平煤一礦丁5煤層自然發火標志性氣體實驗研究

徐長安

(中國平煤神馬集團煤礦通風處,河南 平頂山 467000)

煤礦井下煤炭的自然發火不僅會影響礦井的正常回采作業，而且還會產生大量的有毒有害氣體，甚至引起煤礦井下的重大火災和瓦斯爆炸等嚴重事故。因此，需要采取措施提前對煤炭的自然發火特征進行預防，把風險關口前移，提前預測和防治煤炭的自然發火。井下煤自燃的發生和發展是一種物理和化學反應共同作用的過程，煤在發生氧化反應后產生的熱量會不斷發生積聚，進而發生煤自燃現象[1-2]。通過相關學者的研究成果可知[3-5]，對井下巷道中氣體成分分析，可以作為對礦井井下熱動力災害的檢測和評估依據，同時，也可以作為對煤礦熱動力災害預測預報的一種有效方法[6-8]。因此，可以采用煤在氧化升溫后不同溫度點釋放出來的氣體來預測煤的自燃，這對于早期發現煤自燃的火災隱患，及時采取針對性的措施來控制因為煤自燃而帶來的一系列災害具有重要的意義。

王從陸等[9]開展了萍鄉礦業某礦的煤自然發火特性試驗，分析了熱解實驗下不同溫度時產生的氣體特征，提出采用CO作為核心指標氣體，O2、CO2和CH4作為輔助指標氣體來預測煤的自然發火。仲曉星等[10]采用程序升溫的方法獲得了煤自燃的臨界溫度。王怡等[11]采用設計的采空區煤自燃相似模擬試驗平臺，得出CO作為預測煤自燃的主要指標氣體，而C2H4和C2H6作為輔助指標氣體的結論。秦紅星等[12]對煤樣開展低溫氧化試驗之后，得出以CO、C2H4和C3H8作為煤在不同溫度下的標志性氣體。文虎等[13]以非線性擬合方程的分析結果為依據，把CO2、CH4和CO作為對煤自然發火預測的指標氣體。為了對平煤一礦丁5-32140工作面煤層的自然發火特征進行研究，采用煤升溫氧化實驗裝置對該煤層的煤樣開展實驗分析，對不同溫度下煤樣熱解之后產生的氣體濃度變化規律進行分析，以期找出對該煤層自然發火進行預測的標志性氣體，實現對丁5煤層自然發火的精準預測和防控。

1 實驗裝置和工作流程

本次實驗采用的是煤升溫氧化實驗裝置，裝置的示意如圖1所示。煤升溫氧化實驗裝置主要包含4個部分：①對實驗煤樣進行升溫氧化的加熱系統，由智能溫度控制調節器來控制程序升溫的速率，同時，對實驗過程中煤的溫度變化進行同步記錄；②氣體分析系統，主要是指氣相色譜儀，在煤開展升溫氧化實驗后，對不同溫度點煤產生的氣體種類進行分析和檢測；③數據處理系統，主要是依靠安裝有色譜數據工作站的微機系統來完成；④供氣系統，主要包括高壓氣瓶、流量計、氣流穩壓閥、相應的氣體連接管路和控制閥門。

圖1 煤升溫氧化實驗裝置結構示意

開展煤升溫氧化實驗應該滿足的煤樣和氣體條件為：煤樣粒度小于0.1 mm；煤樣質量為5 g；通過的氣體類型為空氣，流量為100 mL/min.在實驗時，將粒徑小于0.1 mm的實驗煤樣5 g裝入氧化爐中，并對裝置的氣密性進行檢查。調節空氣流量，打開控溫儀，按設定程序自動控制各溫度段升溫速率和恒溫時間。在一切工作就緒之后，即可進行升溫氧化實驗。氣相色譜儀的操作要注意載氣的選用問題，即對O2、N2分析時用H2作為載氣，對CO、CO2以及烴類氣體分析時用N2作為載氣。

2 實驗煤樣的準備

2.1 實驗煤樣制備

本次氧化升溫實驗的煤樣取自平頂山天安煤業股份有限公司平煤一礦丁5-32140綜采工作面，在綜采工作面采集好的煤樣放入到密封袋中，運送到實驗室。依據煤氧化升溫的實驗要求對塊煤進行破碎，而后采用標準煤樣篩制備出40～80目顆粒的煤粉，裝入密封的玻璃瓶中進行干燥，作為氧化升溫實驗的煤樣。工作面煤樣的工業分析結果如表1所示。

表1 煤樣的工業性分析結果

2.2 實驗流程

在實驗開始之前，首先對氣相色譜儀進行各通道進行標氣校正，將盛有干燥煤樣的煤樣罐放入程序升溫箱中，對程序升溫箱的初始溫度等相關參數進行設定。設定完成后，開始實驗，點擊測試爐的程序升溫按鍵，在溫度每升高10 ℃的時候，就點擊進樣，分析該溫度點的氣體種類和濃度的數據，分析完成后，待溫度升至下一個溫度點時候，再次點擊進樣，而后分析在該溫度下的氣體特征；按照上述的操作步驟依次循環作業，直到煤樣溫度升到170 ℃左右，實驗結束。具體的實驗流程如圖2所示。

