賈文東

（同煤集團挖金灣虎龍溝煤業(yè)有限公司，山西 大同037042）

1 引言

采空區(qū)煤炭自然發(fā)火是煤礦開采的主要危害之一，在煤炭自燃災(zāi)害發(fā)生的早期階段對其進行預(yù)警是礦工生產(chǎn)中井下防滅火工作的基礎(chǔ)[1-3]，只有做到了準(zhǔn)確、適時地對煤層火災(zāi)進行預(yù)報，才能及時采取預(yù)防煤層火災(zāi)措施[4,5]。煤的燃燒是一個化學(xué)變化的過程，期間會放出多種氣體。所以在進行煤炭自然發(fā)火預(yù)測的時候，可以利用這個原理對氣體變化進行監(jiān)測，去推測自燃煤所處階段，這個技術(shù)中，最重要的是指標(biāo)性氣體的確定，這關(guān)乎著整個防滅火工作的成敗[6,7]。

為了解某礦5#煤自然發(fā)火標(biāo)志性氣體，選取5#煤層81503工作面煤樣進行自然發(fā)火標(biāo)志性氣體指標(biāo)實驗研究。

2 實驗方案及結(jié)果

煤自燃過程伴隨熱量釋放與積聚，從分子化學(xué)的角度來看，其內(nèi)部的煤基質(zhì)受外部環(huán)境影響，發(fā)生了化學(xué)反映。分子的橋鍵發(fā)生斷裂，并與存在的自由基分子發(fā)生化學(xué)合成作用，重新組合形成了多種產(chǎn)物，其中最主要的氣體產(chǎn)物是CO、CH4、C2H4以及C2H6。

2.1 實驗方案

煤樣采于該礦5#煤層，粉碎、篩分后，選取粒徑為0～80 目的煤粒80 g，運用實驗室中的智能煤升溫氧化實驗裝置，如圖1 所示，對所取煤樣進行程序升溫-氣象色譜實驗研究。根據(jù)以往經(jīng)驗和防滅火要求，指標(biāo)性氣體的監(jiān)測主要為CO、CH4、C2H4以及C2H6。

圖1 智能煤升溫氧化實驗裝置示意圖

該礦井下溫度一年中時常穩(wěn)定于25℃左右，并且按照煤體自燃氧化過程發(fā)展客觀趨勢以及該煤礦特定的防滅火要求，進行30℃常溫條件及連續(xù)升溫條件下煤炭自燃氧化規(guī)律實驗，明確自燃標(biāo)志性氣體。

2.2 煤升溫氧化實驗結(jié)果

2.2.1 30℃溫度條件下的煤樣氧化實驗

實驗中，維持溫度為30℃，以供風(fēng)量為變量，將供風(fēng)量設(shè)置為50 mL/min、80 mL/min、125 mL/min 以及165 mL/min，相當(dāng)于實時風(fēng)速為0.1 m/min～0.32 m/min，并且設(shè)置通風(fēng)時間270 min，通過改變供風(fēng)量進行煤樣氧化實驗。圖2為整個不同漏風(fēng)強度下CO變化。

圖2 30℃不同漏風(fēng)強度下CO變化曲線

從圖2可以看出：在保持溫度為30℃，改變供風(fēng)量的實驗情況下，CO產(chǎn)生量在相應(yīng)供風(fēng)量條件下變化不大，除空氣流量在80 mL/min 時CO氣體濃度略有上升外，其余實驗條件下，CO 產(chǎn)生量變化趨勢均與供風(fēng)量的增大呈現(xiàn)反比，并且不同條件下，CO 產(chǎn)生量濃度差較小，沒有出現(xiàn)大的變化，趨于穩(wěn)定。在相應(yīng)的供風(fēng)量情況下，實驗過程中CO釋放量差距變化不大，差距最大僅為10 ppm。

通過實驗分析可以看出，當(dāng)該礦煤樣供風(fēng)量在50 mL/min，相當(dāng)于采空區(qū)實時風(fēng)速達到0.10 mL/min 時，煤樣CO產(chǎn)生量最大，達到了平均每分鐘產(chǎn)生15.0 mL，但是隨著時間的變化，煤樣氧化程度在呈現(xiàn)著逐漸降低的趨勢。這個現(xiàn)象說明該礦所取煤層煤樣在此實驗情況下，氧化自燃能力最強。所以應(yīng)進行供風(fēng)量為50 mL/min的程序升溫煤樣氧化分析。

