東龐礦北井自然發火標志氣體的優化選擇

朱拴成

（煤炭科學研究總院經濟與信息研究分院，北京市朝陽區，100013）

東龐礦北井自然發火標志氣體的優化選擇

朱拴成

（煤炭科學研究總院經濟與信息研究分院，北京市朝陽區，100013）

采用程序升溫實驗，研究了東龐煤樣的自燃特性，測定了煤樣在不同熱解溫度下一氧化碳、二氧化碳、甲烷、乙烯、乙炔等氣體的濃度，確定了這些氣體的檢出溫度。對比指標氣體優選原則，分析了自然發火指標氣體隨溫度變化的規律性，選出了適合東龐礦煤層自然發火預測預報的指標氣體。

自然發火 指標氣體 預測預報 東龐礦

1 礦井概況

東龐礦北井地處河北省邢臺市，9202工作面是東龐礦北井9＃煤層第一個工作面，開采方式為綜采放頂煤。9＃煤層屬Ⅱ類自燃煤層，有自然發火傾向性，含硫量較高，煤層自然發火期為67 d；有煤塵強爆炸危險性，屬低瓦斯煤層。

2 實驗裝置與測試

2.1 測試目的

煤炭氧化和熱解過程中會產生多種氣體，氣體的成分和濃度與煤溫有對應關系，因而可用作預報煤炭自燃的標志性氣體。本實驗將研究東龐礦北井標志性氣體的出現溫度及其濃度與溫度的關系，為煤炭自燃早期預測預報打好基礎。

2.2 實驗系統

本次實驗采用CSC－B2煤低溫自燃實驗臺測試煤樣，該實驗系統由4個組成部分。

（1）煤升溫氧化裝置。該裝置由煤樣罐、加熱爐和保溫殼組成。煤升溫氧化裝置的關鍵是把煤樣準確加熱到實驗所需溫度并能維持在該溫度上，使煤樣在該溫度內充分氧化，并且要求整個裝置的氣路簡單、密閉。為此重點對煤樣罐進行了改造，增加了密封墊。

（2）煤溫檢測和溫控裝置。實驗過程中，將其中的一個溫度傳感器布置在煤樣中，用來檢測煤溫，另一個溫度傳感器布置在煤罐壁上，用來檢測罐壁的溫度。

（3）氣體分析系統。本實驗采用GC－4000A系列氣相色譜儀對加熱過程產生的氣體進行分析，該儀器由電氣控制單元、分析單元和氣路控制單元組成。分析單元主要是由色譜柱恒溫箱、熱導檢測器恒溫加熱塊、汽化室加熱塊和轉化爐組成。

（4）供風系統。供風系統由空氣壓縮機、流量計和管路構成，氧化煤樣用的空氣由空氣壓縮機供給，通過流量計、管路進入氧化爐。

2.3 實驗條件

（1）加熱爐。升溫速率：100℃以內為1.3℃/min；100～200℃為4℃/min。

（2）氣相色譜儀。柱箱溫度60℃，熱導溫度100℃，汽化溫度150℃，轉化溫度360℃，橋絲溫度30℃，TCD載氣H2純度99.99%，FID N2純度99.99%，H2純度99.99%。

2.4 煤樣的采取與制備

煤樣采自新暴露的煤層表面，采取7個煤樣，分別取自9202工作面上隅角、9202回風巷、9202工作面運輸巷、9202工作面、9202工作面下隅角、9021集中軌道巷、集中軌道上山。采樣后立刻放入事先準備好的塑料袋中并加以密封，運至實驗室。試驗時打開密封袋，將大塊煤進行粉碎，裝入加熱爐內進行加熱。

本次實驗使用煤樣為1000 g，除大塊的煤做人工粉碎外，其余基本上是原采取的煤樣，與采空區遺煤在物理化學性質方面比較接近，因此實驗結果與實際情況較相符。

2.5 實驗方法及實驗過程

在實驗過程中，將1000 g的煤樣粉碎后裝入煤樣罐，煤樣罐兩端留有2 cm左右自由空間，用不銹鋼網與煤樣隔開。煤樣罐垂直放入加熱爐，其底部有進氣管，由空氣壓縮機向煤樣罐供空氣，由轉子流量計控制進氣流量；煤樣罐頂部有出氣管，流出的氣體由集氣裝置進行收集，然后注入氣相色譜儀進行分析。煤樣罐中心布置有溫度傳感器，以測試煤樣的核心溫度，煤樣罐罐壁布置溫度傳感器，以測試罐壁的溫度。

