霍西煤田生辉煤业煤层CO气体来源分析

段贤斌，毕建乙

（山西临汾西山生辉煤业有限公司 山西 临汾 041000）

0 引言

山西、内蒙古等地在回采自燃煤层工作面时，经常发生工作面回风隅角一氧化碳浓度超限现象[1]，煤因氧化而产生CO气体已被众人所认同。

一部分科研工作者赞成煤体在破碎阶段形成CO气体：工作面采机割煤生产期间，把煤分子结构的共价键破坏而发生煤分子脱羰现象，生成CO气体；另外破煤过程会生成自由基，并和氧气反应而产生CO气体。

另一部分科研工作者赞成煤体含有原生CO 气体，具体如下：朱红青等[2]通过自主设计的恒温充氮解吸装置及隔氧取样，实测出深部矿井煤样所含有CO气体解吸量，借助恒温氧化实验开展校正，证明煤层赋存原生CO气体量为0.15 L/t。

研究煤层原生CO 分布规律方法主要有：利用解吸法对煤层CO进行测定[3]；借助研磨和溶解试验分析煤层原生CO分布规律[4]；利用统计分析方法研究原生CO含量。以上研究方法都发现煤层自身含有原生CO气体，然而并没有充分分析在施工钻孔时煤体吸附所生成的CO 气体。为深入研究此问题，本文以山西焦煤西山煤电生辉煤业原始煤层开展试验研究，钻孔施工完毕后，通过向孔内注入浓度较高的氮气以将孔内气体置换出来，借助抽气泵对孔内气体进行抽取，使钻孔成为负压状态，接着开始抽气研究，减小因施工钻孔及煤体不断氧化过程所形成的CO气体对试验所造成的影响，实现有效分析煤层赋存原生CO的可能性。

1 钻孔探测原理

现阶段科研工作者对于煤层赋存原生CO 气体所持的观点如下：煤层产生CO 气体阶段主要是漫长的成煤过程，在地质运动的作用下使得煤层暴露，其中一定体积的CO 气体转移到古大气中，在煤强烈的吸附影响下一定体积的CO 气体扩散至煤层孔隙裂缝中，最终产生煤层原生CO气体。在回采揭露煤层之前如果存在原生CO 气体，主要通过2 种形式赋存在煤体内，一是通过游离态赋存在煤体裂缝孔隙中，二是通过吸附态赋存在煤体裂缝孔隙的外表。研究煤对气体吸附规律发现：当气体压力下降或者温度增加时，气体将从吸附态向游离态转化。通过对原始煤层打钻同时进行封堵处理，钻孔底部将产生密闭空间，将孔内气体用纯度较高的氮气置换出来，在充分去除因施工钻孔所形成的CO 气体后，开始对钻孔内密闭空间气体进行抽取，人工造成钻孔密闭空间的负压状态。如果煤层存在原生CO气体时，CO气体将由吸附态转为游离态，扩散到密闭气室，导致钻孔内气体压力开始增大，直到与煤体中游离气体达到压力平衡。根据钻孔内气体组成和浓度判断煤体是否存在原生CO气体。

2 探测方案

为研究煤层是否存在原生CO 气体，借助原位钻孔探测手段进行分析。

2.1 试验地点

试验地点选在山西焦煤集团西山煤电公司生辉煤业9#煤层一采区回风巷北侧所开采工作面停采线之外上部，该处煤层没有受采动破坏，有良好地质条件，地质构造简单。此试验设计探测钻孔3 个，具体见图1。3个钻孔的长度为30 m，1号钻孔位于一采区回风巷贯位以东10 m，每间距20 m布置2号钻孔和3号钻孔。

图1 探测钻孔位置情况

2.2 钻孔设计

探测钻孔施工参数见表1，探测钻孔密闭及内部管路布置情况如图2所示。钻孔施工完毕后，将2根厚壁6 mm 的高压软管安设在钻孔内（钻孔底部0.5 m 区域设计为花管），1 根管路作为取样管同时作为出气管，1根管路作为注氮管。封孔方式选用囊袋式“两堵一注”工艺，外囊袋离孔口有2 m 距离，内囊袋离孔口有29 m距离，钻孔最外段2 m范围使用聚氨酯密封。

