梁宝寺煤矿3层煤自然发火指标气体的确定.doc

梁宝寺煤矿3层煤自燃发火指标气体的确定
摘要：本文以梁宝寺煤矿3层煤自燃发火为研究背景，首先对煤样进行工业性分析，分析表明该煤中挥发分含量较高，其次对自燃指标气体进行实验研究，研究得出了气体浓度随温度的变化趋势，分析了煤氧化温度与气体产物的特性，得出梁宝寺煤矿3层煤预测预报指标气体应以CO为主，并辅以C2H4、C2H2来掌握煤炭自燃情况；其中CO的出现说明煤已经发生氧化反应，C2H4出现表明煤温已经达到100 ℃以上，C2H2的出现则说明煤温至少已经超过193 ℃，此时应采取积极的防灭火措施。
关键词：自燃发火；指标气体；程序升温实验
The determination of spontaneous combustion index gas in Liang Bao Si coal mine No.3 coal seam
Abstract:Based on spontaneous combustion of Liang Bao Si coal mine No.3 coal seam,we analyzed the coal sample and it is show that this kind of coal contains higher volatile.we also conducted laboratory studies for spontaneous combustion index gas.The study concluded the change trend of gas concentration with temperature rise and features between coal oxidation temperature and gaseous product. The experiment show that the forecast indicators of Liang Bao Si coal mine No.3 coal seam should give priority to with CO,and C2H4、C2H2 as auxiliary to master spontaneous combustion of coal. When CO appeared show that coal has already happened oxidation reaction,and C2H4 appeared show that coal temperature has reached more than 100 ℃. C2H2 appeared show that coal temperature has reached more than 193 ℃,it is time that positive measures should be taken to prevent fire.
Keywords:spontaneous combustion,index gas, programmed heating experiment
1 引言
火灾是煤矿5大灾害之一，煤层自燃火灾一直是矿井火灾研究重点方向。煤层自然发火，其火源隐蔽较强，许多参数难以测定，隐蔽火源的燃烧状态不易掌握[1-4]。目前国内外专家主要通过测定煤层发火过程中产生的一系列反映煤炭氧化和燃烧程度的指标气体( 如等) 来预测预报煤自燃的危险，并采取相应的措施[5-6]。
梁宝寺煤矿采用综采放顶煤开采，由于一次性开采强度大，端头支架处顶煤放出率低，冒落高度大、采空区遗留残煤多的特点，加之机电设备功率大、散热多，开采深度大、放热强度高引起采空区温度增高，无煤柱、瓦斯抽采等开采条件造成采空区大连通、漏风通道复杂等因素，使得自燃发火频繁，严重制约了煤矿高产高效技术的发展。同时，因煤炭自燃而产生的有毒有害气体和引起的瓦斯爆炸也严重威胁着矿井的安全生产和井下人员的生命安全。因此，煤层自燃发火指标气体的确定是亟需研究的课题。
2 工程地质条件
梁宝寺煤矿主采的3煤层位于山西组中、下部，上距石盒子组A层铝土岩平均184.66 m，下距太原组三灰平均62.45m。煤层平均厚度为3.96 m，属较稳定煤层。煤层结构简单，顶板为泥岩和粉砂岩，个别点为细砂岩及中砂岩，底板为泥岩和粉砂岩。3煤层属低～中灰、低硫、高挥发分煤。煤层自燃等级高，自燃发火期短，根据立项时矿井资料，井田内主采的3煤层属于“І类”易自燃煤层，该煤层自燃发火期3～6个月，最短仅22天，自燃发火的危险性很强，由于普遍采用综放开采，采空区留煤较多，且分布不均匀，从而使得采空区浮煤自燃的危险性增大。
3 煤样工业分析
针对梁宝寺煤矿3煤层3418工作面煤体进行了工业分析，主要对煤中的水分、灰分、挥发分、全硫和真密度进行测定，并根据水分、灰分和挥发分对固定碳、氢含量进行计算。本测试采用标准GB/T 212-2001《煤的工业分析方法》、GB/T 214-1996《煤中全硫的测定方法》、GB/T 217-1996《煤的真相对密度测定方法》进行测试。3418工作面煤样工业测试结果如表1所示，从测试结果可以看出，该煤中挥发分含量较高。
表1 工业分析测试结果
煤样名
分析结果(%)
放热量(MJ/kg)
真相对密度
3418工作面
Mad
Vad
Aad
FCad
Had
St,d
Qad
TRD
3.17
35.69
8.92
52.22
5.20
0.49
28.17
1.36
4自燃指标气体实验研究
煤自燃是一个复杂的物理、化学变化过程，是多变的自加速的放热过程，在自燃的不同温度下会出现不同种类和含量的气体，如CO、CO2、CH4、C2H6、C2H4、C3H8和C2H2等。根据煤自燃进程中的温度上升气体释放等变化特征判识自燃状态，对自燃发火进行识别并预警是矿井火灾预防与处理的基础，是矿井煤层火灾防治的关键，占有极其重要的地位。测试煤样产生各种气体的顺序和浓度，找出自燃发火对应的指标气体，为梁宝寺煤自燃发火早期预报提供前提条件。
4.1 指标气体优选原则
为了使预报自燃发火更为及时准确，所选择的指标气体必须具备下列条件：
（1）灵敏性：煤矿井下一旦有煤炭处于自燃状态，且煤温超过一定值时，则该气体一定出现，其生成量随煤温升高稳定增加；
（2）规律性：指标气体的浓度变化与煤温之间有较好的对应关系，且重复性好；
（3）可测性：普通色谱分析仪能检测到指标气体的存在。
4.2 实验设备
指标气体实验系统如图1所示，其主要由程序控温箱、气体分析仪、铜质煤样罐、预热气路、温度控制系统、气体质量流量控制器等组成。图2、图3为本实验系统的主要实物图。

