路青，朱令起，2，郭立穩(wěn)，2

(1.河北聯(lián)合大學(xué)，河北唐山063009;2.河北省礦業(yè)開發(fā)與安全技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，河北唐山063009)

礦井火災(zāi)是煤礦公認(rèn)的五大災(zāi)害之一，采空區(qū)自燃火災(zāi)發(fā)現(xiàn)及檢測(cè)更為困難［1-3］。礦井火災(zāi)發(fā)生后，由于其復(fù)雜性及多變性，而且內(nèi)因火災(zāi)火源發(fā)生地點(diǎn)多位于采空區(qū)或破裂煤柱內(nèi)，火源點(diǎn)較為隱蔽，即便是找到火源點(diǎn)，救援人員也難以接近并實(shí)施直接滅火［4，5］。采空區(qū)內(nèi)由于漏風(fēng)持續(xù)供氧，自燃火災(zāi)發(fā)生發(fā)展速度較快，并且采空區(qū)內(nèi)由于局部瓦斯積聚極易發(fā)生瓦斯爆炸。因此，正確分析火區(qū)燃燒產(chǎn)物對(duì)預(yù)報(bào)預(yù)測(cè)自然發(fā)火、安全啟封火區(qū)密閉、避免重大安全事故有重要意義。

1 自燃火災(zāi)燃燒產(chǎn)物

指標(biāo)氣體是指火災(zāi)生成物中獨(dú)有的，能夠表征生成量與相應(yīng)溫度并能進(jìn)行預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)火災(zāi)的氣體［6-10］。指標(biāo)氣體分析法是應(yīng)用最為廣泛、也較為簡(jiǎn)潔的一種方法，這種方法也稱為間接溫度法，是最適用和有效的方法。它主要是通過測(cè)定煤層自然發(fā)火過程中產(chǎn)生的一系列能夠反映煤炭氧化和燃燒程度的指標(biāo)氣體，如CO、CO2、C2H4、C2H2、C3H6、C2H6等，這些氣體的產(chǎn)生量隨著煤炭溫度的升高而發(fā)生顯著變化，有著較為嚴(yán)格的對(duì)應(yīng)關(guān)系［9］。因此，利用指標(biāo)氣體產(chǎn)生量的變化來進(jìn)行煤層火災(zāi)的早期預(yù)報(bào)得到了廣泛的應(yīng)用［11，12］。

近年來，我國在指標(biāo)氣體應(yīng)用方面做了大量工作。表1-1總結(jié)了煤自燃指標(biāo)氣體的種類及其在我國的應(yīng)用現(xiàn)狀。世界主要產(chǎn)煤國家預(yù)報(bào)煤炭自燃發(fā)火的指標(biāo)氣體見表1-2。

表1-1 預(yù)測(cè)煤自燃發(fā)火的指標(biāo)氣體及應(yīng)用

表1-2 主要產(chǎn)煤國家預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)自然發(fā)火的指標(biāo)氣體

目前，國內(nèi)外用于預(yù)報(bào)預(yù)測(cè)煤自然火發(fā)指標(biāo)氣體主要有 CO、C2H6、CH4、C2H4、C2H2、△O2(△O2為 O2消耗量)、H2等及其生成的輔助性指標(biāo)。在我國指標(biāo)氣體大多用來預(yù)報(bào)預(yù)測(cè)煤炭的自然發(fā)火，但如何用指標(biāo)氣體判定自燃的燃燒狀態(tài)研究的較少。

2 自燃火災(zāi)燃燒狀態(tài)判定指標(biāo)的實(shí)驗(yàn)研究

通過研究開灤礦區(qū)預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)自然發(fā)火的指標(biāo)氣體氣體，得出了一系列火災(zāi)燃燒組分。與烷比分析方法類似，比值法測(cè)定一般是在同一條件下測(cè)定，因此，利用比值法可以更好排除外界環(huán)境的影響，從而進(jìn)行燃燒狀態(tài)判定和預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)。

(1)CH4/(C2H6+C3H8)指標(biāo)

