礦井煤層自燃程度精細(xì)劃分與預(yù)警方法研究

郭 軍，金 彥，文 虎，劉 蔭，蔡國(guó)斌

(1.西安科技大學(xué) 安全科學(xué)與工程學(xué)院，陜西 西安 710054；2.西部礦井開(kāi)采及災(zāi)害防治教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，陜西 西安 710054)

0 引 言

煤自燃隱患所誘發(fā)的礦井火災(zāi)一直是制約煤炭工業(yè)發(fā)展的主要災(zāi)害之一。就我國(guó)煤炭工業(yè)而言，絕大部分的開(kāi)采礦區(qū)都由自燃和易自燃煤層占據(jù)[1]。全國(guó)多個(gè)礦區(qū)均在一定程度上受到煤層自然發(fā)火隱患的威脅，井下煤炭資源開(kāi)采和作業(yè)人員的生命安全難以得到切實(shí)的保障[2]。雖然科技的發(fā)展使得煤自燃事故的發(fā)生頻率逐漸下降，但是我國(guó)煤火災(zāi)害防治的形勢(shì)依舊嚴(yán)峻。煤自燃作為一個(gè)復(fù)雜的煤氧復(fù)合反應(yīng)，不同反應(yīng)階段內(nèi)的煤體活性基團(tuán)反應(yīng)主體不同，導(dǎo)致釋放的氣體種類、體積分?jǐn)?shù)等存在差異，煤火災(zāi)害防治措施也相應(yīng)不同[3]。因此煤層自然發(fā)火分級(jí)預(yù)警技術(shù)成為了井下煤火隱患防控的重要一環(huán)。目前，煤層自燃預(yù)警技術(shù)大多是通過(guò)氣體指標(biāo)分析、溫度探測(cè)、高位元素氣體示蹤等方法進(jìn)行發(fā)火進(jìn)程預(yù)報(bào)[4]。近年來(lái)，伴隨近距離煤層開(kāi)采技術(shù)應(yīng)用、小煤柱開(kāi)采、綜采放頂技術(shù)推廣等因素，使得井下環(huán)境愈發(fā)復(fù)雜，煤層火災(zāi)隱患覆蓋面廣。并且現(xiàn)有的煤層自燃指標(biāo)體系沒(méi)有統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)，甚至部分礦區(qū)預(yù)警指標(biāo)體系不完備，難以準(zhǔn)確判斷煤層自然發(fā)火進(jìn)程，煤層火災(zāi)事故時(shí)有發(fā)生。針對(duì)煤層火災(zāi)事故發(fā)生的特點(diǎn)，眾多學(xué)者進(jìn)行了相應(yīng)研究，西安科技大學(xué)首次建立了國(guó)內(nèi)最大的自然發(fā)火試驗(yàn)平臺(tái)，進(jìn)行了煤自然發(fā)火相關(guān)參數(shù)變化的研究，針對(duì)煤自燃發(fā)生的特性參數(shù)深入研究[4]；為明確指標(biāo)氣體同煤溫波動(dòng)之間的關(guān)聯(lián)性，文獻(xiàn)[5]根據(jù)易燃煤層工作面氧化自然發(fā)火特性參數(shù)進(jìn)行了深入研究，分析了煤自燃指標(biāo)氣體同煤溫波動(dòng)之間的關(guān)聯(lián)性，為不同預(yù)警階段的預(yù)警指標(biāo)氣體優(yōu)選提供了依據(jù)；文獻(xiàn)[6]提出從能量傳動(dòng)角度來(lái)分析煤層火災(zāi)發(fā)展的趨勢(shì)，為煤層發(fā)火預(yù)警體系的建立提供了理論依據(jù)；文獻(xiàn)[7-8]在煤自燃進(jìn)程指標(biāo)氣體生成規(guī)律的研究中發(fā)現(xiàn)，低溫氧化階段，微觀煤分子中的芳核結(jié)構(gòu)十分穩(wěn)定，接觸氧氣時(shí)，氧原子主要的攻擊對(duì)象是支鏈脂肪族結(jié)構(gòu)，通過(guò)氧化物的形式進(jìn)入煤體，進(jìn)而生成各類氣體，為煤火災(zāi)害的初期預(yù)測(cè)、防控提供了理論支持。筆者采集了工作面新鮮煤樣，并采用大型自然發(fā)火試驗(yàn)收集煤自燃?xì)怏w的產(chǎn)生規(guī)律參數(shù)，確定煤層自然發(fā)火進(jìn)程中的分級(jí)特征溫度點(diǎn)、判定指標(biāo)氣體及相應(yīng)的預(yù)警指標(biāo)閾值。建立了完備的煤層自燃分級(jí)預(yù)警體系，結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)工作面發(fā)火實(shí)例應(yīng)用，驗(yàn)證了該體系對(duì)于礦井煤層火災(zāi)進(jìn)程預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)的可行性。對(duì)于煤層自燃隱患辨識(shí)、煤火災(zāi)害發(fā)展進(jìn)程預(yù)測(cè)及主動(dòng)煤火災(zāi)害防控具有一定的理論指導(dǎo)意義。

