聚鑫龍煤礦煤炭自然標志性氣體的實驗與分析

引言：本實驗為了了解聚鑫龍煤礦煤炭在不同粒徑下的自然氧化規律，通過對聚鑫龍煤礦工作面煤樣的氧化熱解模擬實驗，繪制了各種氧化熱解產生的指標性氣體如CO，C2H4，CO2等氣體，在不同粒徑的煤樣進行熱解實驗產生的氣體濃度隨溫度變化曲線，分析煤樣的自燃過程，以此掌握不同粒徑的煤樣下的自燃過程狀況，從而掌握該礦工作面與采空區的煤炭自然規律，并針對聚鑫龍煤礦煤樣自燃的特點制定有效合理的煤炭自燃發火防止措施，為本礦的高效生產提供安全保障，同時對于同類型煤礦的防火工作也具有一定的指導意義。

礦井火災是煤礦生產過程中主要的自然災害之一，內因火災是礦井火災的主要類型，而煤炭自然是導致內因火災的主要原因。我國存在煤炭自燃的礦井占礦井總數的56%，具有自燃發火危險的煤層數占累計可采煤層數的60%；煤炭自然而引起的火災數占礦井火災總數的85%-90%[1]。煤自燃指標氣體指能預測和反映煤自然發火狀態的某種氣體，這種氣體的產率隨煤溫上升而發生規律性變化。煤炭自燃后隨著氧化程度的不同將依次逸出各種氣體，這些氣體的出現及其釋放量基本能準確反應煤炭的自燃程度。因此，準確地分析煤炭自燃逸出氣體及數量，可以更好的進行煤炭自燃的治理[2]。

但是各種指標性氣體的產生受到多種因素的影響，所以要結合不同煤礦和煤樣的具體情況以及實驗研究相結合的方法，找出礦井火災自燃指標性氣體濃度在不同粒徑與不同溫度下的變化情況，來確定不同風量對本礦井煤炭自燃的影響。但是在礦井的實際情況下很難進行研究，所以實驗室的模擬實驗研究成為當前情況下較為合理可行的方法。本實驗在程序升溫的條件下測定不同粒徑的氣體產生量，以分析不同風量下的煤的自燃特性，這對于研究本礦煤炭自燃機理、預測和防止煤層自燃具有重要的意義[3]。

1實驗裝置系統

為了研究聚鑫龍煤礦的煤炭的自熱過程中在不同的溫度下與不同的粒徑下釋放出的氣體的成分與濃度的變化情況，進而為確定煤炭的不同粒徑對煤炭自燃的影響情況提供理論與實驗依據，本實驗設計制造了模擬煤炭自燃的實驗系統。

該試驗系統主要由四個部分組成：

（1）氧化熱解裝置：由煤樣罐、恒溫加熱箱和保溫層組成；

（2）通氣系統：由空氣泵、緩沖罐、流量計和通氣管道組成，氧化煤樣用的空氣由風機供給， 通過流量計、管路進入氧化爐的底部的環形管， 為了使氣流均勻， 在環形管的兩側和下部鉆有小孔；

（3）氣體分析裝置：采用GC4000A氣相色譜儀，配以氫焰檢測器和熱導檢測器組成，熱導檢測器（TCD）：靈敏度S≥5000mv.ml/mg（苯） ；噪聲≤0.1mv 氫火焰離子化檢測器（FID）：靈敏度M≤1×10-11g/sec；噪聲≤5×10-14A；

（4）煤溫檢測及溫度控制裝置：煤溫由插入煤體的熱電偶和毫伏特表配合測定，煤溫的控制由程序自動控制精度為0.1℃。

2實驗方法

根據氧化試驗的需要和采樣標準，在新暴露煤壁采集新鮮煤樣，并現場密封，然后運至實驗室。實驗時打開密封袋，將大塊煤粉碎，實驗粒徑0～7mm。實驗煤樣為200克，分別取0～1mm、1～3mm、3～7mm煤樣放入加熱爐內進行試驗。

確認實驗儀器狀態良好，各種相關儀器運行正常后，向煤樣罐中加入待測煤樣。以60mL/min的穩定流量向煤樣罐中通入標準干空氣。插入熱電偶采集煤樣的實時溫度，開啟數據采集與控制系統加熱煤樣至30℃，將恒溫加熱箱設定為1℃/min程序升溫，煤樣溫度從30℃開始，在30℃～310℃每隔20℃利用氣相色譜儀對恒溫加熱箱出口的各種氣體濃度進行測定，在310℃～400℃每隔30℃利用氣相色譜儀對恒溫加熱箱出口的各種氣體濃度進行測定，并記錄，當煤樣溫度升高到400℃實驗停止。

