馮彥光，鄭鋼鏢，杜永威，李福虎，郭鵬飛

(內(nèi)蒙古伊泰煤炭股份有限公司塔拉壕煤礦，內(nèi)蒙古 鄂爾多斯 017000)

0 引言

為判斷礦井自燃火災(zāi)發(fā)展?fàn)顩r，準(zhǔn)確預(yù)測其發(fā)展趨勢，國內(nèi)外都對煤自燃?xì)怏w指標(biāo)開展了大量研究，但側(cè)重點(diǎn)有所不同。目前國內(nèi)礦井安全監(jiān)測主要依據(jù)CO、C2H6、C2H4、H2等指標(biāo)氣體和CO/CO2、CO/△O2、鏈烷比等氣體比率隨煤溫的變化規(guī)律預(yù)報(bào)煤的自燃狀況[1]；而澳大利亞等國對各指標(biāo)氣體的絕對量進(jìn)行分析處理，建立了多種氣體指數(shù)，例如Graham指數(shù)、Young指數(shù)、Morris指數(shù)、CO/CO2、以及H2/CO等指數(shù)[2]。在實(shí)踐中，針對不同指數(shù)的特點(diǎn)，以及現(xiàn)場情況選擇合理的指標(biāo)，以消除環(huán)境因素影響，真實(shí)全面地反映自燃發(fā)展?fàn)顟B(tài)。各種指數(shù)基本上都通過計(jì)算O2和其氧化產(chǎn)物的轉(zhuǎn)換率，分析氧化進(jìn)程及對應(yīng)溫度，一般可通過煤自燃程序升溫試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析[3-5]，得到如Graham指數(shù)和CO/CO2等判定指標(biāo)[6-7]，從而為自燃溫度判斷提供理論依據(jù)和試驗(yàn)方法。

1 煤自燃指標(biāo)氣體試驗(yàn)

1.1 試驗(yàn)裝置及流程

試驗(yàn)裝置：采用程序升溫氧化試驗(yàn)對塔拉壕煤礦煤自燃指標(biāo)氣體進(jìn)行分析，試驗(yàn)裝置如圖1所示。

圖1 程序加熱升溫試驗(yàn)裝置

試驗(yàn)流程：在一個(gè)直徑10 cm，長22 cm的鋼管中，裝入煤量1 kg，為使通氣均勻，上下兩端分別留有2 cm左右自由空間(采用100目金屬網(wǎng)與煤樣隔開)，然后置于程序升溫箱內(nèi)加熱，并送入預(yù)熱空氣。采集不同煤溫時(shí)產(chǎn)生的氣體，分析其成分及含量，直至達(dá)到預(yù)定溫度后停止試驗(yàn)。

1.2 試驗(yàn)條件

將采自塔拉壕煤礦2號煤層的原煤煤樣，在空氣中破碎并篩分出粒度為0～0.9 mm、0.9～3 mm、3～5 mm、5～7 mm和7～10 mm這5種煤樣，及各粒度煤樣各200 g組成混合煤樣。在程序升溫箱中進(jìn)行程序升溫試驗(yàn)，試驗(yàn)條件見表1。

表1 程序升溫箱煤樣加熱升溫試驗(yàn)條件

2 煤自燃主要?dú)怏w指標(biāo)

煤自燃的氣體指標(biāo)，除了一些指標(biāo)氣體的出現(xiàn)溫度外，還應(yīng)考慮比值等指標(biāo)。

2.1 Graham指數(shù)

Graham指數(shù)主要應(yīng)用于通風(fēng)條件改變情況下，煤層發(fā)生自燃，但尚不能確定高溫位置及具體溫度的情況[8]。程序升溫試驗(yàn)數(shù)據(jù)處理過程中，一般更關(guān)注數(shù)據(jù)的趨勢，而非其絕對值，其指標(biāo)的增長，意味著火區(qū)溫度有所升高。該指數(shù)在氧氣濃度較低的環(huán)境下是十分有效的，如采空區(qū)與密閉區(qū)等。同時(shí)利用該指數(shù)可以分析對巷道風(fēng)流的影響，在有風(fēng)流流經(jīng)的巷道中需要O2消耗量變化(O2濃度降低)比較明顯時(shí)方可使用，一般O2濃度小于19%時(shí)應(yīng)用該指標(biāo)可取得比較好的效果。應(yīng)用Graham指數(shù)可以計(jì)算正常風(fēng)流中O2損耗百分比，其中，耗氧量可以通過與新鮮空氣中氧氣濃度的差值來得到。

