煤層自然發火狀態標志性氣體試驗研究

甘 建

（棗莊礦業（集團）有限責任公司，山東 棗莊 277000）

煤層自燃是由于煤與氧接觸氧化放出熱量，在一定的蓄熱條件下，氧化放出的熱量被積聚，當熱量的積聚能夠滿足煤的自燃發展需要時，煤體溫度便會不斷上升，最終導致其自燃。其過程的發展是一個極其復雜的動態變化過程，它主要取決于煤的氧化放熱特性、供氧條件及蓄散熱環境。因此，為了摸清超化煤礦煤層自然發火機理，首先在實驗室對22011綜采面煤層煤樣開展了一系列試驗研究。

1 煤層自燃傾向性鑒定及自然發火期預測

1.1 煤自燃傾向性測定——基于氧化動力學方法

1.1.1 煤自燃傾向性的氧化動力學測定方法原理

近年來，中國礦業大學提出了煤自燃傾向性的氧化動力學測定方法，并列入《煤自燃傾向性的氧化動力學測定方法》（AQ/T1068-2008）中，其對許多礦區的大量煤樣進行了測定。結果表明，該方法測定原理科學，鑒定結果更為符合實際。

實際上，該方法是基于煤低溫氧化復合反應和自由基鏈式反應的基本原理而提出來的。因此，必須采用嚴格的指標特征才能充分反映出不同階段煤的自然特性，常用的兩個主要指標是低溫氧化階段的耗氧指標和快速升溫階段的交叉點溫度指標。70℃出口氧氣濃度是一個主要指標，這一主要指標主要反映的是70℃時溫升速率的快慢，決定了在溫度較低時氧化自熱時間的長短。最后，詳細分析這兩個指標的各個參數，最終得出精確的煤自燃傾向性判定指數。

1.1.2 氧化動力學方法測定條件

（1）測試煤樣粒度的選取。煤在不同氧化階段需要的氧氣量不同，通常，溫度越低時氧化所需的氧氣量就越小，因此不同測試粒徑對耗氧量的測試具有決定性作用。選取的一般原則是，粒徑適中，如果粒徑過大會影響煤與氧氣接觸的面積，直接導致氧濃度的變化不大；如果粒徑過小會直接導致進入煤體的氧氣會遭遇較大的阻力，造成空氣流通不暢，影響測試試驗的開展。本文綜合考慮了相關影響因素，為了測得比較準確的耗氧濃度，該方法選取測試煤樣的粒徑為0.20～0.35 mm。

（2）煤樣的干燥溫度。自燃傾向性是煤的一種內在屬性，反映的主要是煤的自熱情況，它不受外在水分多少的影響，所以應選取去除外在水分的空氣干燥煤樣作為待測煤樣。根據理論與經驗，選擇40℃為本方法煤樣的空氣干燥溫度。

（3）供氣流量的選取。測定指標參數過程中，供氣濃度在不同階段不斷變化。本方法初始階段通入96 mL/min的干空氣，中間階段通入8 mL/min的干空氣，后期由于升溫階段的需要，要通入96 mL/min的干空氣。

1.1.3 權數的確定方法

兩個階段對煤自燃發展過程有不同的影響，為了權衡這一影響，可通過權數對其進行區分，這樣能夠達到較好的效果。常用的確定權數的方法有經驗確定方法、測量次數確定方法和數據精度參數確定方法。由于煤低溫氧化階段是煤自燃過程中的一個重要階段，根據經驗和相關測算數據，將0.6定為低溫氧化階段的權數，將0.4定為快速氧化階段的權數。加法合成法對這兩個指標進行合成時能夠合理地體現出各評價指標之間的權重關系，因此被經常使用。

依據加法合成法，煤自燃傾向性的綜合判定指數計算公式如下：

式中，I為煤自燃傾向性判定指數，無量綱；ICO2為煤樣溫度70℃時煤樣罐出氣口氧氣濃度指數，無量綱；ITcpt為煤在程序升溫條件下交叉點溫度指數，無量綱；CO2為煤樣溫度達到70℃時煤樣罐出氣口的氧氣濃度，%；Tcpt為煤在程序升溫條件下的交叉點溫度，℃；15.5為煤樣罐出氣口氧氣濃度的計算因子，%；140為交叉點溫度的計算因子，℃；為低溫氧化階段的權數，取值為0.6；為快速氧化階段的權數，取值為0.4；φ為放大因子，取值為40；300為修正因子[1]。

利用式（1）、式（2）和式（3）進行計算，結果顯示，用氧化動力學方法鑒定時，超化煤礦二1煤層自然發火傾向性自燃等級為Ⅱ類，即屬于自燃煤層。

1.2 煤層最短自然發火期預測

煤自身氧化能力強弱的測試方法有很多，目前應用普遍、效果較好的一種是絕熱氧化法。根據相關測試方法的標準，利用氧化動力學測試和絕熱氧化測試方法對所選擇的10個典型煤樣進行測試，將氧化動力學判定指數、絕熱氧化時間數據先進行無量綱化，然后通過數學分析軟件進行分析和曲線擬合，結果如下：

