石圪台煤矿3-1煤自然发火标志气体实验研究_马俊田.pdf

1002023 年第 5 期收稿日期 2022-11-15作者简介 马俊田（1971），男，内蒙古赤峰人，1998 年毕业于辽宁工程技术大学矿井通风专业，大学专科，助理工程师，现从事矿井“一通三防”技术及安全管理工作。石圪台煤矿 3-1 煤自然发火标志气体实验研究马俊田（神东煤炭集团公司锦界煤矿，陕西 神木 719319）摘 要 针对石圪台煤矿低瓦斯矿井 3-1 煤层存在自然发火潜在威胁，利用程序升温测试系统进行不同温度下（自室温至 240）的煤样自燃过程气体产生种类和成分实验测定。实验得出：石圪台矿 3-1 煤应以CO、C2H4作为指标性气体，并辅以 C3H8与 C2H6来掌握煤炭自燃情况，为煤矿防治自然发火提供参考依据。关键词 自燃煤层；标志气体；程序升温；实验测试中图分类号 TD75+2.2 文献标识码 A doi:10.3969/j.issn.1005-2801.2023.05.033Experimental Study on Spontaneous Combustion Significant Gas of the 3-1 Coal in Shigetai Coal MineMa Juntian(Jinjie Coal Mine of Shendong Coal Group Company,Shaanxi Shenmu 719319)Abstract:Aiming at the potential threat of spontaneous combustion in the 3-1 coal seam of the low gas mine in Shigetai Coal Mine,a programmed temperature rise testing system is used to experimentally determine the types and composition of gas generated during the spontaneous combustion process of coal samples at different temperatures(from room temperature to 240 ).The experiment shows that CO and C2H4 should be used as indicator gases for the 3-1 coal in Shigetai Mine,and C3H8 and C2H6 should be supplemented to grasp the situation of coal spontaneous combustion,providing a reference basis for the prevention and control of spontaneous combustion in coal mines.Key words:spontaneous combustion coal seam;significant gas;programmed temperature rise;experimental testing马俊田：石圪台煤矿 3-1 煤自然发火标志气体实验研究马俊田：石圪台煤矿 3-1 煤自然发火标志气体实验研究煤自燃是煤矿重要灾害之一，实现对煤自燃灾害的有效防治是煤矿安全高效开采的重中之重。煤自燃产生的气体识别、优选与预警是有效防治煤自燃灾害发生的基础，具有重要的研究意义和价值1-5。石圪台煤矿位于陕西神木市大柳塔试验区，井田面积65.25 km2，矿井下水平年生产能力800万t，为低瓦斯矿井。矿井可采煤层共 8 层，目前主要开采 2-2 上煤、2-2 煤和 3-1 煤。其中 3-1 煤层均厚 3.83 m，变异系数 0.191，距上覆 2-2 煤平均层间距约35.4 m，该煤层厚度大，变化小。3-1 煤属于类易自燃煤层，在开采过程中，容易受到煤自然发火的威胁。因此为了有效预测 3-1 煤层自然发火情况，对 3-1 煤层进行自然发火标志气体指标实验研究，分析其自然发火标志气体随温度的变化规律和煤自燃特性，为 3-1 煤层自然发火防治提供依据。1 煤自燃原理及过程煤自燃即煤层自然发火，是指井下煤在常温状态时会与氧气发生物理及化学性反应，并放出热量，煤发生氧化反应产生热量的速率远大于散热的速率，因此产生的热量会持续累积，促使煤温持续性增大，当超过煤自然发火的临界温度值时，氧化反应的速率会急剧增加，最后达到着火点，发生自燃。煤自然发火的过程包括 3 个阶段：慢速、加速和急速，如图 1，每个阶段都对应着不同种类气体的产生浓度6-8，可根据井下某些气体产物的浓度变化来分辨与判断煤自燃灾害的发展程度9-10。图 1 煤自然发火演变过程1012023 年第 5 期马俊田：石圪台煤矿 3-1 煤自然发火标志气体实验研究马俊田：石圪台煤矿 3-1 煤自然发火标志气体实验研究2 程序升温实验2.1 实验条件实验测试煤样取自石圪台煤矿 31202-1 工作面辅顺 11 联巷，将取回的大块煤已氧化外壳切割掉，并取芯后粉碎，分别选取 01 mm、13 mm、35 mm 和 510 mm 四种尺寸的煤块，并放入保温盒内遮阳密存。为了避免煤块尺寸对煤自燃实验结果产生影响，本实验选取四种粒径质量比 1:1:1:1 的混合试样。实验条件见表 1。表 1 程序升温实验条件煤样平均粒径/mm试管煤高/cm煤重/g煤体积/cm3容重/（g/cm3）空隙率/%空气流量/（mL/min）升温速度/（/min）煤样四种粒径混样521.5712001 528.000.785 346.211300.52.2 实验设备本实验选用煤科院的煤自然发火标志性气体优选实验系统，主要包括供气设备、程序升温和气体分析等三个部分。