圖2 實驗流程圖

3 實驗結果與分析

3.1 碳氧化合物的析出規律分析

根據本次煤的氧化升溫實驗，得出在不同的溫度下對應的氣體種類和濃度數據和實驗煤樣碳氧化合物濃度與溫度的對應關系，如圖3和圖4所示。

圖3是氧化升溫實驗中，煤樣產生CO2的濃度與溫度的對應關系。由圖3可知，煤樣在實驗溫度30～170 ℃的范圍內，均可以檢測到CO2氣體。對CO2的來源進行分析，在30～70 ℃左右測試到的CO2氣體一方面來源于實驗供氣系統含有的CO2，在另外一方面還可能是煤中賦存CO2解吸出來的以及煤發生相對緩慢的氧化反應生成的。在70～120 ℃之間，煤的氧化反應處于加速氧化階段，反應速率逐漸加快，氧化產生的CO2氣體隨溫度的升高穩步增加。在120 ℃以后，煤氧復合反應劇烈，反應速率急劇增大，此時CO2氣體的產生量較前期相比開始成倍增加，例如，實驗終止溫度170 ℃時的CO2氣體的濃度為1.72%，是70 ℃時CO2濃度0.27%的6.33倍。

圖3 CO2濃度與溫度的關系

由于煤礦井下的CO2的來源相對比較廣泛，煤和有機物的緩慢氧化、人員呼吸等多種因素都會產生CO2[14].同時，CO2還會被潮濕的煤壁吸收，導致濃度降低。綜合上述分析可知，CO2濃度受到外界的影響比較大，因此，在本次的實驗條件下CO2不作為對煤層自然發火預測的核心標志氣體，僅作為輔助指標使用。

圖4 CO濃度與溫度的關系

圖4是CO濃度與溫度的關系，煤樣在30～170 ℃的反應溫度范圍內可以檢測到CO氣體。在30～70 ℃左右檢測的CO氣體可能主要源于煤中原生CO氣體的受熱脫附和煤自身發生的緩慢氧化反應。在70～120 ℃之間煤氧復合反應處于加速氧化階段，反應速率逐漸加快，煤氧化作用產生的CO氣體隨溫度升高穩步增加。隨著溫度的升高，氧化反應的發生變得更加劇烈，CO氣體的產生量較前期相比開始成倍增加，例如，120 ℃時的CO氣體的濃度為0.068%，是70 ℃時CO濃度0.010 5%的6.48倍。

綜合上述分析可知，在氧化升溫實驗時，CO濃度與溫度之間具有良好的正相關對應關系。因此，可以認為在該工作面出現煤的熱量異常時才能檢測到CO，并且CO受到采面外界作用的影響相對比較小，具有比較高的靈敏性。因此，本次選擇CO作為對丁5-32140工作面自然發火的核心標志性氣體。

3.2 碳氫化合物的析出規律分析

在本次的氧化升溫實驗中，煤樣升溫后產生的碳氫化合物濃度與溫度的對應變化關系，如圖5～圖7所示。

圖5 CH4濃度與溫度的關系

圖6 C2H6濃度與溫度的關系

對比圖5和圖6可知，烷烴氣體CH4和C2H6在實驗溫度30～170 ℃的范圍內均能檢測到，且兩者逸出趨勢基本相同，CH4和C2H6在130 ℃以前基本上隨著溫度的升高而增大。但在實驗溫度為130 ℃時，兩種氣體的濃度都急劇變大。對兩種氣體的來源進行分析可知，在實驗溫度30～60 ℃時，檢測到的CH4和C2H6氣體來源，考慮是煤中賦存的原生烷烴氣體發生了受熱脫附，進而釋放出來。隨著煤體溫度的不斷升高，煤的氧化反應不斷增加，煤結構中部分官能團(-COOH、-OH、含氧雜環等)和脂肪側鏈受熱裂解、烷基側鏈斷裂分解等生成CH4和C2H6氣體。熱解產生的CH4和C2H6氣體量，隨著溫度的升高而呈現出增大的特點。

圖7 C2H4濃度與溫度的關系

由圖7可知，C2H4氣體在實驗溫度30～110 ℃的范圍內均為零，也就是說此階段沒有C2H4氣體的出現。在實驗溫度是120 ℃時才開始檢測出C2H4，之后隨著溫度的升高，C2H4氣體的濃度迅速增大。在一般的條件下，烯烴類氣體來自游離態脂肪烴自由基的裂解，另一個方面是芳環上的烷基側鏈、炔烴(如丙炔)和官能團等斷裂和分解生成的。因此，也可以說當丁5-32140工作面有對應的C2H4氣體檢測出來的時候，就可以判斷，至少有一部分煤的溫度達到了120 ℃以上。可以認為，井下實際上已經發生了煤的自燃，應該采取一系列的有效措施來阻止。

