渝陽礦煤層自燃標志氣體及臨界值的研究

廖 禮

（松藻煤電有限責任公司渝陽煤礦，重慶市綦江區，401448）

渝陽礦煤層自燃標志氣體及臨界值的研究

廖 禮

（松藻煤電有限責任公司渝陽煤礦，重慶市綦江區，401448）

煤炭科學研究總院重慶研究院對渝陽煤礦送去的煤樣進行了化驗分析，得出M8煤層屬Ⅱ類自燃煤層的結論，臨界溫度為180℃，對煤自然發火原因、機理進行了研究，找出煤層自然發火規律，確定煤層自燃標志氣體及臨界值；針對煤層的自燃特點，研究煤自燃預測預報技術，提高了煤自燃預測預報的準確率，并采取針對性措施防止煤層自燃。

煤層自燃 指標氣體 臨界值 研究

1 煤層自燃傾向性鑒定結果

1.1 煤樣工業分析及自燃傾向性試驗結果

渝陽煤礦屬重慶松藻煤電有限責任公司的一對在生產礦井，設計能力0.45Mt／a，1971年投產，經技改擴能產量達0.9Mt／a，可采M7、M8、M11三層煤。

渝陽煤礦按規定在北三區集中回風下山施工取樣孔對M8煤層進行取樣，并委托重慶煤科院對煤樣進行分析鑒定，煤樣工業分析及自燃傾向鑒定結果：水分Mad為0.94%，灰分Ad為16.25%，揮發分Vdaf為10.36%，全硫St，ad為3.12%，真相對密度dTRD為1.51，吸氧量Vd為0.85cm3／g干煤，自燃傾向性Ⅱ類。

1.2 煤樣升溫氧化試驗結果

煤中的碳、氫等元素在常溫下就會發生氧化反應，生成一氧化碳、甲烷及其他烷烴物質可燃物。在對煤樣進行升溫氧化試驗時，煤樣升溫氧化過程中氣體產物及其濃度變化見表1，臨界溫度為180℃。

2 自燃標志氣體

根據表1數據可繪制出煤樣最低溫度、最高溫度和進氣溫度的對應關系和煤樣生成氣體隨時間變化的曲線圖，見圖1和圖2。由升溫氧化實驗結果看出：煤升溫氧化氣體產物的生成規律是，一氧化碳（CO）出現最早。CO是煤在氧化過程中出現的最早的氧化氣體產物，并貫穿于整個氧化過程。首選的自燃標志氣體是CO，并得出自燃臨界量為0.1497%，可采用CO相對量和變化率為自燃趨勢預測預報指標。

表1 煤樣升溫氧化過程中氣體濃度變化

3 煤層最短自然發火期實驗結果

3.1 自然發火期解算模型

式中：τ——煤層最短自然發火期，d；

Cip、Ci＋1p——煤在溫度為ti、ti＋1時的比熱容；

ΔWp——ti、ti＋1溫度段內煤樣的水分蒸發量，%；

λ——水蒸發吸熱，J／kg；

Q′——瓦斯解吸熱，J／m3

Δμp——ti、ti＋1溫度段內煤樣的瓦斯解吸量，m3／kg。

煤樣在不同溫度下的吸附瓦斯量按下述經驗公式計算：

n——系數，可用下式確定：

式中：P——瓦斯壓力，kPa；

q（ti）、q（ti＋1）——煤樣在溫度為ti、ti＋1時的放熱速率，J／（kg·min）；

按下式計算：

式中：nco（t）——給定條件下的CO發生率，mol／（kg·min）；

nco2（t）——給定條件下的CO2發生率，mol／（kg·min）；

no2（t）——給定條件下的耗氧量，mol／（kg·min）；

qa——煤與氧化學吸熱，kJ／mol；

由于煤在常溫到90℃溫度段內的水分蒸發量較小，所以近似認為水分的蒸發主要在90～120℃溫度段內完成。

3.2 解算結果

解算得松藻煤電公司渝陽煤礦M8煤層N2806工作面煤樣實驗最短自然發火期為87d，煤樣最短自然發火期計算見表2。

4 N2805區域密閉取樣化驗異常分析

4.1 基本情況

N2805運輸巷和回風巷于2006年9月形成封閉，從2006年9月至2010年3月17日救護隊取樣化驗結果均無CO出現。從2010年4月8日開始，N2805運輸巷密閉墻內CO出現超限現象，呈上升趨勢，N2805運輸巷密閉取樣化驗見表3。N2805運輸巷CO最大達到0.079%，并立即對N2805區域密閉進行打孔注馬麗散，N2805運輸巷密閉采取了注黃泥漿。

表2 煤樣最短自然發火期計算表

表3 N2805運輸巷密閉取樣濃度化驗表

4.2 取樣化驗分析

（1）N2805回風巷密閉無論外漏、內漏，CO濃度變化都不大，只有2010年5月30日，煤樣CO濃度為0.0030%，其余幾天均為0，可排除N2805回風巷附近煤層自燃的可能性，或者說采取注馬麗散的措施取得較好的效果。