1 煤層自然發(fā)火試驗(yàn)

1)試驗(yàn)裝置。試驗(yàn)所采用的是XK-Ⅶ型煤自然發(fā)火試驗(yàn)臺(tái)。爐體的主體結(jié)構(gòu)呈內(nèi)徑為120 cm的圓柱體，通過(guò)保溫層與外部監(jiān)控層進(jìn)行爐體內(nèi)部環(huán)境的檢測(cè)與調(diào)控，創(chuàng)造一個(gè)接近真實(shí)井下環(huán)境的蓄熱條件，通過(guò)內(nèi)置氣體傳輸設(shè)備，保證試驗(yàn)過(guò)程中生成氣體的流動(dòng)均勻及氣樣的提取分析。

2)試驗(yàn)條件及過(guò)程。從某礦工作面內(nèi)的易自燃煤層進(jìn)行煤樣采集，使用顎式破碎機(jī)進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)煤樣粉碎，混合成1 700 kg試驗(yàn)煤樣裝入試驗(yàn)臺(tái)中，密封卸煤口，隨后進(jìn)行試驗(yàn)設(shè)備氣密性及運(yùn)轉(zhuǎn)情況檢測(cè)，試驗(yàn)時(shí)通入空氣流量0.1～1.5 m3/h，進(jìn)而進(jìn)行該礦煤樣自然發(fā)火特性參數(shù)試驗(yàn)測(cè)試。試驗(yàn)過(guò)程煤樣自然氧化生成的氣體經(jīng)爐體頂蓋空間由出口排出爐體。試驗(yàn)過(guò)程中，爐內(nèi)最高煤溫將達(dá)到170 ℃，溫度每升高10 ℃采集1次氣樣進(jìn)行色譜分析，記錄不同溫度下的氣體種類和體積分?jǐn)?shù)數(shù)據(jù)。具體試驗(yàn)條件如下：

平均粒徑D50/mm3.05試驗(yàn)煤高/cm185質(zhì)量/kg1 700.60煤樣體積/cm32 091 240塊煤密度/(g·cm-3)1.32孔隙率0.383 9供風(fēng)量/(m3·h-1)0.1～1.5

通過(guò)收集到的試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)際井下煤層自然發(fā)火進(jìn)程的宏觀特性表征參數(shù)推斷，為易燃煤層自然發(fā)火進(jìn)程分級(jí)預(yù)警體系的建立提供數(shù)據(jù)支持。

2 試驗(yàn)結(jié)果與分級(jí)預(yù)警

傳統(tǒng)的煤自燃預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)是將煤自燃隱患孕育的特征過(guò)程大致分為潛伏階段、自熱階段和燃燒階段3個(gè)階段[9-10]。通過(guò)分析特征數(shù)據(jù)點(diǎn)位進(jìn)行特征溫度區(qū)間劃分，進(jìn)而確定發(fā)火進(jìn)程危險(xiǎn)等級(jí)、指標(biāo)氣體、各級(jí)閾值，從而建立完備的易燃煤層自然發(fā)火分級(jí)預(yù)警體系。

