2023年《安全技术》之气体分析法预测预报典型易燃褐煤自然发火.docx

气体分析法预测预报典型易燃褐煤自然发火 煤自然发火的难易程度随着煤的变质程度的加深而减弱，即变质程度较低的褐煤、气煤等通常具有较强的自然发火危险，而变质程度较高的无烟煤其自然发火危险性较小。在变质程度较低的煤种中，褐煤是典型的具有较强的自然发火危险的煤种之一。笔者在对各煤种自然发火预测预报的标志气体的研究根底上，通过近几年对龙口北皂矿、平庄六家矿等主采褐煤的矿井的自然发火规律的研究，并通过自然发火预测预报的实践，得出气体分析法预测预报典型易燃褐煤自然发火的一些经验，并整理成文，与广阔煤矿平安工作者探讨。 1 典型易燃褐煤自然发火标志气体的特点 1.1 CO标志气体 众所周知，CO作为标志气体来预测煤自然发火已以有很长的历史，在我国及至世界各国都得到了普遍应用。在过去相当长的时间内人们普遍认为，CO是检测煤炭氧化自燃开展阶段的最灵敏指标。但随着科学技术的开展和对煤自然发火预测预报的不断深入研究，人们逐渐发现，CO及其派生指标尽管可用，但并不是唯一的、最准确、最灵敏的指标，尤其对于典型易燃褐煤来说更是如此。 由于CO在煤自然发火过程中的检测温度范围极宽，从40℃一直到进入剧烈氧化阶段都伴随着CO的产生，这就使得这一指标的预报范围过大。对于褐煤这样的低变质程度煤，往往在采煤工作面、掘进工作面等作业场所常常能检测到CO的存在。如在龙口北皂煤矿4212综放工作面后部刮板输送机头、综放支架顶部等部位，从回采到结束都能检测到CO，其浓度在5×10-6～30×10-6之间。还有平庄六家矿WⅡN一段6-3炮采工作面上隅角等处，在回采过程中都能检测到CO，浓度最大时局部超过100×10-6，如果在这种情况下用单一的CO作主指标进行火灾预测预报，那么很难确定目前自然发火所处的状态。另外，目前很多现场都提出褐煤煤层是否有原生赋存CO的质疑，虽然目前还末见到有确凿证据证明原生赋存CO存在的报道，但如果这种可能性存在的话，对于褐煤来说，仅用CO作为主指标进行煤自然发火预测预报，不但难以确定自然发火的态势，甚至连是否发生了自然发火都很难确定。 另外，在现场生产环境下，受风流大小、检测仪器误差、取样地点等因素的影响，很难找出其浓度值所对应的温度值，使得CO发生量与煤温之间的变化关系不明确，特别是在现场复杂生产条件下，CO会出现时有时无的情况，使预测预报的精度和准确率大大降低，甚至出现漏报或误报。 因此，在CO标志气体应用时一定要谨慎，不能单从某一个具体检测值来判断自燃火灾态势，应密切注意CO变化趋势，如果出现连续增长的势头，那么应发出自然发火的预警，并配合相应的防灭火技术措施，另外，建议在现场自然发火预测预报中尽量使用CO的派生指标，如火灾系数等，以排除风流变化的影响。 1.2 C2H4标志气体 在煤层吸附的瓦斯气体中，没有C2H4气体组份，因此可以认为C2H4仅是在煤氧化过程中产生的。 虽然C2H4的现场应用同样也遇到和CO一样的问题，即现场检测到的C2H4可能时有时无、时大时小，但就其临界温度而言，那么具有很大的应用价值。如果现场检测到C2H4那么无可置疑地可以断定煤已经开始自然氧化，并且此时的煤温已经超过其临界温度值（80～120℃），这比单纯用CO又准确了一步，同时也可以根据检测到的C2H4浓度变化的趋势，估计自然发火温度在这一温度段的情况。由于C2H4的出现是煤氧化进入加速阶段的标志，因此，如果井下检测到C2H4应尽快采取措施，否那么很可能在较短的时间内开展为明火火灾。所以在矿井自然发火预测预报工作中，密切注意和观察C2H4的出现及其浓度的变化，对矿井防灭火工作具有十分重大的意义。 1.3 C2H2标志气体 C2H2出现的时间最晚，出现的临界温度值也最高，对于褐煤来说，一般在150～190℃之间。C2H2的出现说明煤的氧化已进入剧烈氧化燃烧阶段，因此它是煤自燃进入燃烧阶段的标志。与CO和烯烃气体相比，其间有一个明显的时间差和温度差，在矿井防灭火工作中，要充分利用这一段时间，积极采取措施，控制和消灭火灾事故，有效地阻止自燃向燃烧阶段开展，防止事故的扩大。 