Graham指數(shù)計(jì)算公式[9]表述為

(1)

式中，CO、N2和O2—各種氣體的濃度，%。

2.2 CO/CO2

氣體指標(biāo)CO/CO2同時(shí)適用于封閉區(qū)域和新鮮風(fēng)流中氣體監(jiān)測結(jié)果，判斷可能的自燃高溫[10]。它認(rèn)為CO與CO2的比值與升溫初期的煤溫之間存在確定的函數(shù)關(guān)系，一般來說，該比值不受O2損耗的影響，可以克服了據(jù)耗氧量來計(jì)算的指標(biāo)存在的問題。但是，該比值中包含CO2，因CO2可能是1×10-6，也可能是百分之幾的量級，而CO一般都是1×10-6，因而該指數(shù)僅限煤層中CO2賦存量較小的情況。此指數(shù)的判定指標(biāo)可參照國外標(biāo)準(zhǔn)，見表2。此指數(shù)在早期升溫中迅速增長，但它的增長速率在高溫時(shí)逐漸放緩，在高溫時(shí)曲線斜率的變化足以作為一成熟火情發(fā)展階段的有效標(biāo)志，當(dāng)火源已產(chǎn)生后，此指數(shù)結(jié)果會(huì)明顯減小。

表2 CO/CO2指標(biāo)判定劃分

2.3 CO指數(shù)

由于風(fēng)量影響煤氧化產(chǎn)生CO的量，同時(shí)還會(huì)對CO稀釋，故單純用CO濃度難以準(zhǔn)確反映煤自燃現(xiàn)狀。將CO指數(shù)表征為在單位時(shí)間內(nèi)一氧化碳流經(jīng)某一固定點(diǎn)的量。該指標(biāo)消除了空氣消耗的影響。其大小取決于與氧氣反應(yīng)的煤量多少，因此當(dāng)?shù)V井通風(fēng)條件發(fā)生改變時(shí)，采空區(qū)漏風(fēng)量增大，即使氧氣的濃度沒有增加，也會(huì)引起CO指數(shù)增大。該指數(shù)應(yīng)用于工作面回風(fēng)巷的效果最佳，可以按式(2)計(jì)算

CO指數(shù)=K·CO·Q

(2)

式中，CO—指數(shù)的單位，L/min；Q—風(fēng)量，L/min；CO—空氣中CO濃度，%；K—固定系數(shù)，一般取值600。在CO指數(shù)<10 L/min時(shí)，沒有自燃發(fā)生，屬正常區(qū)，但需要檢測；CO指數(shù)10～20 L/min時(shí)，說明其氣體來源區(qū)為產(chǎn)熱區(qū)，已存在高溫危險(xiǎn)；當(dāng)CO指數(shù)為20～30 L/min時(shí)，說明存在鄰近發(fā)火區(qū)，存在發(fā)火危險(xiǎn)。CO指數(shù)僅在巷道風(fēng)流中有效，一般不能用于密閉或封閉的鉆孔內(nèi)。

3 塔垃壕礦自燃?xì)怏w指標(biāo)

3.1 氣體指標(biāo)的出現(xiàn)溫度

C2H4的出現(xiàn)溫度：塔拉壕煤礦煤樣在實(shí)驗(yàn)室溫度下即可釋放出少量CO和CH4等氣體。而試驗(yàn)初始階段沒有C2H4氣體，在70～90 ℃的溫度下，C2H4氣體達(dá)到1×10-6左右，如圖2所示。說明塔拉壕煤礦煤樣在高溫階段產(chǎn)生的C2H4氣體主要是煤樣高溫裂解的氣體，這與煤樣的裂解溫度有關(guān)。