2.1 煤層發(fā)火進(jìn)程區(qū)間劃分

煤自燃進(jìn)程預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)時(shí)，CO一直是常用的指標(biāo)氣體之一，其存在貫穿整個(gè)煤層自然發(fā)火過(guò)程。因此首先考慮通過(guò)CO、CO2體積分?jǐn)?shù)波動(dòng)情況進(jìn)行煤層自然發(fā)火初期過(guò)程的劃分，自然發(fā)火試驗(yàn)過(guò)程收集的CO、CO2體積分?jǐn)?shù)如圖1所示。

圖1 CO、CO2體積分?jǐn)?shù)與煤溫關(guān)系Fig.1 CO and CO2 generation as function of coal temperature

從圖1中可以看出，自40 ℃開(kāi)始，CO體積分?jǐn)?shù)快速上升，符合煤體進(jìn)入低溫氧化階段的特征[11]；同時(shí)可以反推40 ℃之前煤體應(yīng)當(dāng)處于物理吸附狀態(tài)，部分水、賦存氣解吸，CO2體積分?jǐn)?shù)在40 ℃之前的平滑曲線也可以很好地證明這一點(diǎn)；60～90 ℃煤分子表面結(jié)構(gòu)活性基團(tuán)與氧原子接觸反應(yīng)，自燃進(jìn)程達(dá)到煤氧復(fù)合反應(yīng)自加速溫度，圖中CO曲線出現(xiàn)了明顯的二次激增趨勢(shì)[12]。

煤溫達(dá)到100 ℃左右時(shí)，雖然CO體積分?jǐn)?shù)快速下降，但是從CO2曲線可以看出體積分?jǐn)?shù)迅速增加，此時(shí)煤分子中的非芳香結(jié)構(gòu)支鏈和橋鍵與氧氣發(fā)生反應(yīng)生成CO2；130 ℃左右，CO2體積分?jǐn)?shù)激增的現(xiàn)象表明此時(shí)煤體的溫度接近熱解溫度，是即將進(jìn)入活性反應(yīng)階段的標(biāo)志[9,13-14]。

在煤自燃進(jìn)程反應(yīng)高溫氧化階段，煤分子結(jié)構(gòu)中的各類基團(tuán)吸收能量達(dá)到活躍狀態(tài)，反應(yīng)加劇，各類結(jié)構(gòu)在不同程度上裂解、裂化，大量活性結(jié)構(gòu)反應(yīng)生成CH4、C2H4、C2H6等烷烴、烯烴類氣體。由此可以選定CO和CO2作為煤層自然發(fā)火反應(yīng)低溫氧化階段的標(biāo)志性氣體，而CH4、C2H4、C2H6等烷烴、烯烴類氣體則是煤高溫氧化階段的標(biāo)志，氣體產(chǎn)物的變化能夠反映煤體氧化程度，并用以推測(cè)煤體內(nèi)部結(jié)構(gòu)反應(yīng)序列[10,15]。具體的烷、烴氣體體積分?jǐn)?shù)數(shù)據(jù)如圖2所示。

圖2 CH4、C2H4、C2H6體積分?jǐn)?shù)與煤溫關(guān)系Fig.2 CH4、C2H4 and C2H6 generation as function of coal temperature

由圖2可以看出：當(dāng)煤溫低于80 ℃時(shí)，CH4體積分?jǐn)?shù)波動(dòng)較為平緩。這是由于在煤體低溫氧化蓄熱階段，煤分子間的范德華力逐漸減弱，CH4解除吸附狀態(tài)進(jìn)入空氣中，相對(duì)增量較少。140 ℃之后煤氧復(fù)合反應(yīng)加劇，CH4體積分?jǐn)?shù)驟然升高。因此CH4體積分?jǐn)?shù)快速激增的突變點(diǎn)可以作為煤層自燃反應(yīng)進(jìn)入裂變階段的標(biāo)志。而試驗(yàn)之初沒(méi)有檢測(cè)到C2H4存在，在約40 ℃時(shí)才出現(xiàn)少量的C2H4，可以將C2H4出現(xiàn)的特征點(diǎn)位作為煤體進(jìn)入解附狀態(tài)的判定。C2H6作為一種飽和化合物，可以像甲烷一樣較穩(wěn)定地賦存在煤層中，在未達(dá)到裂解溫度之前由氣體脫附作用而產(chǎn)生。但C2H6曲線的波動(dòng)并不具有良好的規(guī)律性，因此C2H6并不適合單獨(dú)作為氣體預(yù)警指標(biāo)[10,16-17]。

