劉 揚(yáng)，關(guān)景順，張 輝

(1.中煤科工集團(tuán)沈陽研究院有限公司 煤礦安全技術(shù)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，遼寧 撫順 113122；2.陜西旬邑青崗坪礦業(yè)有限公司，陜西 咸陽 712000)

青崗坪煤田位于黃隴侏羅紀(jì)煤田中段之旬耀礦區(qū)東部，大地構(gòu)造位置處于鄂爾多斯盆地南緣拗陷帶。礦井主采煤層為侏羅系中統(tǒng)延安組的4-2號煤層，煤系地層的砂巖中多層含油，屬于典型的煤油氣共生煤層[1]。根據(jù)《青崗坪井田勘探地質(zhì)報(bào)告》，含油層位于延安組4-2號煤層頂?shù)装鍘r層中。4-2號煤層吸氧量為0.78 cm3/g，屬于Ⅰ類容易自燃煤層。根據(jù)《青崗坪煤礦4-2號煤層自然發(fā)火標(biāo)志氣體及臨界值測定報(bào)告》，該礦井的自然發(fā)火預(yù)測預(yù)報(bào)標(biāo)志氣體指標(biāo)體系如下：①CO可以作為預(yù)測預(yù)報(bào)煤自然發(fā)火的指標(biāo)氣體，CO出現(xiàn)的臨界溫度在49 ℃左右；②烯烴氣體C2H4和C3H6出現(xiàn)的初始溫度分別在139 ℃和169 ℃左右，在有CO存在的前提下，只要出現(xiàn)C2H4或C3H6，即可做出煤已自然發(fā)火的預(yù)報(bào)；③C2H2的出現(xiàn)表明煤已完全進(jìn)入燃燒階段；④C2H4/C2H6可以作為煤礦判別煤自然發(fā)火進(jìn)程的標(biāo)志氣體指標(biāo)；⑤C3H8/C2H6可以作為預(yù)測煤自然發(fā)火進(jìn)程的標(biāo)志氣體輔助指標(biāo)。自然發(fā)火標(biāo)志性氣體的實(shí)時(shí)監(jiān)測是判斷遺煤氧化自燃進(jìn)程的重要手段[2-4]。青崗坪煤礦工作面回采時(shí)，回風(fēng)隅角及密閉墻內(nèi)常檢測到CO和C2H6，為礦井防滅火工作帶來嚴(yán)重困擾。因此，確定CO、C2H4、C2H6以及C3H8等自然發(fā)火標(biāo)志性氣體的來源，優(yōu)化煤層自然發(fā)火預(yù)測預(yù)報(bào)標(biāo)志氣體指標(biāo)體系，對指導(dǎo)礦井防滅火工作和保證安全生產(chǎn)具有重要意義[5-8]。

1 采空區(qū)氣體來源分析

青崗坪煤礦采用綜采放頂煤的采煤工藝，采空區(qū)內(nèi)遺煤較多且部分頂煤無法順利下放，遺煤與頂煤在氧化的過程中會釋放出指示自然發(fā)火進(jìn)程的標(biāo)志性氣體[9-11]。在青崗坪煤礦42106工作面回風(fēng)隅角密閉墻內(nèi)埋設(shè)一根深3 m的取樣管，對采空區(qū)內(nèi)的氣體連續(xù)進(jìn)行約一個月的取樣和檢測，每天取樣1次。42106工作面回風(fēng)隅角密閉墻內(nèi)連續(xù)取樣檢測結(jié)果見表1，其CO與C2H6兩種氣體濃度變化情況如圖1所示。

表1 42106工作面回風(fēng)隅角密閉墻內(nèi)連續(xù)取樣檢測結(jié)果Tab.1 Gas sampling test results at the return air corner goaf of the 42106 working face

圖1 42106工作面回風(fēng)隅角密閉墻內(nèi)CO與C2H6濃度變化曲線Fig.1 The concentration change curve of CO and C2H6 at the return air corner wall of the 42106 working face

由表1可知，在連續(xù)監(jiān)測期間沒有發(fā)現(xiàn)C2H2與C2H4，但每天都可以檢測出CO與C2H6，說明CO與C2H6長期存在于采空區(qū)內(nèi)。