實驗的溫度范圍為室溫到200℃左右，進氣流量為60 ml/min。具體升溫過程：100℃以內：先以約1.3℃/min的速度將煤溫升高20℃，然后保持煤溫恒定15 min后，再以約1.3℃/min的速度將煤溫升高20℃，然后保持煤溫恒定15 min，依次類推；100～200℃內：先以約4℃/min的速度將煤溫升高20℃，然后保持煤溫恒定20 min后，再以約4℃/min的速度將煤溫升高20℃，然后保持煤溫恒定20 min，依次類推。

3 實驗結果數據分析

3.1 一氧化碳與煤溫的變化關系

一氧化碳濃度隨溫度的變化曲線見圖1，由圖1可知：

（1）一氧化碳的產生量在27.2～60℃之間，呈現先升高后降低的趨勢，在60℃之后隨著溫度的升高而升高。

（2）綜合7個煤樣的實驗結果得出，60℃之前出現的一氧化碳為煤體自身所含的吸附態的一氧化碳和煤樣自燃產生的一氧化碳之和，60℃之后產生的一氧化碳僅為煤體自燃所產生的一氧化碳，根據40℃時產生的一氧化碳濃度可得一氧化碳出現的臨界溫度為30℃。

（3）在60～120℃之間，一氧化碳增加的幅度較小，煤的氧化速度較慢。

（4）在60～120℃之間，一氧化碳與煤溫基本呈現冪函數關系。

（5）從120℃開始，一氧化碳濃度隨溫度的升高而增加的幅度變大，表示煤已經進入了加速氧化階段。

由以上分析可知，煤樣從低溫開始，經過緩慢氧化和加速氧化階段，均有一氧化碳的釋放，并且隨溫度變化出現了一定的規律性。可見，一氧化碳是檢測煤炭早期自燃非常靈敏的指標，可以用來作為東龐礦北井預測煤自燃的指標氣體。

圖1 一氧化碳濃度隨溫度的變化曲線

3.2 二氧化碳與煤溫的變化關系

二氧化碳濃度隨溫度的變化曲線見圖2，從圖2可知：

（1）二氧化碳從溫度27.2℃時開始出現。

（2）在40℃以前，二氧化碳的產生量隨溫度升高而升高。

（3）40℃以后，二氧化碳的濃度呈現出頻繁的起伏變化，規律性不明顯。

（4）二氧化碳易受井下外界環境的影響，這是可能導致二氧化碳產生量頻繁起伏變化的原因，而且二氧化碳產生量的規律性不明顯，所以二氧化碳不宜作為東龐礦北井預測煤自燃的指標氣體。

圖2 二氧化碳濃度隨溫度的變化曲線

3.3 甲烷與煤溫的變化關系

甲烷濃度隨溫度的變化曲線見圖3，由圖3可知：

（1）甲烷的出現大致在30℃左右，7＃煤樣的甲烷產生濃度與其他煤樣的相差較大，分析可得7＃煤樣中富含吸附態的甲烷氣體。

（2）整個升溫過程中除7＃煤樣外，甲烷的產生量相對較小，120℃以前，甲烷的增長幅度較小，120～140℃時，其濃度增加的幅度較大。

（3）140℃以后，甲烷的產生量相對較多。綜合7個煤樣分析，甲烷的變化規律呈現的規律性不明顯，不可作為指標氣體。

圖3 甲烷濃度隨溫度的變化曲線

3.4 乙烷與煤溫的變化關系

乙烷濃度隨溫度的變化曲線見圖4，由圖4可知：

（1）各煤樣在100℃之前，乙烷的變化趨勢差異性較大，在100℃之后總體上呈現上升趨勢。

（2）在140℃以前，乙烷的濃度值相對較小，140℃以后，乙烷的增長幅度開始變大。

（3）各煤樣測得的乙烷數據在100℃之后呈現較為明顯的規律性，所以乙烷可以作為東龐礦北井預測煤自燃的指標氣體。

圖4 乙烷濃度隨溫度的變化曲線

3.5 乙烯與煤溫的變化關系

乙稀濃度隨溫度的變化曲線見圖5，從圖5可知：

（1）在100℃以前，各煤樣乙稀的濃度變化差異性較大，各煤樣濃度差異較大，其中6＃煤樣呈現明顯的波動趨勢。

（2）100℃之后，乙稀的濃度變化逐漸趨向規律性。在140℃以后，乙烯的濃度隨溫度的升高基本呈現出增長的趨勢。

由以上分析可知，可將乙烯作為東龐礦北井預測煤自燃的指標氣體。

圖5 乙稀濃度隨溫度的變化曲線

3.6 烯烷比（C2 H4/C2 H6）與煤溫的變化關系

烯烷比濃度隨溫度的變化曲線見圖6，由圖6可知：烯烷比隨溫度的升高基本呈現出先升高后降低的趨勢，但是，各煤樣的溫度上升或下降并非發生在同一個溫度段。與此同時，6＃煤樣和7＃煤樣與其他煤樣之間的差異性明顯。無明顯的規律性，所以烯烷比（C2H4/C2H6）不宜作為東龐礦北井預測煤自燃的指標氣體。