2.2 煤層發(fā)火特征溫度點(diǎn)確定

對(duì)比分析試驗(yàn)數(shù)據(jù)，為了深入劃分煤層自燃預(yù)警等級(jí)?？紤]利用氣體體積分?jǐn)?shù)比值波動(dòng)情況進(jìn)行煤層自然發(fā)火進(jìn)程各階段主體反應(yīng)特征溫度點(diǎn)位的確定，進(jìn)行煤層自然發(fā)火進(jìn)程精確分級(jí)[4,18]。

據(jù)理論研究，煤層耗氧速度應(yīng)與氧氣體積分?jǐn)?shù)成正比，可以通過(guò)煤氧復(fù)合產(chǎn)生的CO速率及對(duì)應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)氧氣體積分?jǐn)?shù)波動(dòng)，反映煤氧復(fù)合三步化學(xué)反應(yīng)的進(jìn)程，即Graham系數(shù)，G計(jì)算如下

G=φ(CO)/φ(O)2×100%

(1)

式中：G為Graham系數(shù)的計(jì)算值；φ(CO)、φ(O2)分別為風(fēng)流中CO、O2體積分?jǐn)?shù)的變化量絕對(duì)值，%。

依照算式可得G值變化情況如圖3所示。

圖3 試驗(yàn)G值與煤溫對(duì)應(yīng)關(guān)系Fig.3 Relationship between G and coal temperature

由圖3可以看出，G在煤自然發(fā)火反應(yīng)升溫過(guò)程中整體呈上升趨勢(shì)。當(dāng)煤溫從常溫升至60 ℃的過(guò)程中，φ(CO)/φ(O2)的值上升緩慢，說(shuō)明在該階段煤氧復(fù)合反應(yīng)較弱。60 ℃后發(fā)生突變快速升高，此時(shí)接近臨界溫度，化學(xué)反應(yīng)逐漸增強(qiáng)；煤溫在90～140 ℃時(shí)，G波動(dòng)平緩，此過(guò)程中CO和CO2的體積分?jǐn)?shù)均呈增長(zhǎng)趨勢(shì)且增長(zhǎng)的強(qiáng)度相差較小。當(dāng)G大于0.02時(shí)，煤溫已達(dá)到或高于臨界溫度，各類鏈結(jié)結(jié)構(gòu)，斷裂生成活性結(jié)構(gòu)接觸氧氣快速反應(yīng)；當(dāng)G大于2時(shí)，煤溫超過(guò)熱解溫度，鄰近干裂溫度，G呈現(xiàn)激增趨勢(shì)，此時(shí)煤層火災(zāi)隱患危險(xiǎn)性直線上升；從圖中可以推斷現(xiàn)場(chǎng)測(cè)得G約12時(shí)，就可以認(rèn)為目標(biāo)煤層即將進(jìn)入完全燃燒階段，應(yīng)當(dāng)采取最為極端的煤火災(zāi)害防控手段[4,19-22]。