由圖1可以看出，采空區(qū)內(nèi)CO和C2H6濃度變化規(guī)律不同，CO濃度變化比較平穩(wěn)，波動小，且濃度值一般不超過30×10-6；C2H6濃度變化較大，濃度在40×10-6～130×10-6。若采空區(qū)內(nèi)CO與C2H6只來自于遺煤氧化，則二者濃度的變化趨勢應(yīng)保持一致，由此可以判斷CO和C2H6的來源不完全相同。初步分析認(rèn)為，CO和C2H6來源于煤層原生氣體、采空區(qū)遺煤氧化以及含油砂巖層。

2 烴類氣體來源分析

2.1 原生油氣賦存規(guī)律

根據(jù)陜西省煤田地質(zhì)局一九四隊(duì)2006年9月提交的《青崗坪井田勘探地質(zhì)報(bào)告》，青崗坪井田勘探鉆孔中有7個鉆孔見油，含油層位于直羅組和延安組中，其中直羅組中細(xì)砂巖含油的有4個鉆孔，延安組中細(xì)砂巖含油的有5個鉆孔，含油級別為油跡—油斑。礦井在一采區(qū)3條集中巷開拓及回采巷道掘進(jìn)過程中，亦在局部地段煤層及頂板巖層中揭露石油的存在，表現(xiàn)為支護(hù)錨索、錨桿滴油。

根據(jù)青崗坪井田煤層底板等高線繪制了煤層賦存的三維圖，能更加形象地顯示出油點(diǎn)與煤層賦存之間的關(guān)系。井田內(nèi)煤層呈現(xiàn)出北高南低、西高東低的埋深關(guān)系，井田內(nèi)存在東西走向的2條向斜和1條背斜，幾乎貫穿井田的東西范圍。PK2、PK4、PK6、PK14、PK17與PK9等地勘出油點(diǎn)與A、B、C等采掘過程中發(fā)現(xiàn)的出油點(diǎn)皆位于井田內(nèi)的兩處向斜軸部附近。

根據(jù)地勘數(shù)據(jù)、井下實(shí)際揭露情況結(jié)合三維示意圖進(jìn)行分析，井田內(nèi)油氣顯示主要有以下3個較為明顯的特點(diǎn)：①含油層巖性主要以細(xì)、中粒砂巖為主；②含油砂巖為透鏡狀分布，平面展布的面積較?。虎酆忘c(diǎn)多位于向斜的軸部兩側(cè)(或隆起的上傾方向)。

圖2 青崗坪井田煤層出油點(diǎn)分布三維示意Fig.2 Three-dimensional schematic of distribution of oil outlet points in the Qinggangping Mine Coal Seams

目前生產(chǎn)的42106工作面位于PK17點(diǎn)附近，位于一個小型向斜的翼部。根據(jù)以上分析，工作面內(nèi)頂板有含油區(qū)域，采空區(qū)內(nèi)應(yīng)存在一定的油氣分布。

2.2 原生油氣成分分析

油氣中含有多種烷烴類物質(zhì)，不僅會影響井下瓦斯爆炸的上下限，而且會影響礦井的自然發(fā)火預(yù)測預(yù)報(bào)標(biāo)志氣體指標(biāo)體系[12-15]。為采集到油氣樣品，在42106回風(fēng)巷車場處選擇滲油嚴(yán)重區(qū)域向巖層內(nèi)施工鉆孔，鉆孔施工完畢在孔內(nèi)下入φ15 mm鋼管，采用“兩堵一注”方式進(jìn)行封孔，封孔長度大于所穿過的煤層厚度5 m以上，用膠管連接取樣器與鋼管端頭的球閥出氣嘴進(jìn)行采集氣樣。對氣樣進(jìn)行15 d的檢測分析，檢測結(jié)果見表2。

表2 42106回風(fēng)巷車場巖孔內(nèi)氣樣連續(xù)檢測分析結(jié)果Tab.2 Detection results of gas samples in the rock hole of 42106 return airway tank yard

由表2可知，巖孔內(nèi)C2H6的濃度變化不大，無明顯衰減現(xiàn)象，濃度保持在2 000×10-6～3 000×10-6，由此可判斷鉆孔密封良好，數(shù)據(jù)穩(wěn)定可靠；CO濃度僅為0～3×10-6，且后期無CO存在?？紤]到施工鉆孔時(shí)穿過了4～5 m厚的煤層，鉆具與煤層摩擦隨著溫度升高會產(chǎn)生部分CO，且CO分子量與空氣平均分子量十分接近，產(chǎn)生的CO不易從孔內(nèi)排出，可判斷巖孔內(nèi)的CO為打鉆過程中生成并非油氣內(nèi)含有。