表1 探测钻孔施工参数

图2 探测钻孔密闭及内部管路布置情况

2.3 气体采集

在原生CO 气体探测时必须先将钻孔施工和封孔阶段煤氧化生成的CO 完全清除，同时要防止所形成的CO气体停留在观测气室内。因此在钻孔施工完后需立即进行封孔，同时向钻孔内注入纯度达99.99%的氮气将钻孔内气体置换出，之后将高压软管的取样嘴关闭。

对钻孔气体进行置换阶段，借助压力高达15 MPa的氮气检测钻孔的密封情况，控制减压阀低压端的压力为1.4 MPa之后，此时2号、3号钻孔压力表读数很快升高到1.4 MPa，保持2 h 之久，却没有发生显著减小，表明2号、3号钻孔没有漏气，封孔效果良好；1号钻孔压力表显示为零，说明1 号钻孔封孔不严，存在漏气。在采集气体时，借助抽气泵对钻孔内气体进行抽取，为避免取样管残留的气体对试验产生影响，排空初始气体。气体取样完成后，将取样嘴阀门关闭，接着将抽气泵关闭。由于现场实际氧气浓度存在前期变化显著、后期变化缓慢的现象，设置前期每间隔1 d进行取气，后期每间隔2 d 或3 d 进行取气。封孔情况如图3 所示，采集气样情况如图4所示。

图3 封孔情况

图4 采集气样

3 测试结果分析

3.1 试验结果

对3个探测钻孔进行封孔并观测，发现1号钻水很多，整个过程总是向外冒水，表明钻孔没有完全密封住，1号钻孔失效，而2号、3号钻孔封孔良好。通过气相色谱分析发现，钻孔内充满氮气、氧气、一氧化碳、二氧化碳及少量甲烷，其中氧气、一氧化碳浓度变化曲线如图5所示。

3.2 钻孔内气体变化规律

由图5 发现，初次采气时，具有较高的氧气浓度，说明在施工钻孔时巷道中的氧气转移到钻孔内。封孔完成之后，2号钻孔CO 气体浓度达到107×10-6，3号钻孔CO气体浓度达到205×10-6，说明施工钻孔时煤体发生氧化。伴随时间延长，钻孔内氧气与一氧化碳浓度呈现基本一致的变化规律，通过对钻孔内气体进行抽取发现，第1天～6天（2021年9月29日～10月4日）钻孔内氧气与CO 气体浓度发生明显减小，氮气浓度开始逐步增大，原因是抽取钻孔内气体导致的，再次说明钻孔具有封孔质量较高。第6天～12天（2021年10月4日～10月10日），钻孔内气体浓度发生缓慢减小，原因是处于非置换环境中普通抽采泵无法将钻孔抽取成完全真空导致的。第12天后，钻孔内依然存在少量氧气（浓度小于2%），氧气浓度下降趋势较小，气相色谱仪持续7天没有测定到CO。

图5 钻孔内氧气和一氧化碳浓度变化曲线

3.3 CO来源分析

钻孔施工完成前期测定到CO 气体的源头主要有三种情况：（a）煤常温氧化生成CO 气体；（b）钻孔施工破煤产生；（c）前两种来源综合作用的结果。

（1）煤常温氧化生成CO 气体。在施工地点采集煤样，通过试验室机器破碎，要求煤样粒径范围为0.2 mm～0.25 mm，在锥形瓶内装入100 g 煤样并密封进行常温氧化试验。图6 为CO 浓度随着时间的变化曲线。从图6 发现，在常温下煤样发生氧化反应而生成CO气体，伴随时间变化，CO气体量逐步升高。经过400 h 后，CO 气体浓度逐渐降低，原因是煤样对CO 气体吸附的速度高于氧化生成CO 气体的速度，表明处于空气环境中的自燃煤样，在常温恒温条件下能氧化生成CO 气体。贾海林等[5]通过试验研究发现处于低温环境中的煤羰基能裂解生成CO 气体，伴随羰基官能团数量减少，裂解生成的CO气体量也在下降。

