德盛煤礦煤自燃標志性氣體的實驗與確定

王瑞林

（山西寧武德盛煤業(yè)有限公司，山西 寧武 036700）

據(jù)統(tǒng)計，煤炭自燃火災約占煤礦火災事故的90%，而井下采空區(qū)由于具有極其復雜的動態(tài)變化，成為了煤自燃火災的主要發(fā)生地點[1]。由于煤的標志性氣體具有生成物中獨有的特點，最能表現(xiàn)生成量占比與相應溫度，因此，如何科學地選取標志性氣體對礦井進行防滅火工作的預測預報非常重要[2-3]。

1 煤自燃標志氣體的實驗與選擇

不同煤質(zhì)的煤炭在氧化自燃熱解中所釋放的氣體產(chǎn)物不盡相同，且這些氣體的熱解溫度同樣差別較大，因此，可以利用其作為標志氣體對煤炭自然發(fā)火進行監(jiān)測，及時上報數(shù)據(jù)，做到火災的有效預報[4]。

1.1 煤樣的選擇

德盛礦目前開采2#與5#煤層，分別選取煤樣進行升溫熱解實驗和升溫氧化實驗，觀察該兩種煤樣在不同溫度下氧化過程中所釋放氣體的變化規(guī)律與產(chǎn)物溫度。

1.2 實驗設備

煤樣升溫熱解和升溫氧化將利用“煤自燃特性綜合測試系統(tǒng)”進行實驗，該系統(tǒng)主要由預熱氣路、傳熱罐、控溫箱組成，集成了溫度控制系統(tǒng)、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)和色譜分析系統(tǒng)，具有需煤樣少、實驗耗時短、體積小巧、便于操作等優(yōu)點。煤自燃特性實驗系統(tǒng)原理圖如圖1。

1.3 實驗流程

德盛煤礦從井下取得煤樣后，需要運至實驗室進行破碎工作，篩分出50 g 粒度為60～80 的煤樣，再將煤樣放入銅質(zhì)存儲罐內(nèi)，隨后煤樣置于程序控溫箱內(nèi)，再對各氣路管道進行氣密性的檢測，校準無誤后開始實驗。

圖1 煤自燃特性實驗系統(tǒng)原理圖

實驗過程中，以80 cm3/min 的速度向煤樣內(nèi)充入干空氣，將控溫箱初始溫度調(diào)整為30 ℃，以1℃/min 的速度對煤樣進行升溫加熱至220 ℃，加熱過程中每間隔10 ℃對所釋放的氣體進行成分分析和濃度測定。

1.4 實驗數(shù)據(jù)

進行實驗時，煤自然發(fā)火期間主要經(jīng)歷三個不同階段，所釋放出來的氣體一部分是由于煤自身氧化產(chǎn)生的氣體產(chǎn)物，即煤自燃氧化氣體，另一部分是成煤過程中吸附在其孔隙內(nèi)的氣體，由于煤體溫度升高而解吸出來的，稱煤吸附氣體。2#煤樣與5#煤樣釋放的氣體成分與濃度見表1、表2。

2 實驗結(jié)果分析

德盛煤礦2#、5#煤樣升溫氧化試驗所釋放的氣體主要以CO2和CO為主，其中CO變化規(guī)律性更強，隨著溫度的升高而升高；高溫情況下含有少量的H2和CH4，C2H4和C2H6含量極少，C2H2則并無發(fā)現(xiàn)，如表1、表2 所示。主要監(jiān)測氣體產(chǎn)物變化規(guī)律如圖2、圖3，分析如下。

2.1 CO 濃度隨溫度變化規(guī)律

CO 氣體的出現(xiàn)貫穿于2#煤樣與5#煤樣的全部實驗過程中，從30～220 ℃都可監(jiān)測。2#煤樣方面，當溫度低于110 ℃時，CO 濃度的漲幅隨溫度上升變化較小；溫度超過110 ℃后，CO 濃度大幅上升，其釋放量與溫度呈指數(shù)式增長。5#煤樣方面：當溫度低于100 ℃時，CO 濃度的漲幅隨溫度上升變化較小；溫度超過100 ℃后，CO 濃度大幅上升，其釋放量與溫度呈指數(shù)式增長。當CO 濃度快速升高時，表明煤樣內(nèi)部已經(jīng)迅速氧化。