為進(jìn)一步確定油氣的成分，采集1份氣樣送至沈陽研究院實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行了C3及以上烴類成分分析，氣樣檢測圖譜如圖3所示，氣樣成分檢測結(jié)果見表3和表4。

圖3 巖孔內(nèi)氣樣圖譜Fig.3 The atlas of gas sample in the rock hole

表3 巖孔內(nèi)氣樣主要成分檢出時(shí)間Tab.3 Detection time of main components of gas sample in rock hole

表4 42106回風(fēng)巷車場巖孔內(nèi)氣樣主要成分測試結(jié)果Tab.4 Detection results of of gas samples in the rock hole of 42106 return airway tank yard

由表3和表4可知，含油砂巖層內(nèi)不含有CO，除了含有O2、N2與CO2等成分外，其余成分都是烴類物質(zhì)，主要有CH4、C2H6、C3H8、異丁烷、正丁烷、異戊烷、正戊烷、正己烷、C7H16以及C8H16等，其他組分為含量極少的其他烴類；油氣成分中烴類主要為含1～3個碳原子的烴類為主，其他烴類含量較少。

3 CO來源分析

3.1 煤層原生氣體成分分析

在42105工作面新暴露的煤壁上，利用風(fēng)煤鉆施工鉆孔并收集鉆孔內(nèi)煤樣，將煤樣送至沈陽研究院實(shí)驗(yàn)室測定其各成分及含量。青崗坪煤礦4-2號煤層煤樣實(shí)驗(yàn)室測定結(jié)果結(jié)果見表5。

表5 青崗坪煤礦4-2號煤層煤樣實(shí)驗(yàn)室測定結(jié)果Tab.5 Laboratory test results of coal samples of 4-2 coal seam in Qinggangping Coal Mine

為了驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)室數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性，在42105回風(fēng)巷750 m處重新施工一個深度為90 m的本煤層鉆孔，封孔后連接到瓦斯抽采系統(tǒng)中，先進(jìn)行為期3 d的抽放，將因鉆孔施工過程中可能氧化產(chǎn)物預(yù)先排空，再對鉆孔的氣體進(jìn)行為期6 d的取樣檢測，氣樣檢測結(jié)果見表6。

表6 42105回風(fēng)巷750 m處本煤層鉆孔連續(xù)取樣檢測結(jié)果Tab.6 The continuous test results of the gas sample in the coal seam at 750 m from the 42105 return airway

由表5和表6可知，青崗坪煤礦4-2號煤層原生氣體成分主要由CH4和N2組成，除CH4外還含有一定量的其他烷烴，其中以C2H6為主，濃度在300×10-6左右，不含有CO、C2H4和C2H2等。

3.2 采空區(qū)遺煤氧化CO產(chǎn)生規(guī)律

為模擬破碎煤體在采空區(qū)內(nèi)的氧化規(guī)律，取42106工作面新鮮煤樣，在實(shí)驗(yàn)室中研究在空氣環(huán)境下煤粉碎過程中CO的產(chǎn)生與變化規(guī)律。實(shí)驗(yàn)工況條件如下：①粒度100目(<0.15 mm)；②質(zhì)量為1 g；③供氣流量為100 mL/min；④25～80 ℃時(shí)升溫速率為0.5 ℃/min，80～200 ℃時(shí)升溫速率為1.0 ℃/min，200～300 ℃時(shí)升溫速率為2.0 ℃/min；⑤氣樣采集間隔時(shí)間<20 min/次。

在上述實(shí)驗(yàn)條件下測得的4-2號煤層煤樣產(chǎn)生CO隨煤溫的變化情況如圖4所示。

圖4 煤樣升溫過程中CO濃度與煤溫關(guān)系Fig.4 The relationship between CO concentration and coal temperature during heating process of coal sample