图6 常温氧化生成的CO气体浓度随时间变化规律

（2）破煤生成CO 气体。把采集煤样置于密封条件下，分别注入氮气和空气气体开始破碎，随破碎时间延长，生成CO 气体浓度变化规律如图7 所示。从图7发现，不管煤样处于什么气体环境——空气还是氮气，在破碎阶段都可以生成CO气体，而且CO气体生成量伴随时间延长而不断升高。破碎的煤样越多，所生成的CO 气体量越高。在氮气环境下生成的CO 气体量比空气环境下生成的CO气体量少。试验结果表明在工作面采煤机破煤、移架、放顶煤、施工钻孔等作业环节，均会发生因为破碎煤体而生成CO气体。

图7 破煤过程生成的CO气体浓度随时间变化规律

3.4 CO逐渐减小直至消失分析

在施工钻孔时，因常温氧化以及破煤所形成的CO气体附着在钻孔内壁上。封孔和用氮气置换气体后，钻孔内氧气很难完全被置换，余下的氧气和煤体开始常温氧化反应，形成CO气体。在氧气浓度小于5%时，常温条件煤体与氧气的反应被阻碍。由图4 发现，氧气浓度小于2%时，煤体与氧气的氧化反应停止，这时钻孔内CO 气体的来源有三种可能：（a）成煤过程中的原生CO；（b）施工钻孔时所附着在钻孔内壁的CO再次发生解吸；（c）以上2种原因共同导致。

在常温常压作用下，煤对混合气体的吸附——解吸试验结果证明，煤吸附混合气体的强弱排序：二氧化碳＞一氧化碳＞甲烷＞氮气；预氧化温度不同条件的煤样在二次氧化前期，吸附甲烷的能力比氮气强，吸附氮气的能力比氧气强。通过煤吸附不同气体的特征研究得到，煤竞争吸附气体的情况不但和煤吸附单一气体的能力相关联，而且与被吸附气体的分压力大小相关。当气体分压力越大，就具有越强的竞争吸附能力，所以会出现置换吸附能力大、分压力小的气体，吸附能力小、分压力大的气体现象。当钻孔内CO 气体与氧气浓度都很小时，氮气分压力占比较大，处于煤体表面的氮气将置换吸附在煤体上的CO 气体和氧气，由煤中解吸出一部分CO 气体和氧气，氮气立即附着在煤体新的吸附位置处。所以伴随时间的变化和之后负压抽取钻孔内气体，施工钻孔时形成的CO 气体源源不断由煤体中被氮气置换出来，最终负压抽出，最终导致CO 气体量大幅度减少直到难以测定出。如果煤层有原生CO 气体，那么将会以CO 气体源头源源不断补充，由吸附态解析为游离态，接续扩散到钻孔密闭气室中，钻孔内就会一直有CO气体存在。试验结果表明，2号和3号两个钻孔持续3 d都没有测定出CO气体，因此判断煤层成煤过程中未产生原始CO气体。

4 结论

（1）在没有采掘活动影响地点的煤体没有测定出煤层存在原生CO 气体，施工钻孔密封之后测定出CO气体，判定其源头是施工过程破煤导致的。

（2）属于Ⅱ类自燃的煤层，在恒温常温环境中可以氧化生成CO 气体，新鲜煤体在暴露前期可氧化生成一定体积的CO气体。

（3）通过测试分析矿井CO 气体产生的机理与来源，能够更好地指导分析综放面回风隅角出现大量CO气体的原因，修正预测煤自燃指标CO 气体的预报临界值，有助于预测分析工作面采空区煤自燃发生情况。