在實驗終止溫度170 ℃時，C2H4的濃度為0.003 018%，是120 ℃濃度0.000 108 5%的27.82倍，可以認為，在實驗溫度達到120 ℃以后，C2H4的濃度隨著實驗溫度的升高，呈現出指數型增加特征。結合正常條件下井下的氣體種類可知，井下不會出現烯烴類氣體。因此，C2H4可以認為是該工作面的煤在加速氧化時的預測氣體，本次把C2H4當作對工作面自然發火預測的核心指標氣體。

3.3 氧氣濃度的變化規律

通過本次對煤的氧化升溫實驗，可以獲得O2濃度與溫度的關系，如圖8所示。

由圖8可知，O2濃度與溫度之間的對應關系比較好，在煤的溫度達到60 ℃之后，O2濃度隨著溫度的不斷增加而呈現出逐漸減小的特征。可以認為在這一階段，煤中的氣體主要是以發生受熱之后的脫附反應為主，并且有一定程度的復合反應發生，O2的消耗量相對比較少。在60 ℃的時候，煤樣中的O2濃度仍然高達21.73 %.在煤的溫度處于70～170 ℃之間，O2濃度下降速度的速度比較快，這說明煤的氧化反應進度到了加速氧化階段，O2的耗氧量急劇增加，在實驗溫度結束點170 ℃時，O2濃度僅為3.01%.然而，煤礦井下的O2濃度受到通風系統、作業人員呼吸耗氧和井下作業位置等因素的影響比較多，因此，本次不選擇O2濃度作為對丁5-32140工作面煤層自然發火的指標氣體。

圖8 O2濃度與溫度的關系

3.4 自燃傾向性判定

本次采用氧化動力學的測試方法[15]，對丁5-32140工作面煤層的自燃傾向性進行判定，所采用的計算公式為(1)～(3)。

(1)

(2)

I=φ(φCO2ICO2+φTcptITcpt) -300

(3)

式中：ICO2為參與實驗的煤樣溫度達到70 ℃時，煤樣罐出口的O2濃度指數，無量綱；CO2為參與實驗的煤樣溫度達到70 ℃時，煤樣罐出氣口的O2濃度，%；ITcpt為參與實驗的煤樣在氧化升溫條件下交叉點的溫度指數，無量綱；Tcpt為交叉點溫度，℃；140為交叉點溫度的計算因子，℃；I為煤自燃傾向性判定指數，無量綱；θ為放大因子，取值為40；φCO2為低溫氧化階段的權數，取0.6；φTcpt為加速氧化階段的權數，取0.4；300為修正因子。

根據氣相色譜儀對測試實驗煤樣罐出口各氣體的濃度測定，可以得出丁5-32140煤樣在溫度為70 ℃時，O2氣體的濃度為19.54%.

交叉點溫度Tcpt指的是測試煤樣的中心溫度曲線和環境溫度曲線在交叉點的溫度值[16-17]。根據實驗裝置對溫度的采集測試結果，可得到丁5-32140工作面煤樣的交叉點溫度為172 ℃.將上述參數值帶入公式(1)～(3)，可以計算得出丁5-32140采面煤樣的自燃判定指數I=691.26，如表2所示。

依據表3所示的煤自燃傾向性分類指標，發現丁5-32140煤樣自燃傾向性判定指數處于600

表2 煤的自燃傾向性判定指數I值

表3 煤自燃傾向性判定標準

4 結 語

通過對平煤一礦丁5-32140工作面煤樣開展氧化升溫實驗，得出煤樣在不同溫度下生成的CO、CO2、O2、CH4、C2H4、C2H6氣體的濃度變化規律，獲得以下結論：

1) 隨著溫度的升高，CO和CO2的濃度都呈現出遞增的特征，在溫度為120 ℃之后，兩種氣體的濃度以指數型的方式增加；在實驗溫度是120 ℃時,開始檢測出C2H4，隨著溫度的升高，C2H4氣體的濃度迅速增大；CH4和C2H6的濃度也隨著溫度的升高而呈現出相似的遞增特征，在溫度為130 ℃時，兩種氣體都出現了濃度的突然增加；O2濃度隨著溫度的增加而不斷降低，測試的結束溫度為170 ℃時,O2的濃度為3.01%.

2) 本次把CO和C2H4氣體作為丁5-32140工作面自然發火的標志性氣體，把CO2、CH4和C2H6作為預測煤層自然發火的輔助指標。采用上述的指標，可以作為對井下丁5煤層自燃傾向性的動態監測，起到對該工作面煤層自燃的預測和防治作用。

3) 根據氧化動力學的公式，計算出煤的自燃傾向性判定指數值為691.26，得出丁5-32140工作面屬于自燃煤層。