高地溫礦井煤自燃特性及極限參數試驗研究

李國芳 牛紅杰 王冬冬

（山東新巨龍能源有限責任公司，山東 菏澤 274918）

煤自燃火災一直是困擾我國煤炭開采的主要災害之一[1]。它不僅會燒毀和凍結資源，甚至導致次生災害造成嚴重的財產和人員傷亡[2,3]。在我國的煤炭資源開發以及利用的整個過程中，開采深度超過800m已有200多處，超過1000m已有47處，僅山東省就占21處[4]。深井開采由于地溫高，煤自燃起始溫度高，發火期短。圍巖溫度升高改變了煤體蓄熱條件，煤氧化放熱性增強，其中向采空區漏風現象的加重，是由于煤體、工作面風流這兩者產生的熱風壓引起，由此帶來了較大的危險性[5]。本文以山東省巨野礦區3煤層煤樣為研究對象，采用大型煤自然發火試驗測試煤從30℃自燃氧化升溫到170℃過程，測定煤自燃過程以及指標氣體變化規律。通過計算得到高地溫環境中煤自燃特性和自燃極限參數，為采空區自然發火防治提供了指導依據。

1 試驗條件及裝置

1.1 試驗裝置

采用新型煤自然發火試驗裝置研究高地溫礦井煤樣自燃過程特征及指標性氣體變化規律。試驗裝置如圖1所示。

1.2 試驗過程

試驗使用的煤樣為塊煤，2t，使用破碎機破碎后裝入試驗裝置，煤樣工業分析如表1所示。煤自然發火期為煤樣從原始地溫升高至發火溫度所需實際時間。試驗中，爐內煤體最高溫度從試驗開始29.7℃升至167.9℃，歷時69d，除去因停電、降溫、維護等客觀因素而造成煤自然發火試驗時間延長，按原始地溫為37.82℃計算，得出煤樣自然發火期為46d。

圖1 煤自然發火試驗裝置

表1 煤樣工業分析及真密度

2 煤自燃過程及自然發火期

煤樣在自然發火試驗過程中煤樣溫度與時間之間的關系如圖2所示。

圖2 煤樣溫度與時間之間的關系

由此可以得到，在初期階段，煤樣氧化具有相對較慢的增速，當達到42d以上的通風時間，氧化升溫速率開始明顯加快，對應臨界溫度50℃～65℃。試驗進行48d之后，煤樣氧化升溫速率加快，對應為干裂溫度105℃～115℃。進行到50.6d時，煤氧化溫度對應為活性溫度℃140～150℃。當煤體溫度超過170℃之后，升溫速率急劇升高，在保持較好的通風供氧條件下，煤氧化溫度急劇升高，一天左右即可超過350℃，超過燃點。

表2 不同地溫時煤自然發火期

煤樣自然發火期受到地溫的影響，由表2可得，通過試驗得到在采空區環境的溫度為20℃時，煤樣發生自燃的最短自然發火期為59d，隨著地溫的升高，逐漸減小。當地溫升高到42℃時，煤樣試驗最短自然發火期減少為34d。地溫升高22℃，試驗最短自然發火期減少了25d。因此，高地溫礦井煤自然發火期會顯著地縮短，增加了煤出現自燃火災的危險程度。

3 煤自燃指標氣體

隨著煤溫升高以及氧化程度增加，反應產生氣種類和產生量會出現顯著變化。因此，確定合適煤自燃特征參數對預測煤自燃程度、對煤自燃預警與防治意義重大。針對新巨龍公司煤樣選取CO、C2H6、C2H4等分析，進一步確定合適的煤自燃預報指標氣體。

3.1 單一指標氣體選擇

CO濃度在低溫階段（20℃～80℃）隨煤氧化溫度升高變化規律如圖3，煤自燃全過程中產生氣體濃度和供風量與溫度關系如圖4，C2H4和C2H6產生量與溫度的關系如圖5。

圖3可以得出，在低溫階段，CO氣體濃度隨溫度的增加而不斷增加。隨著煤溫升高，CO氣體逐漸增加，超過煤自燃臨界溫度之后，CO氣體產量增長速度明顯加快。溫度超過110℃以后，CO增長率突然降低，增大供風量稀釋了CO氣體。由圖4可以看出，在煤的氧化過程低溫階段，CO2氣體產生量較大，隨著煤的氧化溫度的升高呈先下降后升高的趨勢，在煤的氧化溫度為56.5℃時達到最小值。說明煤在低溫階段氧化過程中產生的CO2主要是煤中原有的CO2脫附。