3實驗結果與分析

在試驗中測定了各種煤樣在不同溫度與不同粒徑下的CO，CO2，C2H6，C2H4的濃度值。

3.1 煤炭自燃指標氣體的選取

選擇適當的指標性氣體是應用氣體分析法進行煤炭自燃早期預報的前提。而指標性氣體一般認為應具備以下幾個基本特征：（1）靈敏性：當煤炭發生自熱且煤溫升高到一定程度時，該氣體一定會出現，并隨著煤溫的升高其生成速率穩定增加；（2）規律性：在一定區域范圍內的各種煤樣在熱解時，出現該氣體的最低溫度基本相同，其生成速率的變化與煤溫之間有較好的對應關系且重復性較好；（3）可測性：現有檢測儀器能夠檢知并能滿足檢測要求[4]；（4）唯一性：僅因燃燒才會出現的氣體；（5）單調變化性：濃度隨溫度單調上升或下降，呈現較強的規律性；（6）早期呈現性：指標氣體必須在煤炭發生早期出現，以便于及早進行預警[5]。

3.2 實驗結果分析

根據實驗結果繪制了煤樣中的CO、C2H4和CO2 各氣體濃度隨溫度變化的曲線如圖1、2、3 所示。

（1）煤氧化過程中，CO、CO2氣體析出隨氧化溫度的升高，由緩慢增加變至急劇增加。綜合3個煤樣的CO檢測出的溫度，可以認為聚鑫龍礦CO出現的臨界溫度為30℃左右，而3個煤樣在210℃～230℃時出現斜率增大的情況，并且呈現單調遞增的趨勢，以此可認為聚鑫龍礦的CO發生速率臨界溫度為210℃。在低溫氧化的情況下會產生大量的CO2氣體，而CO2一般不做指標性氣體在此僅作為煤樣燃燒速率變換情況的參考氣體。

（2）C2H4在氧化過程中的析出規律與CO和CO2相似，也是隨著溫度的升高有緩慢增加到快速上升。3組煤樣中0～1mm組產生C2H4的起始溫度最低大約在150℃左右但是生成量很小，而3組煤樣產生氣體的溫度平均在200℃左右，所以認為聚鑫龍煤礦的C2H4的出現臨界溫度在200℃左右。目前一般認為C2H4與煤溫之間的關系明確而又簡單，環境對C2H4產生的影響很小，因而許多國家都趨向于在測定CO的同時也測定C2H4值[6]。

4結論

（1）通過實驗研究，聚鑫龍煤樣在氧化過程中有規律的出現CO氣體，其生成量隨煤溫的升高而增大，因此CO可作為預報煤炭自燃的標志性氣體，C2H4 作為輔助指標氣體而C2H6 不能作為指標氣體。

（2）煤樣的熱解實驗氣體濃度隨溫度變化圖表明：當煤溫升至約200℃左右時，檢測到的指標氣體CO濃度隨煤溫升高迅速增加；當煤溫升高到300℃時C2H4濃度迅速增加；若條件合適，煤樣將很快進入煤炭著火狀態。因此，聚鑫龍煤礦采空區與工作面來說，當能同時檢測CO 、C2H4氣體，并且其氣體濃度穩定增大時，必須引起高度重視，應立即采取有效措施控制煤的氧化自燃。

（3）溫度一定時煤樣熱分解生成的CO 、CO2 及C2H4 濃度均隨粒徑變小而增大故針對聚鑫龍煤礦的煤的粒徑越小煤的自燃性越強。

參考文獻

[1]王德明.礦井火災學[M].徐州：中國礦業大學出版社，2008.

[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.

[3]王云.礦井火災預防與處理[M].北京：煤炭工業出版社，1992.

[4]謝振華，金龍哲，任寶宏.煤炭自燃特性與指標氣體的優選[J].煤礦安全，2004，（2）：10-12.

[5]朱令起，周心權，謝建國，朱迎春.自然發火標志氣體實驗分析及優化選擇[J].采礦與安全工程學報，2008，25（4）：440-444.

[6]謝振華，金龍哲，宋存義.程序升溫條件下煤炭自燃特性[J].北京科技大學學報，2003，25（1）：12-14.

（作者單位：中國礦業大學（北京）資源與安全工程學院）