氣體復(fù)合指標(biāo)曲線及試驗(yàn)分析如圖4所示。當(dāng)煤溫低于40 ℃時(shí)，φ(CO2)/φ(CO)波動(dòng)平滑，此時(shí)煤體反應(yīng)活性低下，處于穩(wěn)定狀態(tài)[23-24]；40 ℃左右，φ(C2H4)/φ(C2H6)曲線出現(xiàn)起始點(diǎn)，φ(CO2)/φ(CO)驟然上升達(dá)到峰值，可以推斷此時(shí)煤體升溫導(dǎo)致范德華力削弱，物理吸附作用增強(qiáng)；60 ℃后，φ(CH4)/φ(C2H6)繼續(xù)快速下跌，但是φ(C2H4)/φ(C2H6)保持相對(duì)穩(wěn)定，此時(shí)煤體物理吸附即將達(dá)到飽和，化學(xué)反應(yīng)啟動(dòng)，煤體反應(yīng)活性逐漸加強(qiáng)[25]；80 ℃后，φ(C2H4)/φ(C2H6)曲線增大，顯然是因?yàn)榻Y(jié)構(gòu)斷裂速度過(guò)快，各活性基團(tuán)結(jié)構(gòu)反應(yīng)不充分；110 ℃后，煤體自燃反應(yīng)進(jìn)入裂解階段，煤體芳環(huán)支鏈結(jié)構(gòu)等發(fā)生快速斷裂，煤氧復(fù)合反應(yīng)劇烈，煤自燃隱患危險(xiǎn)性達(dá)到最大，并且φ(C2H4)/φ(C2H6)遠(yuǎn)高于φ(CH4)/φ(C2H6)和φ(CO2)/φ(CO)，全面燃燒即將發(fā)生[9,26-29]。

圖4 試驗(yàn)復(fù)合指標(biāo)比值與煤溫關(guān)系Fig.4 Experimental composite index ratio concentrations to coal temperature

對(duì)比φ(C2H4)/φ(C2H6)、φ(CH4)/φ(C2H6)、φ(CO2)/φ(CO)，確定波動(dòng)趨勢(shì)、拐點(diǎn)、峰值點(diǎn)等數(shù)據(jù)特征，能夠在單因素指標(biāo)劃分煤層自然發(fā)火進(jìn)程溫度范圍的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步確定預(yù)警體系的特征溫度點(diǎn)，具體見(jiàn)表1。

表1 煤自然發(fā)火特征溫度劃分區(qū)間Table 1 Characteristic temperature intervals of coal spontaneous combustion

2.3 煤層自然發(fā)火分級(jí)預(yù)警體系建立

依據(jù)煤自燃階段精細(xì)劃分理論與方法，結(jié)合《煤礦安全規(guī)程》關(guān)于煤自燃監(jiān)測(cè)、標(biāo)志氣體、臨界值、發(fā)火征兆及火災(zāi)的管理規(guī)定。基于煤樣自然發(fā)火試驗(yàn)，提出了適用于礦井的煤自燃分級(jí)預(yù)警指標(biāo)體系，該指標(biāo)體系主要包含可以表征煤自燃溫度的氣體指標(biāo)(CO、G值、O2、C2H4、φ(C2H4)/φ(C2H6))，確定了易自燃煤層分級(jí)預(yù)警的溫度范圍和氣體指標(biāo)臨界值，以期實(shí)現(xiàn)礦井煤層自然發(fā)火精準(zhǔn)預(yù)警及煤火災(zāi)害主動(dòng)防治，見(jiàn)表2。

表2 煤層自然發(fā)火分級(jí)預(yù)警體系及指標(biāo)臨界值Table 2 Multi-stages warning system of coal seam and threshold values

3 現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用

1)工作面概況。某礦工作面標(biāo)高為+770—+800 m，走向長(zhǎng)度1 048 m，傾斜寬度240 m。煤層傾角0°～6°，平均2°，煤厚16.8～21.7 m，平均厚度18.7 m。工作面采用“一面兩巷”布置，2條巷道及開(kāi)切眼均沿煤層底板布置，兩巷道相互平行。工作面通風(fēng)配量1 671 m3/min。

