信湖8煤層自然發火標志氣體分析

高世強

（安徽理工大學，安徽 淮南 232001）

一、煤低溫氧化標志氣體理論

煤自燃是一個相對復雜的物理和化學共同作用的過程，是多變的自動加速的放熱過程，這個過程主要發生的是煤氧附和反應。煤自燃指標氣體是指，由于煤自燃而產生其體積分數發生變化的，并對煤自然發火狀態和發展趨勢的火災氣體可以進行一定的表征，又稱為指標氣體。自燃指標氣體主要分為三類：第一類最常用的是CO以及（Graham指數）等屬于碳氧化合物的種類，它適用于長焰煤階段，也在低變質褐煤有廣泛應用；第二類主要是包括乙烷（C2H6）、丙烷（C3H8）、丁烷（C4H10）等在內的烷烴，以及鏈烷比，他們主要包括C2H6/CH4、C3H8/CH4、C4H10/CH4、C3H8/C2H6和C4H10/C2H6，還有就是一些不飽和烴，包括C2H4等烯烴和C2H2炔烴，以及一系列比值（C2H4/CH4、C3H6/CH4、C4H8/CH4等）。第二、三類指標氣體廣泛適用在高、中揮發分煙煤階段。

早期預報是對于煤礦火災十分必要的手段，預防得越早，就能盡可能地少產生氣體；預報得越慢，就會產生更多的氣體以至于采取措施不及時。檢測到氣體就應該及時快速地采取措施治理，這時候的氣體指標我們就可以稱之為預報臨界值。目前常用的煤炭自燃預報指標有：指標氣體的濃度、指標氣體的發生量、火災系數、鏈烷比等。

二、煤氧化指標氣體試驗系統

1.氧化熱解試驗裝置

為了選擇符合礦井實際的煤炭自燃指標氣體，我們與山東魯南瑞虹化工儀器有限公司最新聯合研制了煤的自燃性測試儀，儀器外觀示意圖如圖2-1所示，測試系統結構如圖2-2所示。該裝置主要包括：程序控溫爐、煤樣罐、溫度測量、顯示和控制系統、流量傳感器及氣路系統穩壓、穩流等組成。

2.供氧系統

供氧系統由高壓空氣瓶和管路構成。氧化煤樣用的空氣由高壓瓶供給，通過穩壓閥、流量傳感器和管路進入氧化爐。

3.氣體分析系統

氣體分析采用北京東西電子生產的GC4085型礦井氣體多點參數色譜自動分析儀，它是國家“八五”科技攻關項目《礦井氣體多點參數色譜自動分析儀》的主要單元，采用了組合式整體結構，主要由雙柱箱專用氣相色譜儀、自動取樣器、色譜數據處理工作站組成。應用微機漢化操作，從取樣→分析→檢測→報告打印全過程自動化。色譜儀具有熱導檢測器（TCD）、雙氫火焰離子化檢測器（FID）、甲烷轉化裝置及柱預切換系統；氣路控制系統；電氣測量系統及三個自動進樣閥。

三、818工作面煤樣試驗

1.試驗煤樣特點

自818綜采工作面的新暴露表面采集煤樣，采樣后立即放入塑料袋中并加以密封，運至實驗室。試驗前，從裝有原始煤樣的密封袋中抽取一定的氣體進行氣相色譜分析，得到煤樣在升溫氧化前的氣體情況。

2.試驗操作程序

2.1 試驗前，首先分析實驗室內空氣成分，以確保色譜氣路內沒有殘留氣樣；在煤樣裝入氧化爐前，采集煤樣袋中的氣樣，進行氣體分析。煤樣粉碎處理。打開煤樣袋將煤樣粉碎、過篩和稱量，然后按不同的粒度和空氣流量進行試驗流量和粒度的考察。煤樣低溫氧化試驗。把粉碎好的粒徑為0.125mm～0.2mm的煤樣，分別裝入煤樣罐內，打開高壓空氣瓶，調節空氣穩壓閥，直到用皂膜流量計測到出氣口的空氣流量為100ml/min，然后進行程序升溫，升溫速率為1℃/min，200℃前每升溫10℃后進行恒溫穩定5min，200℃后每升溫10℃后進行恒溫穩定5min，然后用抽氣泵自動抽取煤罐氣樣進行色譜分析。

