采空區煤炭自然發火標志性氣體實驗研究及確定

賈文東

（同煤集團挖金灣虎龍溝煤業有限公司，山西 大同037042）

1 引言

采空區煤炭自然發火是煤礦開采的主要危害之一，在煤炭自燃災害發生的早期階段對其進行預警是礦工生產中井下防滅火工作的基礎[1-3]，只有做到了準確、適時地對煤層火災進行預報，才能及時采取預防煤層火災措施[4,5]。煤的燃燒是一個化學變化的過程，期間會放出多種氣體。所以在進行煤炭自然發火預測的時候，可以利用這個原理對氣體變化進行監測，去推測自燃煤所處階段，這個技術中，最重要的是指標性氣體的確定，這關乎著整個防滅火工作的成敗[6,7]。

為了解某礦5#煤自然發火標志性氣體，選取5#煤層81503工作面煤樣進行自然發火標志性氣體指標實驗研究。

2 實驗方案及結果

煤自燃過程伴隨熱量釋放與積聚，從分子化學的角度來看，其內部的煤基質受外部環境影響，發生了化學反映。分子的橋鍵發生斷裂，并與存在的自由基分子發生化學合成作用，重新組合形成了多種產物，其中最主要的氣體產物是CO、CH4、C2H4以及C2H6。

2.1 實驗方案

煤樣采于該礦5#煤層，粉碎、篩分后，選取粒徑為0～80 目的煤粒80 g，運用實驗室中的智能煤升溫氧化實驗裝置，如圖1 所示，對所取煤樣進行程序升溫-氣象色譜實驗研究。根據以往經驗和防滅火要求，指標性氣體的監測主要為CO、CH4、C2H4以及C2H6。

圖1 智能煤升溫氧化實驗裝置示意圖

該礦井下溫度一年中時常穩定于25℃左右，并且按照煤體自燃氧化過程發展客觀趨勢以及該煤礦特定的防滅火要求，進行30℃常溫條件及連續升溫條件下煤炭自燃氧化規律實驗，明確自燃標志性氣體。

2.2 煤升溫氧化實驗結果

2.2.1 30℃溫度條件下的煤樣氧化實驗

實驗中，維持溫度為30℃，以供風量為變量，將供風量設置為50 mL/min、80 mL/min、125 mL/min 以及165 mL/min，相當于實時風速為0.1 m/min～0.32 m/min，并且設置通風時間270 min，通過改變供風量進行煤樣氧化實驗。圖2為整個不同漏風強度下CO變化。

圖2 30℃不同漏風強度下CO變化曲線

從圖2可以看出：在保持溫度為30℃，改變供風量的實驗情況下，CO產生量在相應供風量條件下變化不大，除空氣流量在80 mL/min 時CO氣體濃度略有上升外，其余實驗條件下，CO 產生量變化趨勢均與供風量的增大呈現反比，并且不同條件下，CO 產生量濃度差較小，沒有出現大的變化，趨于穩定。在相應的供風量情況下，實驗過程中CO釋放量差距變化不大，差距最大僅為10 ppm。

通過實驗分析可以看出，當該礦煤樣供風量在50 mL/min，相當于采空區實時風速達到0.10 mL/min 時，煤樣CO產生量最大，達到了平均每分鐘產生15.0 mL，但是隨著時間的變化，煤樣氧化程度在呈現著逐漸降低的趨勢。這個現象說明該礦所取煤層煤樣在此實驗情況下，氧化自燃能力最強。所以應進行供風量為50 mL/min的程序升溫煤樣氧化分析。

圖3 30℃氧化實驗風速與CO濃度關系表

圖3 可看出，隨著供風量的增強，實驗中煤樣的CO 釋放量在呈現著逐漸減少趨勢。說明此礦5#煤層煤樣在供風量條件為50 mL/min～80 mL/min，相當于采空區實時風速達到0.1 mL/min～0.17 mL/min的情況下，氧化自然發火能力達到了最強。這個階段的時候，發生煤炭自燃的危險性較高。當供風量是156 mL/min，就是說，采空區風速為0.34 mL/min 的時候，該礦煤樣氧化能力較弱，CO最大釋放量僅為8 ppm左右。

2.2.2 煤樣程序升溫實驗結果及分析

從試驗裝置供風系統向程序升溫箱進行新鮮風流的供應，當設置供風量是的時候，進行正常氧濃度下實驗，對該礦所取煤樣的氧化速度和指標性氣體的變化情況的溫度極限進行研究。下圖描述了在實驗進行的全過程中所產生的CO 的變化趨勢，能夠反映溫度的提升與CO生成量之間的相關關系。

