煤自燃預測預報多參數指標體系研究*

王福生，王建濤，顧 亮，劉 鵬，孫 超，王 川

(1.華北理工大學 礦業工程學院，河北 唐山 063210；2.河北省礦業開發與安全技術重點實驗室，河北 唐山 063210；3.開灤(集團)有限責任公司 東歡坨礦業分公司，河北 唐山 063018)

0 引言

煤炭自然發火是礦井的主要災害之一[1-2]。礦井火災分為內因火災和外因火災，其中內因火災占礦井火災總數的90%，因此對礦井煤自燃進行準確預測預報極為重要。

煤自燃過程實際上是煤結構中各種基團的復雜反應過程，該過程表現出了良好的分段特征[3]，因此對煤自燃進行分階段預測預報可提高其結果的準確性。目前，主要根據CO，C2H4等標志性氣體的產生溫度點及其濃度隨溫度變化的特征溫度點對煤自燃階段進行劃分[4-7]。煤炭自然發火早期預報主要采用氣體分析法，大多以O2，CO，CO2和其派生指標以及烯烷比和鏈烷比作為指標對單個煤層煤自燃預測預報進行研究[8-12]。經測算，在自燃氧化初期，空氣中所含的CO2占實驗測得的CO2總量的比重很大，這就會使得以CO2作為指標因素時，風量變化對預測結果造成極大的影響，故本文引入N2濃度值，推導出煤自燃氧化實際反應產生的CO2含量，提出了可以將CO生成量與CO2生成量之和作為煤自燃預報指標，該指標不僅能夠有效地消除風量變化的影響，而且貫穿煤自燃氧化過程始終。

煤礦一般由多個煤層組成，同一煤礦不同煤層的煤種所具有的自燃氧化特性不同，因此對于整個礦井的火災防治，應根據各煤層煤種的自燃氧化特性，對各煤層分別建立預測預報指標體系。本文以東歡坨礦5煤層、7煤層、8煤層、9煤層、11煤層和12煤層煤樣為研究對象，采用程序升溫-氣相色譜聯用實驗，通過對各指標氣體隨溫度的變化情況進行分析，以探究同一煤礦不同煤層煤自燃的共性規律，劃分其自燃氧化階段，并確定各階段適用的預測指標及其范圍，建立整個煤礦煤自燃預測預報多參數指標綜合體系，進而運用灰色關聯分析法對各煤層煤自燃不同階段預測指標優先級加以確定，最終設計全礦井煤自燃預報指示方案。研究成果不僅可以提高煤礦自燃預測預報結果的準確性，而且具有良好的可操作性，為煤礦防滅火工作提供了一定的理論指導和參考。

1 煤自燃程序升溫氧化實驗

1.1 實驗設備和樣品采集

實驗裝置是由自制的程序升溫箱和KSS-5690A型號氣相色譜儀組成，如圖1所示。分別從東歡坨礦的5煤層(1#)、7煤層(2#)、8煤層(3#)、9煤層(4#)、11煤層(5#)、12煤層(6#)采集6種煤樣。煤樣直接采自煤壁，采樣前，剝去煤層表面的氧化層，力求新鮮。將采好的煤樣放入多層塑料防水密封袋內，在煤樣袋的標簽上做好采集地點記錄，整理好后運回實驗室，以備分析使用。

圖1 實驗裝置Fig.1 Experimentalsetup diagram

1.2 實驗流程

1)將東歡坨礦采集的6個煤層的新鮮煤樣破碎篩分出粒徑為60～80目的煤粒密封保存，隔絕空氣與水分。

2)將煤樣置于室溫、真空條件下干燥24 h后，利用電子天平稱量80 g干燥煤樣裝入煤樣罐中，以100 mL/min的穩定流量向程序升溫反應爐內通入高純氮氣，維持該運行狀態大于5 min，以盡量脫除設備中存留的氣體。

3)將程序升溫爐溫度設置成27℃，并在此溫度下恒溫運行，維持該狀態至煤樣溫度穩定在27℃且分布均勻。

4)將通入的氮氣流切換為100 mL/min的壓縮空氣，程序升溫箱設為0.5℃/min的程序升溫模式，當煤體溫度達到30℃時開始測定，160℃之前用氣相色譜儀每隔10℃對氣樣組分和濃度進行分析一次，之后每隔20℃分析一次。煤溫達到260℃后，終止實驗。