圖3 30℃氧化實驗風(fēng)速與CO濃度關(guān)系表

圖3 可看出，隨著供風(fēng)量的增強，實驗中煤樣的CO 釋放量在呈現(xiàn)著逐漸減少趨勢。說明此礦5#煤層煤樣在供風(fēng)量條件為50 mL/min～80 mL/min，相當(dāng)于采空區(qū)實時風(fēng)速達到0.1 mL/min～0.17 mL/min的情況下，氧化自然發(fā)火能力達到了最強。這個階段的時候，發(fā)生煤炭自燃的危險性較高。當(dāng)供風(fēng)量是156 mL/min，就是說，采空區(qū)風(fēng)速為0.34 mL/min 的時候，該礦煤樣氧化能力較弱，CO最大釋放量僅為8 ppm左右。

2.2.2 煤樣程序升溫實驗結(jié)果及分析

從試驗裝置供風(fēng)系統(tǒng)向程序升溫箱進行新鮮風(fēng)流的供應(yīng)，當(dāng)設(shè)置供風(fēng)量是的時候，進行正常氧濃度下實驗，對該礦所取煤樣的氧化速度和指標(biāo)性氣體的變化情況的溫度極限進行研究。下圖描述了在實驗進行的全過程中所產(chǎn)生的CO 的變化趨勢，能夠反映溫度的提升與CO生成量之間的相關(guān)關(guān)系。

圖4 煤樣氧化升溫過程CO的變化情況

由圖4 可以看出，實驗溫度升至30℃的時候煤樣開始釋放CO 氣體，且濃度只有5 ppm。在溫度升至67℃之前，CO 濃度的增幅均是比較平緩的，僅在19 ppm～135 ppm 之間，當(dāng)實驗溫度升至68℃時，氣體濃度發(fā)生急劇增加，濃度達到了280 ppm，到73.5℃時CO濃度達到324 ppm；在溫度為73.5℃～113.4℃的階段，CO 釋放量的變化出現(xiàn)了急劇上升的增長趨勢，CO 的濃度從原來的200 ppm 左右直接上升到了1 300 ppm左右，達到了上個階段濃度的6倍。

由此可以看出，CO氣體的生成量隨著溫度是在逐漸增加的。但是在此過程中，CO增幅并不是均勻變化的，當(dāng)達到某個溫度值時會出現(xiàn)突變。從圖中可以看到，在38℃時就出現(xiàn)了CO，濃度在幾十個ppm左右，在70℃左右時CO 出現(xiàn)了第一次急劇增加的現(xiàn)象；在100℃左右時CO出現(xiàn)了第二次急劇上升的趨勢。

圖5 煤樣氧化升溫C2H2、C2H4變化情況

由圖5 可以看出，溫度為262.8℃時C2H2首次出現(xiàn)，此后逐步消失；C2H4在溫度為101℃的時候第一次檢測到，并且在溫度為175℃之前，C2H4釋放量的增長是較為緩慢的，在101℃～170℃時釋放量濃度的增加幅度較小，在溫度達到180℃以后增加幅度加快，當(dāng)溫度達到200℃左右的時候，C2H4釋放量出現(xiàn)了急劇上升的變化趨勢，到262.8℃時，C2H4釋放量達到了188.38 ppm，在此之后階段雖然釋放量隨溫度的升高在繼續(xù)增加，但幅度不大。C2H4最高濃度達到了330.61 ppm。

圖6 煤樣氧化升溫過程C2H6的變化情況

由圖6可以看出，C2H6在152.3℃開始出現(xiàn)，升溫氧化過程中隨著溫度的升高增加，沒有明顯變化拐點。

3 自然發(fā)火標(biāo)志性氣體分析

結(jié)合實驗室實驗分析以及該煤礦實際開采條件，當(dāng)煤樣程序升溫氧化試驗到達了煤基質(zhì)熱裂分解反應(yīng)時，該礦煤樣所釋放氣體主要由以上分析的4 種。從上述分析中可以看出，在進行煤自燃災(zāi)害預(yù)報的時候選擇指標(biāo)性氣體應(yīng)該采用以CO 為主，C2H4為輔的指標(biāo)預(yù)測體系。