圖1表明，當(dāng)東歡坨煤礦煤體發(fā)生緩慢氧化過程中，隨著溫度的不斷升高，CH4濃度與烷烴類氣體濃度的相對(duì)比例)持續(xù)降低，C H+C H濃度與烷烴類氣體濃度的相對(duì)比例增加，此時(shí)氧化程度逐2638漸加強(qiáng)，當(dāng)溫度達(dá)到200～220℃時(shí)，該比值接近于2，隨后隨溫度的升高，該比值又開始增大。這種相對(duì)比例的增減規(guī)律有助于判斷火區(qū)火勢(shì)是否得到控制或熄滅。當(dāng)火勢(shì)衰減時(shí)比值應(yīng)逐漸增加;當(dāng)火勢(shì)熄滅時(shí)，該值穩(wěn)定于一個(gè)最大值。由圖1可知，當(dāng)溫度達(dá)到220～240℃時(shí)，此比值開始增加，煤的氧化過程開始進(jìn)入劇烈氧化階段。同范各莊礦、唐山礦和錢家營礦煤樣升溫氧化實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)比較，如圖2所示。所有煤樣的變化趨勢(shì)基本一致，當(dāng)溫度達(dá)到220℃時(shí)，該比值由大逐漸減小至接近2，隨后又開始增加。

歸納分析結(jié)果，利用CH4/(C2H6+C3H8)判定燃燒狀態(tài)時(shí)，當(dāng)該比值接近2時(shí)，表明此時(shí)煤體溫度已達(dá)到220℃，煤開始進(jìn)入劇烈氧化階段。

表3 CH4/(C2 H6+C3 H8)判定標(biāo)準(zhǔn)

用該指標(biāo)進(jìn)行自然發(fā)火預(yù)報(bào)時(shí)，由于曲線在下降和上升階段無法進(jìn)行確定準(zhǔn)確的溫度，只能在曲線最低點(diǎn)確定準(zhǔn)確的溫度，但此時(shí)溫度已經(jīng)達(dá)到220℃左右，煤已經(jīng)處于加速氧化階段，不適合作為預(yù)測(cè)指標(biāo)，但可以進(jìn)行燃燒狀態(tài)分析，結(jié)合其它指標(biāo)確定火源所處狀況。

(2)C2H6/C2H4

東歡坨煤礦煤樣在升溫氧化過程中C2H4和C2H6出現(xiàn)的溫度差不多，C2H6在125℃開始出現(xiàn)，在140℃同時(shí)發(fā)現(xiàn)了乙烯和乙烷，通過分析得知，隨著溫度的升高，C2H6的生成量增加的速度較慢，而C2H4的產(chǎn)生量速度較快，并在180～200℃趕上并超過C2H6。此時(shí)C2H6氣體產(chǎn)生量增長(zhǎng)速度不大，而C2H4在200℃以上其產(chǎn)生量大幅度上升，尤其當(dāng)溫度達(dá)220℃以上時(shí)，則急劇上升。由此可知，C2H6/C2H4比值隨著溫度的上升而減小。

范各莊礦、唐山礦和錢家營礦升溫氧化實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)表明，C2H4和C2H6同時(shí)出現(xiàn)的溫度基本上保持在160℃左右，隨著溫度的升高，C2H6的生成量增加的速度較慢，而C2H4的產(chǎn)生量速度較快，二者的比值逐漸減小，在220～240℃左右趕上并超過C2H6。此時(shí)C2H6氣體產(chǎn)生量增長(zhǎng)速度不大，而當(dāng)溫度達(dá)240℃以上時(shí)，C2H4產(chǎn)生量急劇上升。見圖3和圖4。