由實(shí)驗(yàn)結(jié)果可知，CO的產(chǎn)生量隨著煤溫的升高而上升，其產(chǎn)生的臨界溫度為49 ℃左右，并貫穿于整個自燃氧化過程，169 ℃之前，這種變化表現(xiàn)為單一遞增關(guān)系，并基本符合指數(shù)關(guān)系，擬合關(guān)系式為y=0.3e0.049x，擬合優(yōu)度為0.949。由于青崗坪煤礦4-2號煤屬于容易自燃煤層，煤體自然氧化速度快，加之采用放頂煤的采煤工藝，采空區(qū)遺煤與頂煤留存較多，這部分煤的氧化過程會在較低溫度下產(chǎn)生CO。因此，采空區(qū)遺煤與頂煤低溫氧化生成的CO是回風(fēng)隅角及密閉墻內(nèi)CO的主要來源。

3.3 采煤時(shí)高溫氧化CO產(chǎn)生規(guī)律

采煤機(jī)割煤時(shí)滾筒與煤體碰撞產(chǎn)生的瞬間高溫也會氧化煤體釋放CO，該現(xiàn)象也可以通過實(shí)驗(yàn)室有氧升溫實(shí)驗(yàn)進(jìn)行模擬推演。

有研究表明，采煤機(jī)滾筒截齒最高瞬時(shí)溫度可達(dá)600 ℃以上，但時(shí)間極短，且采煤機(jī)上配有噴霧降塵，可降低其溫度。利用手持式紅外測溫儀在現(xiàn)場測得采煤時(shí)落煤實(shí)際溫度為70 ℃左右，在實(shí)驗(yàn)室環(huán)境下當(dāng)溫度超過290 ℃后，煤就會出現(xiàn)大量煙霧，甚至出現(xiàn)明火，所以實(shí)驗(yàn)溫度控制在0～260 ℃，在70 ℃處恒溫6 min。在70 ℃左右，CO濃度平均30×10-6。從70 ℃降到25 ℃的過程中，CO平均濃度為10.21×10-6。這說明在空氣環(huán)境下采煤機(jī)滾筒截齒與煤體碰撞中產(chǎn)生高溫造成煤體氧化產(chǎn)生CO濃度在10×10-6～30×10-6變化。因?yàn)椴擅寒a(chǎn)生的CO主要隨著風(fēng)流流入回風(fēng)巷，在回風(fēng)隅角處聚集較少，也不會進(jìn)入采空區(qū)，所以采煤機(jī)采煤時(shí)產(chǎn)生的CO不是回風(fēng)隅角及密閉墻內(nèi)CO的主要來源。

4 結(jié)論

(1)利用鉆屑法和實(shí)驗(yàn)室測試確定了青崗坪煤礦4-2號煤層原生氣體中不含有CO、C2H4和C2H2，但含有一定量的烷烴類，其中以C2H6為主，濃度約為300×10-6。

(2)通過施工鉆孔取樣，確認(rèn)了青崗坪煤礦4-2號煤層上覆含油砂巖層內(nèi)的氣體成分中烴類組分主要為CH4、C2H6、C3H8等，不含CO、C2H4、C3H6和C2H2等氣體。

(3)通過實(shí)驗(yàn)室程序升溫實(shí)驗(yàn)，確定4-2號煤低溫氧化時(shí)在49 ℃左右開始產(chǎn)生CO，169 ℃之前這種變化表現(xiàn)為單一遞增關(guān)系，確定采空區(qū)遺煤與頂煤低溫氧化生成的CO是回風(fēng)隅角及密閉墻內(nèi)CO的主要來源。

(4)采煤機(jī)采煤時(shí)瞬時(shí)高溫對煤體氧化會產(chǎn)生CO，但生成量較小，不是回風(fēng)隅角及密閉墻內(nèi)CO的主要來源，但會干擾對采空區(qū)自然發(fā)火進(jìn)程的判斷。

(5)通過在煤層和含油砂巖層采集氣樣進(jìn)行實(shí)驗(yàn)室檢測，進(jìn)一步驗(yàn)證了《青崗坪煤礦4-2號煤層自然發(fā)火標(biāo)志氣體及臨界值測定》報(bào)告中所提及的CO、C2H4、C3H6和C2H2等氣體可作為該礦井的自然發(fā)火標(biāo)志性氣體，但報(bào)告中指出的烯烷比(C2H4/C2H6)與鏈烷比(C3H8/C2H6)均不適合作為判斷青崗坪煤礦自然發(fā)火進(jìn)程的指標(biāo)。