2.3 实验方法及过程程序升温测试煤自燃标志气体随温度变化特征，如图 2 煤自然发火模拟装置示意图。具体测试步骤如下：1）将煤样混合搅拌均匀，并随机称取 1200 g装入煤罐；2）检验本次实验所用装置的气密性，并调试好分析系统；3）向煤罐内预先导入干燥空气，以 130 mL/min 通入 20 min；4）以0.5/min进行升温，当达到目标温度时，保温 2 min；5）采集流出气体，进行成分和浓度分析。图 2 煤自然发火模拟装置图3 实验结果及分析3.1 标志气体选择条件为了使煤自然发火预测能达到及时且准确，在实验中选择的标志性气体应具备以下条件：1）敏感性；2）规律性，标志气体的浓度随温度升高的变化趋势应具有一定的规律且具有重复性；3）可测性；4）早期显现性，标志气体必须在自热早期产生，便于预测；5）唯一性，标志气体应是仅因煤燃烧才出现的气体。3.2 CO 与 CO2产生规律由图 3（a）可知，在达到 26 前已经存在CO，浓度为 3.710-6；当温度在 4050 时，CO的产生浓度呈现缓慢增加；当煤温大于 50，CO量呈线性增大趋势；煤温在 90100 时，CO 浓度出现一个小幅度的跨越，自此 CO 浓度随温度升高而呈急剧增长，表明已进入急速氧化反应阶段。此过程中 CO 生成过程整体呈现非线性变化特征，此规律能较好地反映 3-1 煤的自燃特征，可以作为自然发火标志气体。（a）CO （b）CO2图 3 随煤温生成 CO 及 CO2浓度的变化趋势图 3（b）为 CO2浓度随煤温的变化趋势。煤温在 26 时，煤样罐内 CO2的浓度为 7.7710-4，则可说明试样煤体孔隙中原就含有 CO2。CO2的浓1022023 年第 5 期度随温度的升高而增大，基本呈线性规律。由于CO2属于该矿煤的吸附气体，故不宜作为煤自燃标志气体。3.3 烷烃、烯烃气体产生规律3.3.1 CH4气体产生规律由图 4 实验中 CH4气体浓度随煤温的变化趋势可知，在未达到 26 时就存在 CH4，浓度为3.210-6，表明原煤吸附少量 CH4气体。随着温度升高，CH4浓度不断增大。在 130 之前，CH4浓度增长趋势较缓慢，当超过 130 时，CH4浓度以指数趋势急速增大。但由于 CH4为煤层原有气体，不建议选取 CH4作为煤层自燃的判断指标。图 4 随煤温生成 CH4浓度的变化趋势3.3.2 C2H4和 C2H2气体产生规律C2H4的出现表明煤自然发火已经进入加速氧化阶段。图5为实验煤样C2H4浓度随温度的变化趋势。C2H4气体在温度 70 时被检测到，浓度 610-7。C2H4浓度在 70120 之间呈缓慢增长趋势，120 之后以近指数形式迅速增长。C2H4产生规律能较好地反映 3-1 号煤层煤自燃的高温阶段特性，可作为该煤层自然发火标志性气体。图 5 随煤温生成 C2H4浓度的变化趋势C2H2仅在煤的剧烈氧化阶段才产生，如若在煤矿井下检测到 C2H2，则说明此时煤温已超过了 240，已发生剧烈的反应。建议将 C2H2作为煤的剧烈氧化阶段的标志性气体。3.3.3 C2H6和 C3H8气体产生规律由图 6 可以看出，C2H6在 70 时开始出现，浓度为 510-7，其浓度随温度的升高而增大。C2H6产生量在 70120 变化缓慢，超过 120 后呈近指数式增加，在 240 时浓度为 3.31910-4，故C2H6可以作为该煤自然发火的标志性气体。同时，C3H8在 70 时开始出现，浓度为 810-7，且浓度随煤温的升高而增大，在 70120 时变化趋势缓慢，在 120 之后呈近指数增加，在 240 时浓度为 3.24610-4，故 C3H8可以作为 3-1 号煤层自然发火的指标气体。（a）C2H6 （b）C3H8图 6 C2H6及 C3H8气体随煤温的变化趋势4 结论利用煤自然发火标志气体指标测试系统对石圪台煤矿 3-1 煤层进行自然发火标志气体优选实验研究，分析该煤样自室温至 240 的自燃过程中气体产生规律，得到以下结论：1）通过实验分析，石圪台矿 3-1 煤以 CO、C2H4可作为煤自燃的指标性气体，并辅以 C3H8、C2H6来掌握煤炭自燃情况。2）CO 气 体 在 室 温 26 即 出 现，浓 度 为3.710-6，说明石圪台矿 3-1 煤在低温时就已发生1032023 年第 5 期马俊田：石圪台煤矿 3-1 煤自然发火标志气体实验研究马俊田：石圪台煤矿 3-1 煤自然发火标志气体实验研究氧化反应；在临界温度 4050 范围内，CO 浓度3.6110-51.1110-4；在干裂温度90100 范围内，CO 浓度 2.86710-33.89210-3。C2H4气体产生温度为 70，浓度为 610-7，说明煤已进入加速氧化阶段。3）C3H8与 C2H6产生量随煤温升高而增大，出现温度均为 70，浓度分别为 510-7与 810-7，可以作为煤激烈氧化阶段的辅助指标。4）如果在煤矿井下检测到 C2H2，说明此时煤温超过 240，已经发生剧烈的氧化反应。C2H2适合作为 3-1 煤层的剧烈氧化阶段的标志性气体。【参考文献】1 凌紫城，施式亮，鲁义，等.铁箕山煤矿 2 号煤层自然发火标志气体及临界值确定 J.能源与环保，2020，42（08）：33-36+41.2 彦鹏，黄光利，张仰强，等.双马煤矿 4-1 煤层自然发火标志气体及临界值研究 J.矿业安全与环保，2020，47（02）：85-89+98.3 许永成，刘春江，吕会庆，等.红庆河煤矿 3-1煤层自然发火标志性气体研究及应用J.陕西煤炭，2019，38（05）：10-13.4 高志才.极易自燃煤层综放面采空区自然发火预测技术研究 D.西安：西安科技大学，2009.5 翟小伟.磁二矿首采综放面煤层自然发火防治技术研究 D.西安：西安科技大学，2005.6 董绍朴，刘剑，李艳昌，等.基于主成分分析法的东荣一矿煤层自然发火指标气体实验研究 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