因此，可以利用C2H6/C2H4比值的大小來判斷煤層內(nèi)部溫度，并進(jìn)行預(yù)報(bào)。由實(shí)驗(yàn)我們可以確定C2H6/C2H4的預(yù)報(bào)臨界值，即當(dāng)C2H6/C2H4=1.5～5時(shí)，說明煤體內(nèi)溫度達(dá)140～170℃，當(dāng)C2H6/C2H4＜1時(shí)，說明煤體內(nèi)的溫度已達(dá)190～200℃，甚至更高。由此分析得知，當(dāng)C2H6/C2H4比值大于5時(shí)，此時(shí)煤體溫度達(dá)到160℃左右，此時(shí)煤的自燃進(jìn)入加速氧化階段;隨著乙烯產(chǎn)生量的增加，該比值逐漸減小，當(dāng)該比值為1.5時(shí)，此時(shí)煤體的溫度保持在220～240℃左右;隨著溫度的升高，該比值繼續(xù)減小，當(dāng)比值小于1時(shí)，煤體的溫度保持在240℃以上。

歸納分析結(jié)果，利用C2H6/C2H4判定燃燒狀態(tài)時(shí)，當(dāng)該比值大于5時(shí)，表明此時(shí)煤體溫度已達(dá)到160℃，煤開始進(jìn)入加速氧化階段，此時(shí)必須采取防滅火措施;當(dāng)比值等于5時(shí)，煤體溫度達(dá)到220℃;當(dāng)比值小于1時(shí)，煤體溫度應(yīng)經(jīng)達(dá)到240℃以上。

表4 C2 H6/C2 H4判定標(biāo)準(zhǔn)

該指標(biāo)與溫度之間呈現(xiàn)單調(diào)遞減趨勢(shì)，而且比值越大，對(duì)應(yīng)的溫度越低，可以作為預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)的輔助指標(biāo)氣體。

(3)CO/O2

東歡坨煤礦CO的產(chǎn)生量與氧氣濃度的比值在整個(gè)檢測(cè)范圍內(nèi)隨煤體溫度的升高基本上呈現(xiàn)逐漸增高的趨勢(shì)，規(guī)律性比較明顯。通過前文分析，該礦煤層由于微孔發(fā)育，CO釋放速率較其他礦快，因此，相對(duì)應(yīng)的溫度較低。從實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析可知，當(dāng)溫度低于90℃時(shí)，該比值小于1，此時(shí)煤處于緩慢氧化階段;當(dāng)溫度低于140℃時(shí)，該比值小于5，此時(shí)煤開始進(jìn)入加速氧化階段;當(dāng)溫度高于140℃后，該比值持續(xù)增大，煤開始進(jìn)入劇烈氧化階段，直到產(chǎn)生明火。

表5 CO/O2判定標(biāo)準(zhǔn)

由圖5分析可知，CO/O2比值可比較容易的判定自然發(fā)火的發(fā)展?fàn)顩r，當(dāng)R=CO/O2小于1時(shí)，此時(shí)CO產(chǎn)生量較少，煤體處于緩慢氧化階段，煤體溫度低于90℃;隨溫度的升高，煤體進(jìn)入加速氧化階段，氧含量逐漸降低，CO生成量增加，其比值逐漸增大，當(dāng)R=5時(shí)，此時(shí)煤體溫度可達(dá)到140℃左右，隨后煤體進(jìn)入劇烈氧化階段，直至產(chǎn)生明火。

分析實(shí)驗(yàn)結(jié)果，與東歡坨礦CO/O2的變化規(guī)律基本相似，當(dāng)比值小于1時(shí)，對(duì)應(yīng)的煤體溫度為110℃左右，煤總體處于緩慢氧化階段，此時(shí)產(chǎn)生的CO量較少;隨著溫度的升高，CO開始大量產(chǎn)生，O2濃度開始下降，該比值開始大于1，當(dāng)該比值等于5時(shí)，此時(shí)對(duì)應(yīng)的煤體溫度為160～170℃;隨著氧化程度的加劇，該比值繼續(xù)升高，對(duì)應(yīng)的煤體溫度繼續(xù)增加，直至明火階段。

歸納分析上述結(jié)果，利用CO/O2判定燃燒狀態(tài)時(shí)，當(dāng)該比值小于1時(shí)，表明此時(shí)煤體溫度已接近90℃，煤開始由緩慢氧化階段進(jìn)入加速氧化階段，此時(shí)應(yīng)采取措施進(jìn)行防滅火最為有效;當(dāng)比值等于5時(shí)，煤體溫度達(dá)到140℃;當(dāng)比值大于5時(shí)，煤體溫度應(yīng)經(jīng)達(dá)到140℃以上。