图1 指标气体实验系统图

图2温度控制箱图

图3 指标气体分析仪
4.3 实验方案及过程
对原煤样进行破碎并筛分出40～80目的煤样50 g，将筛分出的50 g煤样置于铜质煤样罐内，煤样罐置于程序控温箱内，然后连接好进气气路、出气气路和温度探头，检查气路的气密性。测试时向煤样内通入50 ml/min的干空气。在程序控温箱控制下对煤样进行加热，当达到指定测试温度时，恒定温度5 min后采取气样进行气体成分和浓度分析。
4.4 气体浓度随温度的变化规律
根据实验室实验得出煤程序升温实验数据如表2所示，利用Matlab处理软件生成的气体浓度变化趋势如图4、图5所示。
表2 梁宝寺矿煤程序升温实验数据
温度/℃
气体成分/ppm
CO
CO2
CH4
C2H6
C2H4
C3H8
30
2.67
73.53
12.66
0
0
0
45
3.95
89.92
20.05
0
0
0
55
8.64
116.08
38.32
0.28
0
0
70
30.82
167.58
88.48
0.93
0
0
80
60.09
208.25
125.67
1.25
0
0
90
111.92
282.55
175.33
1.87
0
0
100
176.42
416.91
223.85
2.57
0.39
0
115
398.99
785.34
320.23
4.96
0.79
1.38
130
696.37
1319.44
452.01
8.28
1.31
2.28
145
1078.39
2043.98
618.54
13.2
2.19
3.95
160
1756.89
3325.82
831.44
20.86
3.53
6.08
175
2633.49
4991.68
1138.59
31.77
5.69
9.73
193
4255.77
7426.78
1483.78
46.89
9.13
15.73
从图4和图5综合分析可知，煤样在30 ℃到200 ℃温度范围内的氧化过程中有规律的出现CO、CO2、CH4、C2H6（乙烷）、C2H4和C3H8气体，且生成量随煤温的升高基本呈指数上升趋势。在30 ℃到193 ℃的温度范围内该煤样没有生成C2H2气体。CO、CO2、CH4三种气体均在30℃时即开始出现，CH4的生成量相对较小，这是由于煤样采集后放置时间较长，煤样中本身吸附的CH4多数已经脱附出来的缘故。CO的生成量在低温氧化阶段较小，煤温达到70 ℃之后其生成量迅速增加，这说明该温度下煤已经开始快速氧化，物理吸附已经越来越弱而化学吸附和化学反应则占据了主要位置。55 ℃左右出现少量的C2H6，100 ℃时出现C2H4，浓度不大但随温度升高呈现有规律的变化；C3H8（丙烷）出现的最晚，115 ℃时开始出现并呈现出有规律的变化。C2H2在整个过程中都没有出现，说明其出现的温度高于193 ℃，一旦有C2H2出现则表明煤已经发生剧烈的化学反应。