2.2 CO2 氣體產(chǎn)生規(guī)律

無論在2#煤樣還是5#煤樣的熱解實驗中，CO2氣體隨溫度升高呈先波動、再上升的變化規(guī)律。分析認為，這主要是因為CO2的產(chǎn)生一部分來自煤的升溫解析，另一部分來自于受熱氧化，由于變化規(guī)律穩(wěn)定性差，因此不采用此CO2作為標志性氣體。

2.3 H2 濃度隨溫度變化規(guī)律

2#煤樣方面：溫度低于170 ℃時，并未檢測到H2；溫度超過170 ℃時，H2開始釋放并隨溫度上升緩慢增加，認為該煤樣進入快速氧化期。

5#煤樣方面：溫度低于140 ℃時，并未檢測到H2；溫度超過140 ℃時，H2開始釋放并隨溫度上升緩慢增加，認為該煤樣進入快速氧化期。

表1 德盛煤業(yè)2 號煤層煤樣升溫氧化實驗數(shù)據(jù)

表2 德盛煤業(yè)5 號煤層煤樣升溫氧化實驗數(shù)據(jù)

圖2 德盛煤礦2#煤樣升溫氧化氣體隨溫度變化圖

2.4 C2H4 濃度隨溫度變化規(guī)律

無論在2#煤樣還是5#煤樣的熱解實驗中，當溫度低于170 ℃時均未檢測到C2H4的出現(xiàn)，超過該溫度后，C2H4隨溫度的上升而緩慢增加。

2.5 C2H6 濃度隨溫度變化規(guī)律

無論在2#煤樣還是5#煤樣的熱解試驗中，C2H6濃度隨溫度上升的變化較為規(guī)律。當溫度低于150 ℃并未監(jiān)測有C2H6的釋放，高于此溫度后，C2H6含量隨溫度的升高緩慢增加。

圖3 德盛煤礦5#煤樣升溫氧化氣體隨溫度變化圖

2.6 C2H2 濃度隨溫度變化規(guī)律

在兩個煤樣的氧化升溫實驗中，并未檢測到C2H2，參考相關資料和實際經(jīng)驗表明，C2H2是煤的氧化進入激烈氧化燃燒階段的標志，分析認為這是由于其出現(xiàn)的溫度高于220 ℃所致[5]。

3 標志性氣體的選擇

根據(jù)實驗結(jié)果分析判斷，將選用CO 的相對量和變化率作為2#、5#煤層自燃傾向的預測指標，配合觀測H2、C2H4、C2H6的相對量進行自燃狀態(tài)預測預報。具體操作如下：（1）當監(jiān)測出現(xiàn)CO 氣體時，說明煤已經(jīng)開始發(fā)生氧化，需繼續(xù)觀察CO 的釋放量同時繪制該測點的CO 變化曲線。當監(jiān)測數(shù)據(jù)穩(wěn)定上升時說明CO 濃度在規(guī)律增加，此時煤處于快速氧化階段，必須發(fā)出預警。（2）H2、C2H4和C2H6可以作為高溫（140～170 ℃）條件下預測煤自然發(fā)火加速氧化階段的標志氣體。如果已經(jīng)監(jiān)測到CO，一經(jīng)發(fā)現(xiàn)H2、C2H4或C2H6氣體逸出，即可判斷為煤的氧化已進入自熱加速階段，必須及時發(fā)出警報并采取措施。（3）值得注意的是，在對煤樣進行實驗時并無發(fā)現(xiàn)C2H2，但根據(jù)長久以來煤層自燃的經(jīng)驗判斷，C2H2同樣是可作為高溫時煤自燃的標志性氣體。建議現(xiàn)場當檢測到C2H2，同樣可以判斷監(jiān)測區(qū)內(nèi)煤炭已經(jīng)有燃燒的明火，需采取積極措施，以免誘發(fā)其他事故發(fā)生。

4 結(jié) 語

煤炭自燃是制約煤礦安全生產(chǎn)的重要災害之一，標志性氣體分析法因其具有分析技術準確成熟、配套監(jiān)測系統(tǒng)完善的特點被廣泛用于井下火災預測預報工作中。德盛煤礦通過“煤自燃特性綜合測試系統(tǒng)”對正在開采的2#、5#煤層煤樣進行實驗，旨在確定兩層煤層自然發(fā)火的標志氣體。最終確定了以監(jiān)測CO 作為煤炭自燃早期預測預報的指標，配合監(jiān)測H2、C2H4或C2H6的濃度變化以反映煤自燃所處程度，實現(xiàn)了井下煤炭自燃的監(jiān)測監(jiān)控，對提高煤礦安全生產(chǎn)效率和預防自然發(fā)火有積極的作用。