2)現(xiàn)場(chǎng)煤自燃程度預(yù)測(cè)。統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)建立指標(biāo)氣體波動(dòng)(圖5)發(fā)現(xiàn)CO體積分?jǐn)?shù)自2019-04-01開(kāi)始出現(xiàn)上升趨勢(shì)(4月1日前為正常觀測(cè)值，低于預(yù)警初值)，但是比照煤自燃分級(jí)預(yù)警方法，結(jié)合CO、O2體積分?jǐn)?shù)與火災(zāi)系數(shù)，發(fā)現(xiàn)4月7日前煤層未達(dá)到預(yù)警范圍，是否存在煤層自燃隱患情況不明確；4月7日開(kāi)始CO體積分?jǐn)?shù)超過(guò)200×10-6，O2體積分?jǐn)?shù)低于12%，G為0.19，說(shuō)明此時(shí)煤層自燃達(dá)到1級(jí)灰色預(yù)警，進(jìn)入低溫氧化階段；隨后，CO體積分?jǐn)?shù)與G持續(xù)上升，結(jié)合O2體積分?jǐn)?shù)發(fā)現(xiàn)在4月7日—5月12日，煤層自燃進(jìn)程一直處于灰色預(yù)警階段；直至5月13日，CO體積分?jǐn)?shù)降低至287×10-6，G達(dá)到0.5，煤自燃進(jìn)入2級(jí)藍(lán)色預(yù)警階段，推測(cè)溫度在50～60 ℃，煤層自然發(fā)火反應(yīng)到達(dá)自熱階段，這一階段持續(xù)到5月14日，至此確認(rèn)目標(biāo)位置存在自然發(fā)火隱患；此后開(kāi)始采取相應(yīng)的防控措施，根據(jù)每日監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)顯示,CO體積分?jǐn)?shù)及火災(zāi)系數(shù)開(kāi)始降低，在5月15日時(shí)由藍(lán)色預(yù)警降低至灰色預(yù)警。根據(jù)分級(jí)預(yù)警協(xié)同防控措施方法，對(duì)采空區(qū)按照預(yù)警級(jí)別實(shí)施防滅火方案，具體要求見(jiàn)表3。

表3 分級(jí)預(yù)警協(xié)同防控措施Table 3 Coordinated prevention and control measures under different warning levels

圖5 工作面關(guān)鍵指標(biāo)參數(shù)波動(dòng)情況Fig.5 Fluctuation of key index parameters in working face

3)效果分析。通過(guò)分析現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，結(jié)合煤自燃程度的分級(jí)與自燃主動(dòng)分級(jí)協(xié)同防控方法，該礦工作面開(kāi)展相應(yīng)的防滅火工作，整個(gè)過(guò)程中現(xiàn)場(chǎng)CO體積分?jǐn)?shù)與火災(zāi)系數(shù)呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢(shì)。煤層在4月7日出現(xiàn)低溫氧化，5月13日進(jìn)入自熱階段，隨后在動(dòng)態(tài)推進(jìn)、封閉堵風(fēng)、注惰降氧的防滅火措施下，5月13日后由藍(lán)色預(yù)警降至灰色預(yù)警，煤層的自燃隱患得到有效緩解，防滅火工作取得了較好的效果。

4 結(jié) 論

1)在原有煤自燃三階段劃分理論基礎(chǔ)上，通過(guò)試驗(yàn)數(shù)據(jù)和現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)的分析確定了煤層自然發(fā)火過(guò)程當(dāng)中的特征溫度點(diǎn)：T0為20～40 ℃；T1為40～60 ℃；T2為60～90 ℃；T3為80～120 ℃；T4為110～150 ℃；T5為130～160 ℃；T6為150～250 ℃。

2)分析了眾多表征煤自燃反應(yīng)進(jìn)程的指標(biāo)氣體及預(yù)警指標(biāo)，通過(guò)對(duì)大量數(shù)據(jù)的分析，確定了精準(zhǔn)表征煤自燃六級(jí)預(yù)警的指標(biāo)：CO、CH4、C2H4、C2H6濃度、φ(CO2)/φ(CO)、Graham系數(shù)、鏈烷比等。建立了較為完備的煤層自然發(fā)火進(jìn)程分級(jí)預(yù)警體系，定量確定了各級(jí)判定閾值。

3)實(shí)例應(yīng)用檢驗(yàn)了所構(gòu)建預(yù)警體系的可靠性。通過(guò)對(duì)某礦采空區(qū)煤自燃程度及趨勢(shì)的分析，確定煤自然發(fā)火分級(jí)預(yù)警級(jí)別，按照采空區(qū)煤自燃主動(dòng)分級(jí)協(xié)同防控方法實(shí)施防滅火工作，結(jié)果表明本文構(gòu)建的煤層自然發(fā)火分級(jí)預(yù)警體系能夠有效指導(dǎo)實(shí)際工作面開(kāi)展煤火防治工作。