陸凱 劉東 尹彬

摘 要：煤炭自燃在我國煤礦開采的過程中是重要難題和主要災害，尤其是在較淺埋藏、容易自燃的煤層綜采放頂煤回采過程中煤炭自燃時有發(fā)生。通過絕熱氧化法和程序升溫法在對工作面煤層溫升特性和氧化氣體隨溫度的變化規(guī)律進行測試分析的基礎上，得出了氣體濃度隨溫度的變化趨勢，分析了煤氧化溫度與氣體產(chǎn)物的特性。CO的生成量在低溫氧化階段較小，煤溫達到90 ℃之后其生成量迅速增加，CO的生成表明該煤層中的煤發(fā)生了氧化反應，C2H4的生成說明了該煤層的煤溫超過了110 ℃，C2H2的生成則表明該煤層的煤溫已經(jīng)達到了至少200 ℃以上，因此，在開采的過程中要采取積極的防火和滅火措施。

關(guān)鍵詞：煤炭自燃 絕熱氧化 程序升溫 指標氣體

中圖分類號：TD752.1 文獻標識碼：A 文章編號：1674-098X（2015）09（b）-0035-02

采空區(qū)是煤礦井下較易發(fā)生煤自燃的區(qū)域之一[1-2]，據(jù)統(tǒng)計，我國有重點煤礦采空區(qū)內(nèi)發(fā)生的煤自燃占煤自燃發(fā)生總數(shù)的60%[3]。所以，對工作面采空區(qū)的自燃規(guī)律進行研究和分析，可以有效地、有針對性地采取切實可行的防火和滅火措施。不僅大大地提高了綜采工作面生產(chǎn)的安全性，而且也盡可能地降低了綜采工作面的防滅火費用及減少由于自燃發(fā)火所造成的損失，具有重要的經(jīng)濟和社會意義。煤層自然發(fā)火基礎特性的測試研究是掌握火源分布規(guī)律、制定治理方案的前提基礎。該文選取同煤大斗溝礦煤業(yè)有限公司4號煤層煤樣作為測試煤樣，對其自燃發(fā)生的難易程度、自熱氧化溫升特性和氧化氣體產(chǎn)物生成規(guī)律進行了分析研究，以全面掌握煤自然發(fā)火特性以及規(guī)律。

1 自燃傾向性鑒定

煤的自燃傾向性，即煤自燃難易程度，是煤低溫氧化性的體現(xiàn)，是煤的內(nèi)在屬性之一。煤的自燃傾向性與煤的氧化能力和氧化過程釋熱強度有關(guān)。易于氧化且在氧化過程釋放熱量多的煤自燃傾向性就強，也就易于自燃。煤自燃傾向性僅僅是煤的氧化性和熱釋放強度的問題，與影響煤自燃的條件如聚熱環(huán)境、風速、空氣濕度和空氣中的氧氣濃度等都沒有關(guān)系[4]。煤自燃傾向性是煤礦防滅火等級劃分的唯一依據(jù)，并且所有防滅火技術(shù)與措施都建立在煤自燃傾向性鑒定基礎之上[5]。

1.1 測試儀器

采用ZRJ—1型煤自燃性測定儀器進行自燃的測定，該儀器是根據(jù)煤自燃傾向性色譜吸氧鑒定法的要求而研制出來的鑒定儀器。該儀器所利用的原理是利用雙氣路流動色譜法，測定煤炭在低溫時可以吸附流態(tài)氧的特性，在限定條件下對吸氧量值進行測定，然后對煤自燃傾向性進行分類。

1.2 測試流程

實驗按照《煤自燃傾向性色譜吸氧鑒定法》GB/T 20104-2006規(guī)定進行。

1.3 測試結(jié)果

按照上述實驗過程對所取煤樣進行實驗。測得煤樣的30 ℃物理吸氧量和自燃傾向性結(jié)果如表1所示。

2 煤自燃氧化溫升特性

煤絕熱氧化實驗主要由絕熱氧化裝置以及溫度采集系統(tǒng)兩個部分組成的，絕熱氧化裝置的目的是使得熱損失達到最小，溫度采集系統(tǒng)則可以實時在線采集煤的溫度。

（1）煤樣選取。

煤樣選取后，必須進行密封儲存，然后運送到實驗室進行分析。采樣前要先去掉煤樣的表面氧化層，然后，將煤樣破碎成為0.18～0.38 mm煤粒，稱取100 g，在環(huán)境溫度為35 ℃的條件下進行空氣干燥，以此煤樣作為實驗煤樣。