該指標(biāo)數(shù)值顯現(xiàn)溫度范圍較窄，對(duì)應(yīng)的溫度較低，而且呈現(xiàn)嚴(yán)格的單調(diào)性，因此可以替代CO指標(biāo)進(jìn)行預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)。

(4)CO2/CO

通過前文分析，由于CO2、CO均易受外界環(huán)境的影響，因此，在利用該指標(biāo)進(jìn)行預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)過程中應(yīng)加以注意。

在同樣情況下，采用二者的比值則消除了外界環(huán)境的影響，相比而言預(yù)測(cè)準(zhǔn)確度則顯得更為符合實(shí)際。圖7表明，當(dāng)該比值大于50時(shí)，表明此時(shí)煤體溫度在70℃以下，煤開始發(fā)熱;隨著溫度的升高，CO2/CO的比值呈現(xiàn)指數(shù)形式下降，表明此時(shí)煤體進(jìn)入加速氧化階段，隨著氧氣的降低，煤發(fā)生氧化反應(yīng)不充分，CO產(chǎn)生量快速增大，當(dāng)溫度達(dá)到240℃以后，CO2/CO的比值接近于一常數(shù)2.5，在整個(gè)過程中，CO/O2隨著溫度的升高而增大。

范各莊礦等煤樣CO2/CO比值與東歡坨礦變化規(guī)律基本一致，如圖8所示。煤體溫度小于70℃時(shí)，該比值大于50，在70～240℃左右該比值大于2.5;此后隨著溫度的升高，該比值略有增加，增加的幅度不大。

歸納分析結(jié)果，利用CO2/CO判定燃燒狀態(tài)時(shí)，當(dāng)該比值大于50時(shí)，表明此時(shí)煤體溫度已接近70℃，煤開始由緩慢氧化階段逐步進(jìn)入加速氧化階段，此時(shí)應(yīng)采取措施進(jìn)行防滅火最為有效;當(dāng)比值接近2.5時(shí)，煤體溫度達(dá)到240℃。

表6 CO2/CO判定標(biāo)準(zhǔn)

其比值變化特征與CO及烷、烯烴類指標(biāo)氣體分析結(jié)果一致，并且消除了井下風(fēng)流影響。比值結(jié)果不僅能夠依據(jù)比值變化規(guī)律來反映井工礦采空區(qū)煤自然發(fā)火特征，而且還可以根據(jù)比值大小來直接判定采空區(qū)煤自然發(fā)火危險(xiǎn)程度，進(jìn)一步準(zhǔn)確快速指導(dǎo)采空區(qū)的防滅火工作，但同ICO指標(biāo)相比，當(dāng)煤體溫度超過70℃以后，對(duì)應(yīng)的溫度范圍較寬，只能作為預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)的輔助指標(biāo)氣體。

3 結(jié)論

通過實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分析，得出了4條判定火源燃燒狀態(tài)的判定標(biāo)準(zhǔn):

(1)利用CH4/(C2H6+C3H8)判定燃燒狀態(tài)時(shí)，當(dāng)該比值接近2時(shí)，表明煤已經(jīng)處于加速氧化階段，該指標(biāo)不適合用來預(yù)報(bào)預(yù)測(cè)煤炭的自然發(fā)火。

(2)C2H6/C2H4判定燃燒狀態(tài)時(shí)，比值越大，對(duì)應(yīng)的溫度越低，可以作為預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)的輔助指標(biāo)氣體。

(3)CO/O2指標(biāo)具備指標(biāo)氣體的各個(gè)特征，可以替代CO指標(biāo)進(jìn)行自然發(fā)火的預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)。

(4)CO2/CO指標(biāo)比值大于50時(shí)，表明此時(shí)煤體溫度已接近70℃，煤開始由緩慢氧化階段逐步進(jìn)入加速氧化階段，此時(shí)應(yīng)采取措施進(jìn)行防滅火最為有效;當(dāng)比值接近2.5時(shí)，煤體溫度達(dá)到240℃。

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