长期的应用与实践说明：如果在井下监测区域内检测到C2H2的存在，那么可以推断在监测区域内某处至少存在已经处于阴燃或明火的高温火点，此时应采取果断的措施，并注意不要将高温体直接暴露于空气中，以免发生明火引燃瓦斯、煤尘等使事故扩大。 1.4 C2H4/ C2H6标志气体比率（烯烷比） 褐煤自然发火过程中，C2H4/ C2H6比值随煤温变化的曲线呈驼峰形，其总规律是起初随着煤温的升高比值逐渐增大，并到达第一峰值，之后随煤温的升高而下降，随着煤的氧化进入剧烈氧化阶段，比值又出现在第二次峰值。平庄六家矿C2H4/ C2H6随煤温的曲线如图1所示。 在C2H4产生的开始阶段，其发生速率快于C2H6的增长速度，因而其比值逐渐增高，并且出现第一次峰值，之后煤的氧化进入了加速氧化阶段，C2H6发生速率高于C2H4的发生速率，因而比值又开始下降，在接近煤的剧烈氧化阶段后，C2H4的发生速率又快于C2H6，这样又出现了第二次峰值。因此，第一次峰值出现是煤开始进入剧烈氧化阶段的标志。 图1 平庄六家矿褐煤C2H4/ C2H6曲线 1.5 链烷比 链烷比主要包括2类：一类是长链的烷烃气体与甲烷的比值（C2H6/CH4，C3H8/ CH4，C4H10/ CH4），另一类是长链的烷烃气体与乙烷的比值（C3H8/ C2H6，C4H10/ C2H6）。链烷比随煤温的变化曲线有类似于上述烯烷比的情况，如图2所示。 图2 平庄六家矿褐煤的链烷比曲线 也就是说，随着温的升高链烷比会表现出时升时降现象，出现类似峰值，但由于褐煤瓦斯赋存量一般都较小，实际生产过程中有时往往检测不到甲烷和乙烷，另外就检测到的甲烷来说，其大局部为吸附气体，氧化生产的甲烷仅占极小的一局部。因此，从预测预报的角度来看，链烷比不适宜作为褐煤自然发火预测预报的指标。 2自燃火灾事故预测预报的实例分析 2.1 火灾事故开展简要经过 2022年6月15日，平庄家矿WⅡN一段6-3炮采工作面采空区开始安装束管采样系统进行采空区自燃“三带〞观测试验，此期间，工作面停止灌浆、洒浆等防灭火措施。为了解决上隅角瓦斯超限的问题，将工作面供风量由原来的220m3/min增加到314m3/min。7月9日上午，该工作面回风流中CO超限，其浓度达0.028％，超前支护段的CO浓度为0.036％，上隅角为0.08％～0.1％，工作面内，由上隅角沿进风方向CO浓度逐渐下降，到距上隅角15m后，CO浓度降至0.0024％以下。7×14日，工作面上隅角及回风流中均检测出一定浓度的C2H4（＜8×10-6），7月17日C2H4浓度开展到13×10-6～14×10-6，7月19日猛增到40.5×10-6。尽管矿方采取各种措施（主要是用沙袋封堵上风侧向采空区的漏风）全力以赴控制和消灭这起火灾事故，但考虑到即将来临的半个月的全矿停产放假以及火灾表现出迅猛并难以控制的趋势等因素。该工作面被迫封闭，并在密闭前方20m的地方重新布置切眼，恢复通风系统。 2.2 采空区自然发火征兆分析 虽然WⅡN一段6-3炮采工作面气体采样分析中一直没有检测到C2H2，但在该工作面采空区气体监测时，早在7月3日1#测点检测出32.2×10-6的C2H2，此时C2H4的浓度也高达278.27×10-6、CO浓度为249×10-6。以此可以看出，至工作面回风流CO超限之前，采空区自然发火曾表现出明显的发火征兆，由于采样管路损坏，CO异常时没有采集采空区气样，无法与工作面气体进行比照分析，但C2H4和C2H2都是表征煤自燃加速氧化和剧烈氧化阶段的标志气体，其浓度到达如此高的程度，说明采空区内确实有高温火源存在，进一步验证了工作面气体分析预测的结果，并且在很短的时间内火灾迅速开展，直至该工作面被迫封闭。 3 褐煤自然发火预测预报标志气体应用的体会 依据单一的CO标志气体，很难判断自然发火态势。由于受风流等因素的影响，单凭回风流或上隅角CO浓度的大小变化的小范围波动很难做出火势增强或减弱的预测，但当浓度发生数量级的跃迁时，如果能排除风流影响，那么可以做出火势增强的预警，但还很难判断火灾开展到何种程度，只有参考C2H4、C2H2