圖2 不同粒徑煤樣C2H4濃度與溫度關(guān)系

C2H2的出現(xiàn)溫度：C2H2也是自燃指標(biāo)氣體，一般在較高溫度下才會(huì)出現(xiàn)。但是試驗(yàn)一直進(jìn)行到200 ℃也未見到有C2H2，因此，如果井下能檢測到C2H2，說明溫度已經(jīng)達(dá)到200 ℃以上。

3.2 CO2/CO值

CO2/CO值在試驗(yàn)起始階段很大，達(dá)到130 ℃以上，然后迅速下降，繼而有所上升，在60 ℃處出現(xiàn)一個(gè)峰值，達(dá)到40左右，如圖3所示。到80 ℃以上時(shí)，達(dá)到10以下并趨于穩(wěn)定。因此，如果CO2/CO值低于20應(yīng)注意，可能有溫度升高到臨界溫度以上。

圖3 塔拉壕煤礦2號煤層混合粒度煤樣CO2/CO隨溫度變化規(guī)律

3.3 Graham指數(shù)

判定方法：國外利用Graham指數(shù)判定煤自燃與否的指標(biāo)為該指數(shù)小于0.4時(shí)，為正常，無自燃火災(zāi)；指數(shù)介于0.4～1.0時(shí)，說明有發(fā)火危險(xiǎn)，需要認(rèn)真檢測排查；指數(shù)值為1.0～2.0時(shí)，有高溫出現(xiàn)且處于升溫階段，已經(jīng)臨近發(fā)火；當(dāng)該指數(shù)大于2.0，則說明出現(xiàn)了高溫或火災(zāi)。

2號煤層混合粒度煤樣試驗(yàn)分析：塔拉壕煤樣氧化產(chǎn)生的CO濃度比較大，反映出Graham指數(shù)相對比較大，如圖4所示。當(dāng)該判定指數(shù)處于0～5區(qū)間時(shí)，煤溫低于80 ℃左右，指數(shù)大于7時(shí)煤溫已超過100 ℃。相同溫度下，塔拉壕煤樣的Graham指數(shù)可達(dá)到國外標(biāo)準(zhǔn)的數(shù)倍，可見塔拉壕煤礦煤樣容易氧化產(chǎn)生CO，對應(yīng)的Graham指數(shù)也比較高。利用CO與O2消耗量之比的Graham指數(shù)判斷自燃發(fā)展程度，有可能低估了對某高溫區(qū)域的自燃發(fā)展程度，應(yīng)當(dāng)與其他監(jiān)測和分析指標(biāo)相結(jié)合，進(jìn)而準(zhǔn)確有效地判斷自燃高溫程度。

圖4 塔拉壕煤礦2號煤層混合粒度煤樣Graham指數(shù)隨溫度變化規(guī)律

4 結(jié)論

(1)塔拉壕煤礦煤樣在70 ℃以上的溫度下才出現(xiàn)少量的C2H4氣體，檢測到該氣體說明井下煤層溫度已經(jīng)達(dá)到70 ℃以上。C2H2也是自燃指標(biāo)氣體，如果井下檢測到C2H2，說明溫度已經(jīng)達(dá)到200 ℃以上。

(2)CO2/CO值在試驗(yàn)起始階段很大，達(dá)到130 ℃以上，然后迅速下降；繼而有所上升，在60 ℃處出現(xiàn)一個(gè)峰值，達(dá)到40左右；到80 ℃以上時(shí)達(dá)到10以下并趨于穩(wěn)定。因此，如果CO2/CO值低于20應(yīng)注意，可能有溫度升高到臨界溫度以上。

(3)塔拉壕煤樣氧化產(chǎn)生的CO濃度比較大，反映出Graham指數(shù)相對比較大。當(dāng)該判定指數(shù)處于0～5 ℃區(qū)間時(shí)，煤溫低于80 ℃左右，指數(shù)大于7時(shí)煤溫已超過100 ℃。該值遠(yuǎn)大于許多煤礦判斷標(biāo)準(zhǔn)。