3.818試驗結果及分析

根據實驗結果數據，對煤樣在實驗過程O2和CO的體積分數隨溫度變化規律作圖，如圖4-1，4-2所示。

圖4-1 氧氣濃度隨溫度變化曲線

圖4-2 一氧化碳濃度隨溫度變化曲線

根據實驗數據與圖4-1和圖4-2可知，1、2號煤樣出現CO的最早溫度為50℃，說明818工作面出現一氧化碳的臨界溫度是為50℃。各煤樣的CO產生濃度隨煤溫的增加整體上呈指數型增長，且煤溫在40℃～120℃時，CO產生量基本變化不大，較為平緩，當溫度達到120℃～140℃后，CO產生量開始有明顯上升趨勢，說明煤氧化反應開始加快，此后隨著溫度的增加，CO產生量開始指數增長。各煤樣剛開始在煤溫140℃以前，氧氣濃度減少不太明顯，超過這一階段，氧氣濃度明顯下降，一氧化碳濃度也較大變化，說明氧化進程加快。

4.烷烴類氣體分析

根據實驗結果數據，還可得到C2H4、C2H6氣體濃度隨煤溫增加的變化曲線，如圖4-3，4-4所示。

圖4-3 乙烯濃度隨煤溫的變化

圖4-4 乙烷濃度隨煤溫的變化

隨著煤溫的不斷升高，煤分子中的各種結構（如側鍵、橋鍵）均會發生不同程度地斷裂、裂解和裂化，并與氧發生反應，一般會釋放出甲烷、乙烷、乙烯、乙炔、丙烷各種氣體。從圖4-3、4-4可知，乙烯檢出溫度比CO較晚許多，一般在臨界溫度左右，乙烯到140℃才開始被氣相色譜儀檢測出，乙炔只在2#煤樣280出現過一次，此后未檢出。

1、2號煤樣出現乙烯最早溫度都在140℃，且在170℃達到1ppm。此后，濃度隨著溫度的增加呈現指數變化，增長速度逐漸加快，乙烯氣體的出現表明煤分子中的側鍵及橋鍵開始發生裂解；1號煤樣出現乙烷的溫度為50℃、2號煤樣出現乙烷的溫度分別為30℃，且各個煤樣乙烷濃度隨溫度增長皆出現波動現象。1號煤樣出現丙烷的溫度是170℃、2號煤樣出現丙烷的溫度是140℃，且隨煤溫的增加，產生量也較為明顯增大，但隨著溫度到達300℃以后，2號煤樣丙烷濃度趨于平緩。

根據實驗結果結合信湖礦實際情況，818工作面可適合采用CO和C2H4兩種氣體作為煤自燃標志氣體。

結語

通過對818工作面上部和下部煤樣進行了煤低溫氧化實驗研究，得出以下結論。

第一，818工作面煤低溫氧化出現一氧化碳的臨界溫度是為50℃，各煤樣低溫氧化產生的CO濃度隨煤溫的增加整體上呈指數規律增長。

第二，當煤低溫氧化溫度在120℃～140℃后，CO產生量開始有明顯上升趨勢，說明煤氧化反應開始加快，此后隨著溫度的增加，CO產生量開始呈指數增長趨勢。

第三，氧氣濃度在煤體溫度140℃之前，下降較為平緩，當煤體溫度高于140℃后，氧氣濃度下降明顯。

第四，當煤低溫氧化溫度到140℃時出現了乙烯（C2H4）氣體，170℃時乙烯（C2H4）氣體達到1ppm。

第五，在溫度30℃～50℃時，有乙烷（C2H6）氣體出現。且濃度隨溫度增長出現波動。

第六，30～300℃之間，1號煤樣未出現乙炔（C2H2），2號煤樣在280℃時出現微量乙炔（C2H2）。

第七，根據實驗結果結合信湖礦實際情況，信湖煤礦8煤層適合采用CO和C2H4兩種氣體作為煤自燃標志氣體。