图4 梁宝寺矿煤样CO、CO2、CH4变化趋势图

图5 梁宝寺矿煤样C2H6、C2H4、C3H8变化趋势图
综上，该工作面煤应以CO作为指标性气体，并辅以C2H4、C2H2来掌握煤炭自燃情况，CO的出现说明煤已经发生氧化反应，C2H4出现说明煤温已达到100 ℃以上，C2H2的出现则说明煤温至少已经超过193 ℃，此时应采取积极的防灭火措施。
5 主要结论
（1）在实验室对煤样进行程序升温控制测试，得出了气体浓度随温度的变化趋势，分析了煤氧化温度与气体产物的特性，得出3418工作面预测预报指标：以CO为主，以C2H4、C2H2为辅来掌握煤炭自燃情况。
（2）CO的出现说明煤已经发生氧化反应，C2H4出现表明煤温已经达到100 ℃以上，C2H2的出现则说明煤温至少已经超过193 ℃，此时应采取积极的防灭火措施。
6 煤层自然发火气体指标变化规律及采取措施
针对预防梁宝寺煤矿三层煤综放工作面自然发火问题,应按照“预防为主、综合治理”的工作方针，结合自然发火指标气体进行预测预报，有针对性地研究制定综合防治对策。
（1） 工作面在安装前、初采期间容易自然发火。由于切眼处断面较大，且设备安装时间较长，为防止开切眼松散煤体充分氧化蓄热，在工作面切眼四周沿帮喷洒阻化剂，以露出微白色为止。
（2） 在工作面正常推采期间，由于工作面推采过程中顶煤不易放净，采空区会留有部分浮煤，为防止工作面推采过程中采空区遗煤自燃，应采取均压通风、打设防火墙、设置挡风帘、随采随注浆等防灭火措施。
（3） 工作面过地质构造带、工作面俯采、工作面推采速度慢且回风隅角监测到CO且有上升趋势时，说明煤已经发生氧化反应，应在工作面正常推采的防灭火措施基础上在工作面进回风隅角及两帮煤壁实施阻化剂喷洒；利用支架间的空隙对采空区喷洒阻化剂。
（4） 当回风隅角检测到C2H4且有上升趋势时，表明煤温已经达到100 ℃以上，应采取加密施工防火墙、加大注浆量、高分子材料喷涂、采空区连续注浆、注氮、压注破碎煤体阻燃剂、灌注三相泡沫、注二氧化碳等措施。
（5） 当回风隅角检测到C2H2时，说明煤温至少已经超过193 ℃，此时应在检测到C2H4时采取防灭火措施基础上施工高位防火钻孔注浆、从井上利用注浆站液态二氧化碳转换装置向采空区进行注入液态二氧化碳或液态氮气。
（6） 工作面停采回撤前应对工作面两巷隅角及工作面见煤处喷洒阻化剂、对停采线以里采空区进行大量灌浆，注浆时间不低于6个月或直至密闭渗浆为止。
（7） 工作面回采结束后，要在45天内进行永久性密闭。
7 参考文献
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