3.1 CO氣體

（1）當(dāng)溫度達到30℃的時候，開始出現(xiàn)了CO，但是，CO濃度較低，大約在十幾ppm，此狀況說明，所取煤樣在這個溫度的情況下就已經(jīng)發(fā)生了低溫氧化情況，開始釋放CO氣體。但是，如果隨著時間的推移，CO濃度沒有出現(xiàn)持續(xù)增加的現(xiàn)象，說明這個時候位于采空區(qū)內(nèi)的遺煤,只是處于氧化升溫的前期，沒有火災(zāi)發(fā)展趨勢，不需要采取防滅火措施；

（2）當(dāng)以CO 氣體為指標(biāo)氣體進行預(yù)報時，要在煤樣氧化第一個階段之前（70℃）進行。因為，當(dāng)煤炭氧化程度到達一級氧化階段后，其能力將迅速增強，氧化速度急劇增加，若此時才預(yù)報，為時已晚，已不能夠準(zhǔn)時對煤炭自燃進行防治；

（3）在該礦井煤炭防滅火實際工作中，當(dāng)采用CO作為該礦煤層預(yù)測預(yù)報煤炭氧化自燃標(biāo)志性氣體時，相應(yīng)的溫度與CO 釋放量、CO 釋放速率等相關(guān)參數(shù)指標(biāo)如表1所示。

表1 煤炭氧化自燃標(biāo)志性氣體參數(shù)

以CO 氧化速率增幅為標(biāo)志：介于1.5～2 ppm/℃時，應(yīng)進行預(yù)報，當(dāng)增幅超過2 ppm/℃，要采取強制措施；以CO 氣體濃度為標(biāo)志：介于20 ppm～80 ppm，應(yīng)進行預(yù)報，當(dāng)度大于80 ppm～120 ppm時應(yīng)采取措施。

3.2 C2H4 氣體

C2H4可以當(dāng)做輔助性的指標(biāo)性氣體在進行該礦煤炭自然發(fā)火預(yù)測時發(fā)揮作用。一句以上程序升溫氧化實驗結(jié)果可以看出，當(dāng)實驗溫度達到100.9℃開始出現(xiàn)，隨著實驗溫度的逐漸增大，C2H4的產(chǎn)生量逐漸增大，并且在180℃階段出現(xiàn)了陡增。所以在以該氣體進行預(yù)測預(yù)報的時候，若開始出現(xiàn)C2H4，且其濃度在逐漸增大，可以認(rèn)為這是該礦煤炭開始出現(xiàn)自燃發(fā)火的征兆，并且采空區(qū)內(nèi)溫度已經(jīng)達到了100℃以上的高溫，應(yīng)盡快采取措施，防止災(zāi)害的發(fā)生。

4 結(jié)論

結(jié)合實驗室實驗以及該煤礦實際開采現(xiàn)場分析，能夠得到以下結(jié)論：

（1）當(dāng)溫度為30℃的時候，該礦井5#煤層煤樣能夠釋放出CO氣體。

（2）該礦煤層工作面，當(dāng)采空區(qū)漏風(fēng)強度達到每分鐘0.1 mL～0.2 mL的時候，煤炭氧化程度較為強烈，采空區(qū)遺煤更傾向于自然發(fā)火。

（3）當(dāng)采空區(qū)溫度在30℃～50℃時，煤炭氧化時候的CO 釋放量與溫度呈現(xiàn)出了正相關(guān)的關(guān)系，且增幅較大。溫度繼續(xù)增加，當(dāng)上升至70℃的時候，CO 釋放量急劇增加。50℃～70℃時期是自燃預(yù)報與防治主要時期。

（4）該礦應(yīng)采用以CO氣體為主，以C2H4氣體為輔的預(yù)測自燃?xì)怏w指標(biāo)。