曲線擬合數學模型為：

式中，I為判定指數，無量綱；T為絕熱時間，h。

小煤樣與大煤樣雖然有很多相似性，但由于小煤樣應用的是絕熱氧化測試方法，大煤樣是處于礦井條件下的，二者具有較大差異。因此，根據F-K理論和綜合分析大量不同尺寸煤樣的基礎試驗數據，確定煤最短自然發火期的計算公式為：

式中：Ts為煤最短自然發火期，h。

綜合式（4）、式（5）可得：

于是，將超化煤礦22011面煤樣的氧化動力學數據代入式（6），人們就可以得出結論：該超化煤礦二1煤層最短自然發火期Ts為44 d。

2 煤層自燃指標氣體試驗

煤層自燃是一個極其復雜的物理、化學變化過程，是一個多變的自加速放熱過程。在不同的自燃溫度下，其間會出現不同種類和含量的氣體等。根據煤自燃進程中的溫升、氣體釋放等變化特征判識其自燃狀態，對煤層自然發火進行識別并預警，是礦井火害預防與處理的基礎，也是礦井火害防控與治理的關鍵。因此，測試煤樣自燃產生各種氣體的順序和濃度，正確找出煤層自然發火對應的指標氣體，自然就成了超化煤礦煤層自然發火早期預報的前提條件。

2.1 試驗過程

對原煤樣進行破碎并篩分出40～80目的煤樣50 g，將篩分出的50 g煤樣放在專用的銅質煤樣罐內，并將煤樣罐放在受程序控的溫箱內，最后需要做的工作是將進氣氣路、出氣氣路和溫度探頭進行連接。測試開始后，按照操作規程，將50 mL/min的干空氣通入煤樣內。在特定的程序控溫箱控制下對選定的煤樣進行充分加熱，加熱一段時間后，溫度會升高，升高到恒定溫度5 min后即可按照要求采取氣樣，并對所采取的氣體成分和濃度數據進行分析。

試驗詳細步驟如下：（1）選取50 g煤樣放入罐中，將罐加上蓋，擰緊螺絲。將放置煤樣的煤樣罐按要求放置在爐膛內，連接供氣、出氣及其溫度探頭，并將爐膛門關閉；（2）檢查試驗儀器的所有電源開關，確保正常工作，將空氣鋼瓶的閥門打開，對減壓閥進行調節，將空氣流量調節到50 mL/min；（3）按試驗操作規程，先開啟試驗裝置，啟動測試儀，將溫度調到30℃，恒溫運行約30 min，設置好試驗裝置相關參數。觀察參數，等待參數穩定后，啟動程序開始升溫，試驗正式開始，每隔10℃采集氣樣并對氣體成分進行分析。

2.2 試驗結果及分析

根據相關試驗數據及其氣體變化趨勢，人們通過分析不難發現：（1）22011綜采面煤樣在一定溫度范圍內（通常為35.1～323.9℃）氧化過程中，會出現CO、CO2、CH4和C2H4等氣體，氣體的生成量與煤溫的升高具有正相關性；（2）5種氣體出現的初始溫度為35.1℃，但CH4在開始生成時具有量小的特點，分析認為，煤樣自身吸附的CH4在采集、存放過程中已經逐漸脫附出來。CO的生成量在開始加熱時也比較小，當溫度達到150℃后生成量迅速增加，這說明在150℃以后煤已經開始迅速氧化，發生化學吸附和化學反應；（2）150℃時開始出現C2H4，氣體濃度開始很小，當溫度升高后氣體濃度開始上升。

由此可見，CO是超化煤礦的指標性氣體，C2H4、C2H2等是輔助判斷煤層自燃情況的氣體；CO的出現標志著煤已經出現化學反應，CO濃度的變化直接反映了煤的氧化劇烈程度，C2H4的出現表明局部煤溫已達到150℃，C2H2的出現則表明煤溫已經超過265℃，此時防滅火措施要積極跟上。

3 結論

基于氧化動力學方法對22011綜采面煤樣的自燃傾向性進行了測定，其鑒定結果為Ⅱ級自燃。因此，超化煤礦二1煤層的防滅火工作應按Ⅱ級自燃煤層進行。經過實驗室試驗和對大量數據進行計算，預測44 d為超化煤礦二1煤層的最短自然發火期。

煤樣在實驗室進行程序升溫控制測試，結果表明，各種氣體濃度隨溫度的變化而變化。通過分析煤氧化溫度與氣體產物的特點，筆者得到了超化煤礦二1煤層自燃的預測預報指標：CO作為主要指標性氣體，并輔以C2H4、C2H2就可以準確地把握煤層的自燃情況；CO的出現是煤發生氧化反應的重要標志，C2H4的出現是煤溫達到150℃的標志，C2H2的出現是煤溫達到265℃的標志。