塔拉壕煤礦煤自燃指標氣體試驗分析*

馮彥光，鄭鋼鏢，杜永威，李福虎，郭鵬飛

(內蒙古伊泰煤炭股份有限公司塔拉壕煤礦，內蒙古 鄂爾多斯 017000)

0 引言

為判斷礦井自燃火災發展狀況，準確預測其發展趨勢，國內外都對煤自燃氣體指標開展了大量研究，但側重點有所不同。目前國內礦井安全監測主要依據CO、C2H6、C2H4、H2等指標氣體和CO/CO2、CO/△O2、鏈烷比等氣體比率隨煤溫的變化規律預報煤的自燃狀況[1]；而澳大利亞等國對各指標氣體的絕對量進行分析處理，建立了多種氣體指數，例如Graham指數、Young指數、Morris指數、CO/CO2、以及H2/CO等指數[2]。在實踐中，針對不同指數的特點，以及現場情況選擇合理的指標，以消除環境因素影響，真實全面地反映自燃發展狀態。各種指數基本上都通過計算O2和其氧化產物的轉換率，分析氧化進程及對應溫度，一般可通過煤自燃程序升溫試驗數據分析[3-5]，得到如Graham指數和CO/CO2等判定指標[6-7]，從而為自燃溫度判斷提供理論依據和試驗方法。

1 煤自燃指標氣體試驗

1.1 試驗裝置及流程

試驗裝置：采用程序升溫氧化試驗對塔拉壕煤礦煤自燃指標氣體進行分析，試驗裝置如圖1所示。

圖1 程序加熱升溫試驗裝置

試驗流程：在一個直徑10 cm，長22 cm的鋼管中，裝入煤量1 kg，為使通氣均勻，上下兩端分別留有2 cm左右自由空間(采用100目金屬網與煤樣隔開)，然后置于程序升溫箱內加熱，并送入預熱空氣。采集不同煤溫時產生的氣體，分析其成分及含量，直至達到預定溫度后停止試驗。

1.2 試驗條件

將采自塔拉壕煤礦2號煤層的原煤煤樣，在空氣中破碎并篩分出粒度為0～0.9 mm、0.9～3 mm、3～5 mm、5～7 mm和7～10 mm這5種煤樣，及各粒度煤樣各200 g組成混合煤樣。在程序升溫箱中進行程序升溫試驗，試驗條件見表1。

表1 程序升溫箱煤樣加熱升溫試驗條件

2 煤自燃主要氣體指標

煤自燃的氣體指標，除了一些指標氣體的出現溫度外，還應考慮比值等指標。

2.1 Graham指數

Graham指數主要應用于通風條件改變情況下，煤層發生自燃，但尚不能確定高溫位置及具體溫度的情況[8]。程序升溫試驗數據處理過程中，一般更關注數據的趨勢，而非其絕對值，其指標的增長，意味著火區溫度有所升高。該指數在氧氣濃度較低的環境下是十分有效的，如采空區與密閉區等。同時利用該指數可以分析對巷道風流的影響，在有風流流經的巷道中需要O2消耗量變化(O2濃度降低)比較明顯時方可使用，一般O2濃度小于19%時應用該指標可取得比較好的效果。應用Graham指數可以計算正常風流中O2損耗百分比，其中，耗氧量可以通過與新鮮空氣中氧氣濃度的差值來得到。

Graham指數計算公式[9]表述為

(1)

式中，CO、N2和O2—各種氣體的濃度，%。

2.2 CO/CO2

氣體指標CO/CO2同時適用于封閉區域和新鮮風流中氣體監測結果，判斷可能的自燃高溫[10]。它認為CO與CO2的比值與升溫初期的煤溫之間存在確定的函數關系，一般來說，該比值不受O2損耗的影響，可以克服了據耗氧量來計算的指標存在的問題。但是，該比值中包含CO2，因CO2可能是1×10-6，也可能是百分之幾的量級，而CO一般都是1×10-6，因而該指數僅限煤層中CO2賦存量較小的情況。此指數的判定指標可參照國外標準，見表2。此指數在早期升溫中迅速增長，但它的增長速率在高溫時逐漸放緩，在高溫時曲線斜率的變化足以作為一成熟火情發展階段的有效標志，當火源已產生后，此指數結果會明顯減小。