由圖5可知，煤樣在試驗的初始階段未產生C2H4，C2H4在煤樣溫度超過80℃后產生，據此可判斷C2H4是煤裂解產生的氣體。在試驗的初始階段就出現了C2H6，可判斷為煤解吸脫附產生的，在超過裂解溫度后，裂解產生的C2H6大幅增加。

圖3 低溫階段（20℃～80℃）CO的濃度

圖4 氣體濃度和供風量與溫度的關系

圖5 C2H4和C2H6產生量與溫度的關系

3.2 氣體比值

（1）CO2/CO

CO2和CO氣體的比值可以用來排除風流變化對煤自燃產生氣體的影響，能夠更準確地反應煤自燃的程度。在50℃之前，CO2與CO的比值隨煤溫升高呈現先上升后下降的趨勢，在煤溫達到50℃左右時比值最大，隨后呈下降趨勢，煤氧化溫度超過100℃之后CO2/CO的比值趨于穩定。

3.3 烯烷比

烯烷比是判定煤自燃程度的重要依據之一，其比值與溫度的關系如圖7。單一指標氣體受井下環境因素影響不能準確判斷井下自然發火情況，烯烷比配合其他指標氣體能夠準確預測煤自燃發展程度。烯烷比隨煤的氧化溫度升高總體呈現先上升后下降的趨勢，烯烷比在120℃左右達到最大值。

圖6 CO2/CO比值與溫度之間的關系

圖7 C2H4/C2H6比值與溫度的關系

4 煤自燃極限參數

煤自燃極限參數主要指的是使其實現自燃的外界極限條件，具體分為極限氧濃度、下限漏風強度以及最小浮煤厚度。松散煤體自燃發生的可能有：氧濃度的下限值同環境相比較較大，同上限漏風強度相比較小以及最小煤體厚度小于松散煤體厚度[5]。

式中：

Cmin-松散煤體的下限氧濃度，%；

C1-空氣中的氧濃度，%；

Qmax-松散煤體的上限漏風強度，cm/s；

λe- 松散煤體的等效導熱系數，J/(cm·s·K)；

hmin-松散煤體的最小浮煤厚度，cm；

q-煤體溫度為T時的放熱強度，J/(cm3·s)；

T-煤體溫度，℃；

Ty-煤體圍巖體溫度，℃；

Tg-風流溫度，℃；

h-松散煤體的煤厚，cm；

Q-漏風強度，cm/s；

Cg- 空氣比熱容，J/(kg·K)；

ρg-空氣的密度，kg/m3。

根據公式（1）到（3）計算得出，同條件下煤樣的自燃極限參數呈如下變化規律：

（1）煤樣的極限參數中最小浮煤厚度和下限氧濃度隨著煤樣溫度的升高，數值體現為先上升后下降的變化趨勢，在達到最大值后迅速減少。

（2）上限漏風強度同煤溫之間具有一定關系，溫度的不斷升高，會使上限漏風強度先下降后上升；當煤的氧化溫度高于100℃以后，上限漏風強度迅速上升。煤自燃極限參數在50℃～60℃達到極值。

（3）煤樣的臨界溫度與煤自燃極值點溫度基本上相似。根本的原因就是煤溫升高的過程中，同環境溫度的差值就會增大，因此需要大量的散熱；處于臨界點之前的氧化放熱具有相對較小的增加幅度，對氧化放熱量、散熱量的增長率兩者相比較，前者相對較小，達到臨界點時，氧化速率就會出現明顯的增加，同時帶來其放熱量的上升，帶來增長率的翻轉。

（4）煤的極限參數極值點的溫度同煤化程度具有正相關關系，根本原因就是氧化程度的不斷升高，帶來臨界點溫度的增加，相反處于低溫環境下，氧化性也就相應的比較低。

5 結論

（1）采用煤自然發火試驗研究得到高地溫環境煤自燃特性，得到隨著地溫的升高煤的上限漏風強度自然發火期顯著縮短，在地溫為42℃時，煤自然發火期相比地溫為20℃時，煤樣上限漏風強度自然發火期減少25d。

（2）利用煤自然發火試驗裝置得出煤自燃指標氣體（CO、C2H4、C2H4/C2H6）及其對應特征溫度，測定了煤自燃特征參數，為煤自燃火災的監測預警提供依據。

（3）煤的下限氧濃度及最小浮煤厚度隨著煤溫升高，呈現先上升后下降的趨勢；煤的上限漏風強度隨著煤溫升高，表現為先下降后上升的趨勢，煤的自燃極限參數的極值出現溫度與煤的臨界溫度相近。