塔什店煤礦自燃發火實驗及指標氣體優選

蔡新勝，毛金峰，張崇禮，楊小龍

(新疆工程學院 礦業工程與地質學院, 新疆 烏魯木齊 830000)

我國大多數煤礦目前以CO作為預測預報煤炭自然發火指標氣體，但在應用過程中逐漸認識到CO的非唯一性[1]。使用CO還存在一些不足和問題，因此研究指標氣體與煤溫之間對應關系等新的研究方法慢慢成為預報煤炭自然發火更為可靠、準確的新方向[1-2]。

1 煤的升溫氧化實驗

1.1 交通位置

金川礦業有限公司塔什店煤礦區位于庫爾勒市塔什店鎮以西12 km處，本區8號煤層組在全區發育，傾角一般在8°～20°。8號煤層組埋深總趨勢為：中部深四周淺，南部深北部淺，西部淺東部深，最淺位于測區的西北部煤層露頭處，海拔標高為990 m左右，最深位于測區的中部盆地中心部位，海拔標高為410 m左右。井下煤層破碎或通風不良時，煤層有自燃現象，自燃發火期為76 d。

1.2 煤的升溫氧化試驗

采用智能煤升溫氧化箱，對煤樣進行加熱升溫和程序升溫，如圖1所示。

圖1 程序升溫裝置示意圖Fig.1 Schematic diagram of temperature programming device

將塔什店礦采集的8301工作面的新鮮煤樣取出，進行破碎、篩分、縮分、混合等手段制樣。將煤樣放置于程序升溫氧化箱內(圖2)試驗，開啟色譜工作站并對數據進行分析處理，觀察煤自燃產生的各類指標氣體的規律[3]。

圖2 程序升溫加熱系統Fig.2 Temperature programming heating system

2 結果分析

整理總結歸納試驗結果，煤的自燃氧化可以分成三個大的階段。在常溫到45℃，該煤樣未曾出現CO，45℃后CO開始出現，該階段生成少量CO，CO2，H2O。在當溫度達到110℃左右時，開始出現C2H6，140℃開始出現C2H4，煤處于加速氧化階段，該階段主要表現為隨著溫度的升高，開始出現一些其他指標氣體，如C2H4等氣態烴。當溫度達到280℃以后，煤開始劇烈氧化，不同氣體濃度增加，當溫度再度升高后，就會導致煤的自燃。

2.1 煤的耗氧速率分析

從煤的耗氧速率分析來看，當溫度低于45℃時，煤氧化耗氧速率低于0.4 m3/t，隨著溫度的升高，煤開始發生緩慢氧化，耗氧率逐步增大。此時出現兩個反應速率變化點，即80℃和160℃，溫度超過80℃后，氧化速率開始增大，當溫度達到80℃時，耗氧率達到1.13 m3/t，160℃時開始出現乙烯，溫度超過160℃后，煤溫升速率極快，煤開始進入加速氧化階段。整個階段沒有檢出C2H2氣體。

2.2 CO指標分析

在很多礦井預測預報煤自然發火時，CO作為主要的火災標志氣體得到廣泛的應用[4]。低溫氧化過程中CO生成量與煤溫關系密切，詳見圖3。由圖可以看出，CO濃度隨溫度的上升呈現單調上升的曲線，45℃～160℃呈緩慢變化態勢，其中，45℃～80℃氧化速率較緩，80℃～160℃氧化速率增加，溫度超過160℃后，CO生成量急劇增加，煤開始進入加速氧化階段，可作為塔礦自然發火預報預測的早期指標氣體，但無法定量分析出煤炭氧化過程中所處的準確階段，加上現場風量稀釋作用，對自燃判定往往出現誤判的情況。在正常生產條件下，工作面的配風量發生變化不大，為了更好地預測煤自然發火，可采用⊿CO(一氧化碳增量)來進行預測[5]。

圖3 CO隨溫度變化曲線Fig.3 Curve of the change of CO with temperature

圖4 溫度與CO濃度差Fig.4 Difference between temperature and CO concentration

連續統計采空區幾天的CO濃度，計算每天的濃度差值，帶入回歸的數學模型，即可分析出溫度與CO濃度差之間的關系。

通過數據回歸分析，得到了回歸數學模型：

y=y0+A1e-x/t

通過數據驗證，得出了待定系數：

y0=-0.076 69，A1=0.023 18，t=-64.992 58，代入回歸模型：

y=-0.076 69+0.023 18ex/64.992 58

其中，x為煤體溫度，y為CO濃度差。

在煤溫達到100℃前，⊿CO<100 PPm，煤溫達到140℃前，⊿CO<500 PPm，即煤溫超過100℃后，CO呈現快速增長趨勢，出現第一次升溫速率增加點，140℃后煤體進入加速氧化階段。

2.3 CO2/CO、C2H6/C2H4指標研究

經試驗CO2/CO比值如圖5所示。當該比值大于50時，表明此時煤體溫度在50℃左右，煤開始發熱；比值小于10后，煤體溫度為70℃以上，CO2/CO的比值隨溫度變化呈現指數形式下降，CO產生量劇增，溫度達到160℃后，CO2/CO的比值開始小于2。C2H6/C2H4指標研究如圖6所示。

圖5 CO2/CO比值-變化曲線Fig.5 Changing curve of CO2/CO ratio

圖6 C2H6/C2H4指標-變化曲線Fig.6 Changing curve of C2H6/C2H4 index

3 結論

通過分析實驗獲取的塔什店煤礦自然發火指標氣體得知，確定采用CO、CO2/CO及C2H6/C2H4作為煤自然發火預報預測指標氣體。由于煤礦井下條件復雜，受風量和注氮的影響，單純采用CO指標對預報預測會產生較大影響。濃度比值法由于同比消除了風量和注氮的稀釋作用影響，可優先采用濃度比值法進行預報預測，單氣體作為輔助指標進行預報預測。

緩慢氧化階段，由于CO、CO2出現較早，且塔什店煤礦煤層CO2中含量較低，可優先采用CO2/CO作為預測指標，當該比值大于50時，表明此時煤體溫度在50℃以下，煤開始發熱；當該比值開始小于10時，煤溫處于70℃左右；當比值小于5時，煤溫處于110℃；當溫度達到140℃以后，CO2/CO的比值開始小于3，同時乙烷伴隨著出現。

加速氧化階段，煤的耗氧量大大增加，C2H6在130℃開始出現，160℃時開始出現C2H4。