2 各煤樣自燃階段劃分及溫度范圍確定

通過各煤樣程序升溫氧化實驗，測得在煤自燃氧化過程中有CO2，CO，CH4，C2H6，C2H4產生，并伴隨O2消耗。利用Origin軟件繪制了各氣體組分濃度隨溫度變化的曲線，通過分析各氣體濃度隨溫度的變化規律，結合煤自然發火程度量化識別指標[7]進而劃分煤自燃階段，并確定各煤層煤自燃不同階段的溫度范圍。

2.1 非烴類氣體濃度隨溫度的變化規律

1) O2，CO和CO2濃度隨溫度變化的曲線如圖2所示。

在煤自燃初期，無CO產生，但CO2濃度隨溫度已呈現遞增趨勢，O2含量下降，說明該階段已經發生了煤氧復合反應，當1#～6#煤樣溫度分別到達80，100，70，70，80，80℃時，開始產生CO氣體。

圖2 O2，CO和CO2濃度隨溫度變化的曲線Fig.2 The concentration of O2, CO and CO2 varying with temperature

2)隨著溫度的升高，CO濃度呈指數形式遞增，當1#～6#煤樣溫度分別到達100，120，110，100，120，110℃時，CO產生速率發生突變，且O2含量急劇下降，則該溫度為煤自燃的臨界溫度，之后各煤樣自燃進入臨界加速階段。

2.2 烴類氣體濃度隨溫度的變化規律

1)CH4，C2H6和C2H4濃度隨溫度變化的曲線如圖3所示。

煤本身附存有少量的CH4和C2H6，由圖3(a)、3(b)可知，各煤樣受熱解吸釋放出CH4和C2H6的溫度較高。隨著溫度的升高，CH4和C2H6濃度呈現遞增趨勢，但無明顯的分段特征，無法分辨這2種氣體的來源，故不能將其作為劃分煤自燃階段的標志氣體。

圖3 CH4，C2H6和C2H4濃度隨溫度變化的曲線Fig.3 The concentration of CH4, C2H6 and C2H4 varying with temperature

2)C2H4出現的溫度點即為煤自燃的干裂溫度點，當有C2H4出現時，則說明煤內部結構的側鏈、橋鍵等小分子開始裂解[13]，可將其作為煤自燃進入熱解裂變階段的標志氣體。由圖3(c)可得，1#～6#煤樣C2H4出現的溫度分別為180，160，140，150，150，160℃，之后進入熱解裂變階段。

3)各煤樣升溫氧化過程中，均無C2H2等炔烴氣體產生，說明煤內部的苯環結構未發生斷裂，則260℃并未達到各煤樣的裂變溫度。

2.3 各煤樣自燃階段溫度范圍確定

由各標志氣體濃度隨溫度的變化規律可知，同一煤礦不同煤層的煤種所具有的自燃氧化特性不同，由各煤樣升溫氧化過程中CO和C2H4出現溫度點綜合判定可得東歡坨礦各煤層煤自燃氧化優先級為：8煤層>9煤層>12煤層>11煤層>5煤層>7煤層；各煤樣自燃過程中，各標志性氣體產生的順序基本一致，故可根據CO出現溫度點、CO產生速率突變溫度點和干裂溫度點將各煤層煤自燃氧化過程劃分為4個階段：初期氧化階段、緩慢自熱階段、臨界加速階段和熱解裂變階段，并根據各煤樣程序升溫氧化實驗分析結果確定各煤層煤自燃不同階段的溫度范圍，如表1所示。

表1 各煤層煤自燃不同階段溫度范圍Table1 The different temperature range of each coal ℃

3 各階段煤自燃預測指標分析

3.1 煤自燃CO2生成量計算

由煤自燃氧化過程中CO和CO2氣體產生情況可知：在煤自燃氧化前期，尾氣所含空氣中的CO2占尾氣中CO2總量的比重大，但無CO產生；在煤自燃氧化后期，CO含量呈指數升高，但尾氣所含空氣中的CO2占尾氣中CO2總量的比重很小，故可排除煤與空氣中的CO2發生還原反應生成CO的干擾。若去除空氣中的CO2，不僅可消除風量變化對預測結果的影響，而且根據煤自燃氧化氣相產物的生成途徑[14]可知，得到的CO和CO2皆由煤中內在含氧官能團熱分解和煤中活性位點與氧氣氧化反應釋放以及CO與CO2的相互轉化反應產生，因此，CO生成量φCO與CO2生成量φCO2之和能夠反映不同煤種在相同氧氣環境下的自燃氧化能力，CO生成量φCO與CO2生成量φCO2比值能夠反映煤種在不同溫度時的自燃氧化特性。CO2生成量計算公式如式(1)所示：