圖6 烯烷比濃度隨溫度的變化曲線

3.7 乙炔與煤溫的變化關系

乙炔濃度隨溫度的變化曲線見圖7。在全部的7個煤樣實驗數據中，只有6＃煤樣（9021集中軌道巷）和1＃煤樣（9202工作面上隅角）出現過大幅度的波動，其余煤樣的乙炔濃度較小，所以乙炔不宜作為東龐礦北井預測煤自燃的指標氣體。

圖7 乙炔濃度隨溫度的變化曲線

4 指標氣體的優選

4.1 指標氣體的選擇標準

煤氧化產生的氣體產物種類及其與煤溫的對應關系隨煤質不同而異，因此，利用氣體分析法來預報煤炭自燃時，指標氣體應滿足如下條件：

（1）可檢測性。普通色譜分析儀能檢測到指標氣體的存在。

（2）敏感性高。當煤炭氧化且煤溫超過一定值時，指標氣體一定出現，并隨煤溫的升高其產生量穩定增加。

（3）規律性好。指標氣體的濃度與煤溫之間應有良好的對應關系，并且對同一煤層重復性較好。

4.2 灰色關聯分析與標志氣體的優選

通過自然發火模擬試驗裝置對東龐礦北井的7個煤樣進行升溫試驗，對試驗結果分析可得到適合本試驗的標志氣體為CO、C2H6、C2H4。經計算，各個可選標志氣體與煤自燃氧化溫度之間的關聯度見表1。

表1 模擬升溫與各煤樣標志氣體相對關聯度

由表1可以看出，溫度與CO的相對關聯度最高，C2H6次之，C2H4的相對關聯度最低。故在140～200℃內，即自燃的初期階段選用CO作為本實驗的指標氣體可信度較高，鑒于C2H6的相對關聯度也較高，令其作為本實驗的輔助指標氣體，可以提高預測的準確度。

5 指標氣體的確定

通過對東龐礦北井7個煤樣的升溫氧化實驗數據分析，可以把一氧化碳和乙烷作為東龐礦北井預測煤自燃的指標氣體。

（1）只要檢測到一氧化碳的存在，說明發火點溫度已經達到了30℃以上，如果一氧化碳的濃度持續增加，說明煤的氧化進一步加強。因此，一氧化碳是首選指標，只要發現井下一氧化碳持續存在，并且是不斷增加的，就是煤炭自燃的可靠象征，一氧化碳作為預報的溫度為30～200℃。

（2）乙烷的靈敏度較高，準確性較好，只要檢測到乙烷，便可以判定自燃進入了加速氧化階段，預報溫度為140～200℃。

（3）在140～200℃這段溫度范圍內用一氧化碳和乙烷同時作為指標氣體，旨在保證預測的準確性，因此在檢測到一氧化碳的同時，需同時檢測到乙烷的含量。一旦發現一氧化碳含量持續增加，而乙烷同時出現，表明煤自燃已進入加速氧化階段。

［1］ 王云.礦井火災預防與處理［M］.北京：煤炭工業出版社，1992

［2］ 王省身，張國樞.礦井火災防治［M］.徐州：中國礦業大學出版社，1990

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Optimization of index gases for coal spontaneous combustion in North well of Dongpang Mine

Zhu Shuancheng
（Branch of Economy and Information，China Coal Research Institute，Chaoyang，Beijing 100013，China）

The spontaneous combustion characteristics of coal samples fromDongpang Coalmine were determined by programmed heating experiment.The concentrations and initial emission temperatures of CO，CO2，CH4，C2H4，C2H2were measured.According to the optimization principle of the index gas，the laws of index gases varied with the temperature were analyzed and the index gases suitable for the prediction and forecast of coal spontaneous combustion of Dongpang Coalmine were determined.

spontaneous combustion，index gas，prediction and forecast，Dongpang Mine

TD752.2

A

朱栓成（1982－），男，河南方城人，工程碩士，注冊安全工程師，現任煤炭科學研究總院經濟與信息分院編輯出版中心主任，一直從事礦山安全工程及科技期刊的編輯出版和經營管理工作。

（責任編輯 張艷華）