（2）N2805運輸巷密閉外漏時，CO濃度高達0.0790%，內漏時較小。因此N2805運輸巷附近存在煤層自燃的可能性仍然很高；內漏、外漏時CO濃度相差較大，說明漏風量大，即注馬麗散措施和注黃泥漿的措施取得的效果都不是很明顯。

（3）N2803回風巷密閉內漏、外漏一直以來相差就不大，說明原來該密閉質量還是比較好的，一周時間都在0.0023%以內，也可以排除N2803回風巷附近煤層自燃的可能性。

（4）N2803運輸巷密閉自發現CO異常以來，最高CO只有0.0032%，只有2010年5月30日煤樣CO濃度為0.0012%，其余幾天均為0，也可以排除N2803運輸巷附近煤層自燃的可能性。

4.3 結果分析

（1）確定發生自然氧化的地方是N2805運輸巷附近煤體。

（2）格雷哈姆系數法判別：式中：R1——第一火災系數，%；

R2——第二火災系數，%；

R3——第三火災系數，%；

＋△CO2——CO2的增加量，即測定地點空氣成分中的CO2減去入風流中的CO2量；

＋△CO——CO的增加量，即測定地點空氣成分中的CO減去入風流中的CO量；

－△O2——O2的增加量，即入風流中的CO2減去測定地點空氣成分中的O2量。

根據表3測得數據，由公式（5）、（6）、（7）可以計算出N2805運輸巷密閉附近煤體的火災系數：R1＝38.5%，R2＝0.361%，R3＝1.75%。

一般以R2作為主要指標，R1作為輔助指標，R3主要用于風流狀態變化很大的時候。正常情況下，R2小于0.5%、R2大于0.5%時，應高度警惕；R2大于10%時，已經發生火災。本次CO異常情況R2＝0.361%，小于0.5%，因此判別煤層未發生火災，處在自熱期。

（3）目前的情況來看，自燃沒有發生，只是存在漏風源供給煤體緩慢氧化所需要的氧氣，在氧氣不充分的條件下氧化，產生一氧化碳。

5 結論

（1）首選的自燃標志氣體是CO，可采用CO相對量和變化率為自燃趨勢預測預報指標。

（2）根據煤樣升溫氧化試驗結果，采用最短自然發火期模型解算得煤樣最短自然發火期為87d。

（3）煤層自燃標志氣體臨界指標。通過對N2805區域密閉CO異常情況的分析來看，在風流相對穩定的情況下，CO超過0.07%并呈上升趨勢，應高度警惕可能已發生火災；在風流不穩定的情況下，可能由于缺氧抑制煤的自燃，即使達到了0.07%的臨界值，也會因缺氧自動熄滅，因此無所謂臨界值，但是達到0.07%也應高度重視，采取措施；在流動空氣少的均壓狀態下，均壓的狀態會因為自燃產了氣體而打破，并會隨著氣體的釋放而恢復出現呼吸現象，導致CO濃度忽高忽低。

（4）煤層自燃溫度臨界指標。標志氣體與煤溫之間并非簡單的一一對應關系。標志氣體是在實驗室條件下優選的，由于現場條件的復雜、多變，在標志氣體的使用過程中，應結合現場實際加以補充、修正。由于礦井發生火災時，溫度不易檢測到，因此還需要做大量的工作來修正，在未修正前，溫度臨界指標以實驗室得出結論180℃為指標。

（5）由于常溫、常壓下，煤會與空氣發生氧化反應，且掘進爆破作業、施工鉆孔等因素都會產生CO，因此在風流中檢測出CO時應進行定點、定時連續觀測；當檢測出的CO氣體濃度有穩定增加的趨勢時，才可判斷回風流的上風側產生高溫點或自燃火源。

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［3］ 崔洪義，王振平，王洪權.煤層自然發火早期預報技術與應用［J］.煤礦安全，2001（12）

［4］ 王伯順，邵輝，石必明.煤炭自燃預測指標氣體的試驗研究［J］.煤礦開采，2001（1）

［5］ 呂品.煤炭自然發火指標氣體的試驗研究及其應用［J］.中國煤炭，2000（4）

Research on sign gas and critical value of coal spontaneous combustion in Yuyang Mine

Liao Li
（Yuyang Mine，Chongqing Songzao C＆E Co.，Ltd.，Qijiang，Chongqing 401448，China）

Chongqing Research Institute of CCRI did the chemical analysis on the coal samples from Yuyang Mine，and obtained the conclusion that M8coal seam belongs to class II spontaneous combustion coal seam，and the critical temperature is 180℃.The causes of coal spontaneous combustion and mechanism have been studied，and the coal spontaneous combustion law has been found out，and the sign gas and critical value of coal spontaneous combustion have been determined.Aiming at the characteristics of coal spontaneous combustion，the paper has researched the prediction technology for it，which has improved the prediction accuracy of coal spontaneous combustion，and then the corresponding measures can be taken to prevent coal seam spontaneous combustion.

coal spontaneous combustion，index gas，critical value，research

TD752

A

廖禮（1985－），男，2007年畢業于華北科技學院安全工程專業，學士學位，助理工程師，主要從事煤礦通風安全及瓦斯防治工作，現任松藻煤電有限責任公司渝陽煤礦通風科副科長，并取得國家注冊安全工程師執業資格。

（責任編輯 張艷華）