表2 CO/CO2指標判定劃分

2.3 CO指數

由于風量影響煤氧化產生CO的量，同時還會對CO稀釋，故單純用CO濃度難以準確反映煤自燃現狀。將CO指數表征為在單位時間內一氧化碳流經某一固定點的量。該指標消除了空氣消耗的影響。其大小取決于與氧氣反應的煤量多少，因此當礦井通風條件發生改變時，采空區漏風量增大，即使氧氣的濃度沒有增加，也會引起CO指數增大。該指數應用于工作面回風巷的效果最佳，可以按式(2)計算

CO指數=K·CO·Q

(2)

式中，CO—指數的單位，L/min；Q—風量，L/min；CO—空氣中CO濃度，%；K—固定系數，一般取值600。在CO指數<10 L/min時，沒有自燃發生，屬正常區，但需要檢測；CO指數10～20 L/min時，說明其氣體來源區為產熱區，已存在高溫危險；當CO指數為20～30 L/min時，說明存在鄰近發火區，存在發火危險。CO指數僅在巷道風流中有效，一般不能用于密閉或封閉的鉆孔內。

3 塔垃壕礦自燃氣體指標

3.1 氣體指標的出現溫度

C2H4的出現溫度：塔拉壕煤礦煤樣在實驗室溫度下即可釋放出少量CO和CH4等氣體。而試驗初始階段沒有C2H4氣體，在70～90 ℃的溫度下，C2H4氣體達到1×10-6左右，如圖2所示。說明塔拉壕煤礦煤樣在高溫階段產生的C2H4氣體主要是煤樣高溫裂解的氣體，這與煤樣的裂解溫度有關。

圖2 不同粒徑煤樣C2H4濃度與溫度關系

C2H2的出現溫度：C2H2也是自燃指標氣體，一般在較高溫度下才會出現。但是試驗一直進行到200 ℃也未見到有C2H2，因此，如果井下能檢測到C2H2，說明溫度已經達到200 ℃以上。

3.2 CO2/CO值

CO2/CO值在試驗起始階段很大，達到130 ℃以上，然后迅速下降，繼而有所上升，在60 ℃處出現一個峰值，達到40左右，如圖3所示。到80 ℃以上時，達到10以下并趨于穩定。因此，如果CO2/CO值低于20應注意，可能有溫度升高到臨界溫度以上。

圖3 塔拉壕煤礦2號煤層混合粒度煤樣CO2/CO隨溫度變化規律

3.3 Graham指數

判定方法：國外利用Graham指數判定煤自燃與否的指標為該指數小于0.4時，為正常，無自燃火災；指數介于0.4～1.0時，說明有發火危險，需要認真檢測排查；指數值為1.0～2.0時，有高溫出現且處于升溫階段，已經臨近發火；當該指數大于2.0，則說明出現了高溫或火災。

2號煤層混合粒度煤樣試驗分析：塔拉壕煤樣氧化產生的CO濃度比較大，反映出Graham指數相對比較大，如圖4所示。當該判定指數處于0～5區間時，煤溫低于80 ℃左右，指數大于7時煤溫已超過100 ℃。相同溫度下，塔拉壕煤樣的Graham指數可達到國外標準的數倍，可見塔拉壕煤礦煤樣容易氧化產生CO，對應的Graham指數也比較高。利用CO與O2消耗量之比的Graham指數判斷自燃發展程度，有可能低估了對某高溫區域的自燃發展程度，應當與其他監測和分析指標相結合，進而準確有效地判斷自燃高溫程度。

圖4 塔拉壕煤礦2號煤層混合粒度煤樣Graham指數隨溫度變化規律

4 結論

(1)塔拉壕煤礦煤樣在70 ℃以上的溫度下才出現少量的C2H4氣體，檢測到該氣體說明井下煤層溫度已經達到70 ℃以上。C2H2也是自燃指標氣體，如果井下檢測到C2H2，說明溫度已經達到200 ℃以上。

(2)CO2/CO值在試驗起始階段很大，達到130 ℃以上，然后迅速下降；繼而有所上升，在60 ℃處出現一個峰值，達到40左右；到80 ℃以上時達到10以下并趨于穩定。因此，如果CO2/CO值低于20應注意，可能有溫度升高到臨界溫度以上。

(3)塔拉壕煤樣氧化產生的CO濃度比較大，反映出Graham指數相對比較大。當該判定指數處于0～5 ℃區間時，煤溫低于80 ℃左右，指數大于7時煤溫已超過100 ℃。該值遠大于許多煤礦判斷標準。