φCO2=cCO2-cN2/k

(1)

式中：φCO2為CO2生成量，%；cCO2為尾氣中的CO2濃度，%；cN2為尾氣中的N2濃度，%；k為測定的空氣中N2與CO2濃度的比值。

3.2 各階段煤自燃預測指標確定

煤自燃預測預報應盡量消除風量變化的影響，故東歡坨礦煤自燃預測預報可選用的指標主要有φCO+φCO2(R1)，φCO/φCO2(R2)，ΔCO/ΔO2(Graham指數)，φC2H4/φC2H6(烯烷比)以及φC2H6/φCH4(鏈烷比)，利用Origin軟件繪制出各指標隨溫度變化的曲線，如圖4～5所示。

由圖4可知，在各煤樣自燃氧化過程中，指標R1(貫穿始終)，R2，Graham指數和烯烷比隨溫度升高呈單調遞增趨勢，符合煤自然發火預測預報指標氣體優選原則[15]，故可將其作為各煤層煤自燃預測指標。由圖5可知，鏈烷比隨溫度升高呈先增后減的趨勢，雖無單調性，但其達到極大值的溫度點稍晚于干裂溫度點，故可將其作為煤自燃已處于熱解裂變階段的輔助預報指標。

依據升溫氧化實驗數據，分析東歡坨礦各煤層不同自燃階段適用的預測指標：

1)在初期氧化階段(30～100℃左右)，只有CO2生成，故適用于此階段的預測指標為R1。

圖4 R1，R2，Graham指數和烯烷比隨溫度變化的曲線Fig.4 R1,R2, Graham index and φC2H4/φC2H6varying with temperature

圖5 鏈烷比隨溫度變化的曲線Fig.5 φC2H6/φCH4varying with temperature

2)在緩慢自熱階段(80～120℃左右)，生成的氣體有CO(開始生成)，CO2，故適用于此階段的預測指標為R1，R2和Graham指數。

3)在臨界加速階段(100～180℃左右)，主要生成的氣體有CO，CO2，故適用于此階段的預測指標為R1，R2和Graham指數。

4)在熱解裂變階段(140℃以上)，主要生成的氣體有CO，CO2，CH4，C2H6，C2H4(開始生成)，故適用于此階段的預測預報指標為R1，R2，Graham指數、烯烷比和鏈烷比。

4 各煤層煤自燃預測預報多參數指標體系建立

依據升溫氧化實驗數據確定了適用于東歡坨礦各煤層不同自燃階段的預測指標，根據各煤層煤自燃不同階段的溫度范圍可得出各階段煤自燃預測指標的對應范圍，進而建立東歡坨礦各煤層煤自燃預測預報多參數指標綜合體系，如表2所示。

5 各煤層煤自燃指標預報指示方案設計

在緩慢自熱階段、臨界加速階段和熱解裂變階段，各標志性氣體均已逐漸出現，但由多指標對煤自燃綜合預測時，各指標的預報結果有可能產生矛盾，此時做出科學、準確的決策是關鍵所在。為避免煤自燃誤報或漏報情況的發生，故應區分出各預測指標的主次關系。灰色關聯分析法恰是確定各指標因素相對于預測對象的可信度的一種方法[16-17],該方法對于各煤層預測指標優先級研究十分適用。

5.1 灰色關聯分析一般計算步驟

1)確定系統參考序列和系統比較序列

X0=[x0(1),x0(2),…,x0(k),…,x0(n)]

(2)

Xi=[xi(1),xi(2),…,xi(k),…,xi(n)]

(3)

式中：x0(k)，xi(k)分別為系統參考序列和第i個系統比較序列在第k次試驗時的數據。

2)求各序列的均值象(即無量綱化處理)

(4)

(5)