（2）絕熱氧化實驗。

將80 g經(jīng)過空氣干燥測試的煤樣放入絕熱煤樣罐內(nèi)進行保存，首先與氣路和溫度傳感器相連接，向煤樣罐中通入氮氣，以此來檢查裝置的密閉性，然后將箱內(nèi)溫度控制在50 ℃恒溫，對煤樣干燥24 h，目的是消除煤低溫氧化過程中所形成的外在水分對煤氧化產(chǎn)熱的影響。干燥以后，在氮氣保護下使煤樣溫度降低到實驗起始溫度40 ℃并穩(wěn)定，然后馬上將氮氣切換為氧氣，并將溫度控制箱內(nèi)的溫度改為0 ℃跟蹤控制，同時，啟動數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)采集煤樣的溫度，并對環(huán)境溫度進行監(jiān)測。

3 煤氧化溫度與氣體產(chǎn)物特性

通過上述方法和步驟對試樣進行絕熱氧化實驗，隨著溫度的升高，煤樣中有不同的氣體生成。

3.1 實驗原始數(shù)據(jù)（見表2）

3.2 氣體濃度隨溫度的變化趨勢

對采集面煤樣實驗的過程中可以發(fā)現(xiàn)，煤樣中氣體的生成情況其濃度是隨時間而進行變化的，具體的變化趨勢如圖1、圖2所示。

3.3 指標氣體分析

由圖1、圖2分析可以發(fā)現(xiàn)，煤樣從40 ℃到200 ℃的溫度范圍內(nèi)，其氧化過程中規(guī)律性地產(chǎn)生了CO、CO2、CH4、C2H6、C3H8和C2H4氣體，在該溫度范圍內(nèi)，此煤樣并沒有生成C2H2氣體。而CO、CO2和CH4是在30℃的時候就開始產(chǎn)生，CH4的生成量相對較小，這是因為在煤樣采集以后，放置的時間過長，煤樣本身吸附的CH4散發(fā)了出來。CO在低溫氧化的時候生成量比較小，但是超過90 ℃后其生成量呈現(xiàn)迅速增加的趨勢，這表明此時煤樣已經(jīng)開始迅速地氧化，物理吸附的作用越來越弱，而相反地，化學吸附和化學反應越來越強。C2H6和C3H8在低溫氧化的時候就出現(xiàn)，但濃度不大；C2H4出現(xiàn)稍晚，110 ℃以后出現(xiàn)且濃度很小。C2H2在40 ℃到200 ℃的溫度范圍內(nèi)沒有出現(xiàn)，表明當溫度高于200 ℃的時候它從才會出現(xiàn)，C2H2的產(chǎn)生也說明了煤樣已經(jīng)發(fā)生了劇烈的化學反應。綜上所述，在采集煤樣時，應該以CO作為指標性氣體，C2H6、C3H8、C2H4、C2H2作為輔助氣體來掌握煤炭自燃的情況；CO的生成表明該煤層中的煤發(fā)生了氧化反應，C2H4的生成說明了該煤層的煤溫超過了110 ℃，C2H2的生成則表明該煤層的煤溫已經(jīng)達到了至少200 ℃以上，因此，在開采的過程中要采取積極的防火和滅火措施。

4 結(jié)語

（1）通過對煤樣煤質(zhì)的分析結(jié)合煤樣自燃傾向性實驗測試數(shù)據(jù)得出該煤層自然發(fā)火等級為二級屬于自燃煤層，研究了煤的氧化升溫特性，得到了4號煤自燃臨界溫度為70.4 ℃，在煤溫達到臨界溫度后自燃進入加速氧化階段。

（2）在實驗室對煤樣進行程序升溫控制測試，得出了氣體濃度隨溫度的變化趨勢，分析了煤氧化溫度與氣體產(chǎn)物的特性，并結(jié)合實際情況得出了在采集煤樣時，應該以CO作為指標性氣體，C2H6、C3H8、C2H4、C2H2作為輔助氣體來掌握煤炭自燃的情況；CO的生成表明該煤層中的煤發(fā)生了氧化反應，C2H4的生成說明了該煤層的煤溫超過了110℃，C2H2的生成則表明該煤層的煤溫已經(jīng)達到了至少200 ℃以上，因此，在開采的過程中要采取積極的防火和滅火措施。通過對煤樣的實驗室研究得出了煤自然發(fā)火特性的基礎參數(shù)，為采區(qū)積極的防滅火措施提供了數(shù)據(jù)支持。

參考文獻

[1] 尹彬.均壓防滅火技術(shù)在蘇海圖煤礦的應用研究[D].阜新：遼寧工程技術(shù)大學，2013.

[2] 賈寶山，尹彬，林立峰，等.堵漏技術(shù)在無煤柱開采防火中的應用[J].火災科學， 2012，21（1）：35-39.

[3] 王德明.礦井火災學[M].徐州：中國礦業(yè)大學出版社，2008.

[4] 秦書玉，趙書田，張永吉，等.煤礦井下內(nèi)因火災防治技術(shù)[M].沈陽：東北大學出版社，1993.

[5] 張榜雄，魏錦平.綜放采場自然發(fā)火防治技術(shù)及實踐[M].北京：煤炭工業(yè)出版社，2008.