圖4 煤樣氧化升溫過程CO的變化情況

由圖4 可以看出，實驗溫度升至30℃的時候煤樣開始釋放CO 氣體，且濃度只有5 ppm。在溫度升至67℃之前，CO 濃度的增幅均是比較平緩的，僅在19 ppm～135 ppm 之間，當實驗溫度升至68℃時，氣體濃度發生急劇增加，濃度達到了280 ppm，到73.5℃時CO濃度達到324 ppm；在溫度為73.5℃～113.4℃的階段，CO 釋放量的變化出現了急劇上升的增長趨勢，CO 的濃度從原來的200 ppm 左右直接上升到了1 300 ppm左右，達到了上個階段濃度的6倍。

由此可以看出，CO氣體的生成量隨著溫度是在逐漸增加的。但是在此過程中，CO增幅并不是均勻變化的，當達到某個溫度值時會出現突變。從圖中可以看到，在38℃時就出現了CO，濃度在幾十個ppm左右，在70℃左右時CO 出現了第一次急劇增加的現象；在100℃左右時CO出現了第二次急劇上升的趨勢。

圖5 煤樣氧化升溫C2H2、C2H4變化情況

由圖5 可以看出，溫度為262.8℃時C2H2首次出現，此后逐步消失；C2H4在溫度為101℃的時候第一次檢測到，并且在溫度為175℃之前，C2H4釋放量的增長是較為緩慢的，在101℃～170℃時釋放量濃度的增加幅度較小，在溫度達到180℃以后增加幅度加快，當溫度達到200℃左右的時候，C2H4釋放量出現了急劇上升的變化趨勢，到262.8℃時，C2H4釋放量達到了188.38 ppm，在此之后階段雖然釋放量隨溫度的升高在繼續增加，但幅度不大。C2H4最高濃度達到了330.61 ppm。

圖6 煤樣氧化升溫過程C2H6的變化情況

由圖6可以看出，C2H6在152.3℃開始出現，升溫氧化過程中隨著溫度的升高增加，沒有明顯變化拐點。

3 自然發火標志性氣體分析

結合實驗室實驗分析以及該煤礦實際開采條件，當煤樣程序升溫氧化試驗到達了煤基質熱裂分解反應時，該礦煤樣所釋放氣體主要由以上分析的4 種。從上述分析中可以看出，在進行煤自燃災害預報的時候選擇指標性氣體應該采用以CO 為主，C2H4為輔的指標預測體系。

3.1 CO氣體

（1）當溫度達到30℃的時候，開始出現了CO，但是，CO濃度較低，大約在十幾ppm，此狀況說明，所取煤樣在這個溫度的情況下就已經發生了低溫氧化情況，開始釋放CO氣體。但是，如果隨著時間的推移，CO濃度沒有出現持續增加的現象，說明這個時候位于采空區內的遺煤,只是處于氧化升溫的前期，沒有火災發展趨勢，不需要采取防滅火措施；

（2）當以CO 氣體為指標氣體進行預報時，要在煤樣氧化第一個階段之前（70℃）進行。因為，當煤炭氧化程度到達一級氧化階段后，其能力將迅速增強，氧化速度急劇增加，若此時才預報，為時已晚，已不能夠準時對煤炭自燃進行防治；

（3）在該礦井煤炭防滅火實際工作中，當采用CO作為該礦煤層預測預報煤炭氧化自燃標志性氣體時，相應的溫度與CO 釋放量、CO 釋放速率等相關參數指標如表1所示。

表1 煤炭氧化自燃標志性氣體參數

以CO 氧化速率增幅為標志：介于1.5～2 ppm/℃時，應進行預報，當增幅超過2 ppm/℃，要采取強制措施；以CO 氣體濃度為標志：介于20 ppm～80 ppm，應進行預報，當度大于80 ppm～120 ppm時應采取措施。

3.2 C2H4 氣體

C2H4可以當做輔助性的指標性氣體在進行該礦煤炭自然發火預測時發揮作用。一句以上程序升溫氧化實驗結果可以看出，當實驗溫度達到100.9℃開始出現，隨著實驗溫度的逐漸增大，C2H4的產生量逐漸增大，并且在180℃階段出現了陡增。所以在以該氣體進行預測預報的時候，若開始出現C2H4，且其濃度在逐漸增大，可以認為這是該礦煤炭開始出現自燃發火的征兆，并且采空區內溫度已經達到了100℃以上的高溫，應盡快采取措施，防止災害的發生。

4 結論

結合實驗室實驗以及該煤礦實際開采現場分析，能夠得到以下結論：

（1）當溫度為30℃的時候，該礦井5#煤層煤樣能夠釋放出CO氣體。

（2）該礦煤層工作面，當采空區漏風強度達到每分鐘0.1 mL～0.2 mL的時候，煤炭氧化程度較為強烈，采空區遺煤更傾向于自然發火。

（3）當采空區溫度在30℃～50℃時，煤炭氧化時候的CO 釋放量與溫度呈現出了正相關的關系，且增幅較大。溫度繼續增加，當上升至70℃的時候，CO 釋放量急劇增加。50℃～70℃時期是自燃預報與防治主要時期。

（4）該礦應采用以CO氣體為主，以C2H4氣體為輔的預測自燃氣體指標。