3)求差序列

Δi(k)=x′0(k)-x′i(k)>
(k=1,2,…,n；i=1,2,…,n)

(6)

4)求關聯系數

(k=1,2,…,n；i=1,2,…,n)

(7)

5)計算關聯度(可信度)

(k=1,2,…,n；i=1,2,…,n) (8)

注：當鏈烷比達到或超過表中的值時，說明該煤層煤自燃已處于熱解裂變階段。

5.2 各煤層不同階段預測指標可信度計算

運用灰色關聯分析法，通過計算各煤層不同階段各預測指標與煤溫之間的關聯度進而可對其可信度進行排序。以各自燃階段煤溫為參考序列，對應各預測指標為比較序列，各煤層煤自燃不同階段預測指標可信度計算結果如表3所示。由表3可得，同一煤礦的不同煤層煤自燃預測指標預報優先級相同。

表3 各煤層煤自燃預測指標預報優先級及對應可信度Table3 The priority and credibility of prediction of coal spontaneous combustion in each coal seam

5.3 煤自燃預報指示方案

經分析，各煤層煤自燃緩慢自熱階段、臨界加速階段和熱解裂變階段可信度最高的預測指標皆為R2，其次是Graham指數。基于同一礦井各煤層煤自燃標志性氣體產生的順序一致的特點，其煤自燃預報指示方案如下：①若未檢測到CO氣體出現，但經計算發現已有CO2生成，說明煤自燃處于初期氧化階段(Ⅰ)。②當檢測到CO氣體出現且未發現C2H4氣體時，則說明該煤層煤自燃可能處于緩慢自熱階段(Ⅱ)或臨界加速階段(Ⅲ)，若用于此階段的各指標值均處于表2中所列的Ⅱ(Ⅲ)階段范圍內，則可以確定其煤自燃已處于Ⅱ(Ⅲ)階段；若指標R2值處于Ⅱ(Ⅲ)階段范圍而其他指標的預報結果與其產生矛盾，則優先選擇相信指標R2的預報結果，判定此時煤自燃處于Ⅱ(Ⅲ)階段；若指標R2值處于本應檢測到C2H4氣體才能達到的熱解裂變階段(Ⅳ)范圍內，則應綜合考慮Graham指數：若G值也處于Ⅳ階段范圍內，則煤自燃可能處于熱解裂變階段初期，由于C2H4氣體生成量很小且被風流稀釋而未被檢測識別，為避免后續煤自燃無法控制，此時應立即尋找高溫點防患于未然；若G值處于Ⅱ(Ⅲ)階段范圍，則說明指標R2異常，此時判定煤自燃處于Ⅱ(Ⅲ)階段。③當檢測到C2H4氣體出現時，應立即尋找高溫點，并根據表3中的預測指標優先級結合表1和表2綜合判定煤自燃程度，進而采取相應防滅火處理措施。

6 結論

1)同一煤礦不同煤層的煤種所具有的自燃氧化特性不同，東歡坨礦各煤層煤自燃氧化優先級為：8煤層>9煤層>12煤層>11煤層>5煤層>7煤層。

2)同一煤礦不同煤層煤的自燃氧化過程中，各標志性氣體產生的順序基本一致，根據CO出現溫度點、CO產生速率突變溫度點和干裂溫度點可將煤自燃劃分為4個階段：初期氧化階段、緩慢自熱階段、臨界加速階段和熱解裂變階段，并確定了各煤層煤自燃不同階段的溫度范圍。

3)初期氧化階段的預測指標為R1，緩慢自熱階段的預測指標為R1，R2和Graham指數；臨界加速階段的預測指標為R1，R2和Graham指數；熱解裂變階段的預測指標為R1，R2，Graham指數、烯烷比和鏈烷比。同一煤礦的不同煤層煤自燃預測指標預報優先級相同，各煤層煤自燃緩慢自熱階段、臨界加速階段和熱解裂變階段可信度最高的預測指標皆為R2，其次是Graham指數。

4)根據各煤層煤自燃不同階段的溫度范圍得出了各階段煤自燃預測指標的對應范圍，進而建立了東歡坨礦各煤層煤自燃預測預報多參數指標綜合體系，根據煤自燃預報指示方案各指標聯合運用，相互對照，極大程度地提高了煤礦煤自燃預測預報結果的準確性。

[1] 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.

