲線及其CO平均濃度曲線，如圖2所示。由此可知，煤樣從低溫開始，經(jīng)過緩慢氧化，加速氧化階段后均有CO的釋放，并且隨溫度變化出現(xiàn)了一定的規(guī)律性，CO能夠很好得表征煤的整個自燃氧化過程。對五組煤樣測試產(chǎn)生的CO平均濃度隨溫度變化的曲線進行分段擬合，得到相應(yīng)的擬合方程見表1。通過數(shù)據(jù)分析知當(dāng)溫度范圍在40℃ ～90℃之間時，均值變化趨勢能代表煤樣產(chǎn)生的CO濃度變化趨勢。

圖2 五組煤樣CO濃度及其平均值隨溫度的變化曲線

表1 不同溫度范圍內(nèi)CO濃度隨溫度變化的擬合公式及相關(guān)系數(shù)

2.2 C2H4與溫度變化關(guān)系

同樣，根據(jù)五組煤樣的實驗結(jié)果，分別得出五組煤樣隨溫度變化釋放出的濃度C2H4曲線及其平均濃度曲線。由圖3可知，當(dāng)溫度達到120℃時，C2H4開始出現(xiàn)，并隨著溫度的升高含量變化的幅度越來越大，因此，C2H4對于煤炭進入加速氧化階段具有一定的表征。

圖3 五組煤樣C2H4濃度及其平均值隨溫度的變化曲線

根據(jù)C2H4濃度平均變化曲線，對C2H4濃度隨溫度變化曲線進行分段擬合，并得到相應(yīng)的擬合公式見表2。通過數(shù)據(jù)分析知當(dāng)溫度范圍在120℃ ～180℃之間時，均值變化趨勢能代表煤樣產(chǎn)生的C2H4濃度變化趨勢。

表2 不同溫度范圍內(nèi)C2H4濃度隨溫度變化的擬合公式及相關(guān)系數(shù)

2.3 CO2與溫度變化關(guān)系

根據(jù)五組煤樣的實驗結(jié)果，分別得出五組煤樣隨溫度變化釋放出的CO2濃度曲線及其平均濃度曲線。五組數(shù)據(jù)中第一、第四組偏差較大，在計算平均值時以其余三組為依據(jù)，得出CO2平均濃度曲線。由圖4可知，CO2隨溫度變化也存在著比較強的規(guī)律性，但是它受外界因素的影響，不是一個很好的表征因素。

圖4 五組煤樣CO2濃度及其平均值隨溫度的變化曲線

2.4 C2H6與溫度變化關(guān)系

根據(jù)五組煤樣的實驗結(jié)果，分別得出五組煤樣隨溫度變化釋放出的C2H6濃度曲線及其平均濃度曲線。五組數(shù)據(jù)中第四組偏差較大，在計算平均值時以其余四組為依據(jù)，得出C2H6平均濃度曲線。分析實驗結(jié)果可知，C2H6從升溫實驗初始階段沒有出現(xiàn)，C2H6在溫度達到120℃時才開始出現(xiàn)，然后隨溫度的升高C2H6濃度增加的幅度變大，而后其增加的幅度變小。C2H6對于煤炭進入加速氧化階段具有一定的表征。

2.5 烯烷比(C2H4/C2H6)與溫度變化關(guān)系

根據(jù)五組煤樣的實驗結(jié)果，得出五組煤樣各自烯烷比(C2H4/C2H6)曲線。由圖可知，在低溫階段烯烷比為0，當(dāng)溫度達到115℃時烯烷比由零開始突增，其后當(dāng)溫度達到140℃，其值增加幅度有所減小。烯烷比值的變化說明煤體開始進入加速氧化階段。

圖5 五組煤樣C2H6濃度及其平均值度隨溫度的變化曲線

圖6 五組煤樣烯烷比(C2H4/C2H6)及其平均值隨溫度變化圖

2.7 實驗結(jié)論

五組煤樣從低溫開始，經(jīng)過緩慢氧化、加速氧化階段各種氣體隨溫度變化出現(xiàn)了一定的變化，根據(jù)煤炭自燃標(biāo)志性氣體的選取原則，結(jié)合五組煤樣程序升溫氣體濃度變化曲線及煤礦井下的實際條件，選擇CO和C2H4作為3號煤層煤炭自燃氧化的標(biāo)志性氣體，C2H6、C2H4/C2H6值作為煤炭自燃輔助預(yù)警指標(biāo)。

3 煤炭自燃分級預(yù)警CO指標(biāo)

根據(jù)現(xiàn)場觀測與分析并參考相鄰礦區(qū)的經(jīng)驗，察哈素煤礦31301工作面的CO由以下原因產(chǎn)生:

(1)采空區(qū)浮煤氧化;

(2)井下防爆車輛尾氣產(chǎn)生;

(3)工作面采煤機割煤過程中局部高溫點生產(chǎn)。

其中浮煤氧化為產(chǎn)生CO的主要原因，如果工作面車輛集中，也將造成CO超限。根據(jù)相鄰礦區(qū)的經(jīng)驗結(jié)合礦井的實際情況，確定回采工作面回風(fēng)隅角CO管理按24 ppm管理，日常管理以50 ppm為限，自燃預(yù)警濃度按80 ppm進行管控，當(dāng)CO濃度有升高趨勢或大于80 ppm時，必須查明原因，采取措施，將 CO濃度控制不超過80 ppm。

當(dāng)工作面上隅角的CO濃度大于50ppm時，O2濃度低于18%時，必須設(shè)專人監(jiān)護，人員方可進入端頭架和回風(fēng)順槽進行作業(yè)。當(dāng)工作面端頭架意外 O2濃度低于16%，CO濃度大于50 ppm時，應(yīng)及時匯報，停止工作，撤出人員，進行處理。

在日常管理中，當(dāng)上隅角CO達到50ppm時，應(yīng)每天對上隅角進行抽樣分析。當(dāng)CO濃度連續(xù)升高大于5 ppm/天時，應(yīng)加快工作面推進速度、實施注氮、注漿、均壓等措施。

當(dāng)井下CO濃度超過預(yù)警濃度80 ppm時，必須立即通知相關(guān)領(lǐng)導(dǎo)。相關(guān)人員接到井下CO濃度預(yù)警通知時，必須立即查明原因，按照車輛尾氣和煤炭自燃等原因進行分別處理。

4 結(jié)論

(1)根據(jù)煤炭自燃氧化標(biāo)志性氣體的選取原則，結(jié)合煤樣程序升溫實驗結(jié)果，選擇CO和C2H4作為3號煤層煤炭自燃氧化的標(biāo)志性氣體;C2H6、C2H4/C2H6值作為該煤層煤炭自燃輔助預(yù)警指標(biāo)。

(2)煤樣在30℃以后開始出現(xiàn)CO，說明煤已經(jīng)發(fā)生低溫氧化反應(yīng)。在115℃ ～120℃左右時開始出現(xiàn)C2H4，C2H4氣體具有靈敏性、規(guī)律性和可測性。只要檢測到C2H4氣體，說明此時煤已進入加速氧化階段。

(3)根據(jù)井下具體條件，31301回采工作面回風(fēng)隅角CO按24 ppm管理，日常管理以50 ppm為限，自燃預(yù)警濃度按80 ppm進行管控。

［1］ 肖旸，王振平，馬礪，等.煤自燃標(biāo)志性氣體與特征溫度的對應(yīng)關(guān)系［J］.煤炭科學(xué)技術(shù)，2008，36(6):47－51.

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