[2] 王德明.礦井火災學[M]. 徐州：中國礦業大學出版社, 2008.

[3] 許濤. 煤自燃過程分段特性及機理的實驗研究[D].徐州：中國礦業大學,2012.

[4] 董憲偉,王福生,孟亞寧. 不同煤種升溫氧化過程中氣體產物特征研究[J]. 中國安全生產科學技術,2014,10(3):48-53.

DONG Xianwei,WANG Fusheng,MENG Yaning.Study on the characteristics of gas products in heating and oxidation process of different coal[J]. Journal of Safety Science and Technology,2014,10(3):48-53.

[5] 秦毅,楊勝強,黃維,等. 煤自燃特性及自然發火預測預報指標體系研究[J]. 工業安全與環保,2016,42(7):34-36.

QIN Yi,YANG Shengqiang,HUANG Wei,et al. Study on characteristics of coal spontaneous combustion and index systems of spontaneous combustion predict[J]. Industrial Safety and Environmental Protection,2016,42(7):34-36.

[6] 金永飛,趙瑞元,鄧軍,等. 煤自燃多參數預報指標試驗研究[J]. 煤炭科學技術,2014,42(9):112-114，76.

JIN Yongfei,ZHAO Ruiyuan,DENG Jun,et al.Experiment study on multi parameters prediction indexes of coal spontaneous combustion[J]. Coal Science and Technology,2014,42(9):112-114，76.

[7] 陳曉坤. 煤自燃多源信息融合預警研究[D]. 西安：西安科技大學,2012.

[8] 吳兵,蘇赟,王金貴,等. 煤炭自然發火預報指標氣體研究[J]. 中國安全生產科學技術,2012,8(11):76-80.

WU Bing,SU Yun,WANG Jingui, et al. Researchon index gas for forecasting of coal spontaneous combustion[J].Journal of Safety Science and Technology,2012,8(11):76-80.

[9] 李曼,李增華,楊永良,等. 運用多指標氣體體系分析煤層自燃氧化性[J]. 煤礦安全,2012,43(1):19-22.

LI Man,LI Zenghua,YANG Yongliang,et al. Using multi-indicator gas systems to analysis the spontaneous combustion oxidizing the coal seam[J]. Safety in Coal Mines,2012,43(1):19-22.

[10] 費金彪,文虎. 大佛寺礦煤自燃多參數預報指標研究分析[J]. 煤炭技術,2017,36(12):111-113.

FEI Jinbiao,WEN Hu. Research and analysis on multi-parameter prediction index of coal spontaneous combustion in dafosi coal mine[J]. Coal Technology,2017,36(12):111-113.

[11] 楊俊義. 檸條塔礦采空區水浸煤自燃特性參數及早期預報技術研究[D].西安： 西安科技大學,2017.

[12] 李樹偉,朱艷艷. 高瓦斯易燃煤層自燃判別指標體系的實驗研究[J]. 煤炭工程,2017,49(11):102-104.

LI Shuwei,ZHU Yanyan. Experimental study on indication index system of spontaneous combustionin high gas coal seam[J]. Coal Engineering,2017,49(11):102-104.

[13] 趙曉明. 煤低溫氧化C2H4生成特性實驗研究[D].太原：太原理工大學,2016.

[14] 張玉龍. 基于宏觀表現與微觀特性的煤低溫氧化機理及其應用研究[D].太原： 太原理工大學,2014.

[15] 朱令起,周心權,謝建國,等. 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):440-443，448.

ZHU Lingqi,ZHOU Xinquan,XIE Jianguo,et al. Analysis of indicator gas of spontaneous combustionand its optimal selection[J]. Journal of Mining&Safety Engineering,2008,25(4):440-443，448.

[16] 劉思峰,黨耀國,方志耕,等. 灰色系統理論及其應用[M]. 北京:科學出版社,2010:57-62.

[17] 王福生,岳志新,郭立穩. 煤炭自然發火標志氣體的灰色關聯分析[J]. 安全與環境學報,2006(S1):73-75.

WANG Fusheng,YUE Zhixin,GUO Liwen. Greycorrelation analysis of indicator gas for early predicting the coal spontaneous combustion[J]. Journalof Safety and Environment,2006(S1):73-75.