朱拴成

（煤炭科學(xué)研究總院經(jīng)濟(jì)與信息研究分院，北京市朝陽區(qū)，100013）

東龐礦北井自然發(fā)火標(biāo)志氣體的優(yōu)化選擇

朱拴成

（煤炭科學(xué)研究總院經(jīng)濟(jì)與信息研究分院，北京市朝陽區(qū)，100013）

采用程序升溫實驗，研究了東龐煤樣的自燃特性，測定了煤樣在不同熱解溫度下一氧化碳、二氧化碳、甲烷、乙烯、乙炔等氣體的濃度，確定了這些氣體的檢出溫度。對比指標(biāo)氣體優(yōu)選原則，分析了自然發(fā)火指標(biāo)氣體隨溫度變化的規(guī)律性，選出了適合東龐礦煤層自然發(fā)火預(yù)測預(yù)報的指標(biāo)氣體。

自然發(fā)火 指標(biāo)氣體 預(yù)測預(yù)報 東龐礦

1 礦井概況

東龐礦北井地處河北省邢臺市，9202工作面是東龐礦北井9＃煤層第一個工作面，開采方式為綜采放頂煤。9＃煤層屬Ⅱ類自燃煤層，有自然發(fā)火傾向性，含硫量較高，煤層自然發(fā)火期為67 d；有煤塵強爆炸危險性，屬低瓦斯煤層。

2 實驗裝置與測試

2.1 測試目的

煤炭氧化和熱解過程中會產(chǎn)生多種氣體，氣體的成分和濃度與煤溫有對應(yīng)關(guān)系，因而可用作預(yù)報煤炭自燃的標(biāo)志性氣體。本實驗將研究東龐礦北井標(biāo)志性氣體的出現(xiàn)溫度及其濃度與溫度的關(guān)系，為煤炭自燃早期預(yù)測預(yù)報打好基礎(chǔ)。

2.2 實驗系統(tǒng)

本次實驗采用CSC－B2煤低溫自燃實驗臺測試煤樣，該實驗系統(tǒng)由4個組成部分。

（1）煤升溫氧化裝置。該裝置由煤樣罐、加熱爐和保溫殼組成。煤升溫氧化裝置的關(guān)鍵是把煤樣準(zhǔn)確加熱到實驗所需溫度并能維持在該溫度上，使煤樣在該溫度內(nèi)充分氧化，并且要求整個裝置的氣路簡單、密閉。為此重點對煤樣罐進(jìn)行了改造，增加了密封墊。

（2）煤溫檢測和溫控裝置。實驗過程中，將其中的一個溫度傳感器布置在煤樣中，用來檢測煤溫，另一個溫度傳感器布置在煤罐壁上，用來檢測罐壁的溫度。

（3）氣體分析系統(tǒng)。本實驗采用GC－4000A系列氣相色譜儀對加熱過程產(chǎn)生的氣體進(jìn)行分析，該儀器由電氣控制單元、分析單元和氣路控制單元組成。分析單元主要是由色譜柱恒溫箱、熱導(dǎo)檢測器恒溫加熱塊、汽化室加熱塊和轉(zhuǎn)化爐組成。

（4）供風(fēng)系統(tǒng)。供風(fēng)系統(tǒng)由空氣壓縮機(jī)、流量計和管路構(gòu)成，氧化煤樣用的空氣由空氣壓縮機(jī)供給，通過流量計、管路進(jìn)入氧化爐。

2.3 實驗條件

（1）加熱爐。升溫速率：100℃以內(nèi)為1.3℃/min；100～200℃為4℃/min。

（2）氣相色譜儀。柱箱溫度60℃，熱導(dǎo)溫度100℃，汽化溫度150℃，轉(zhuǎn)化溫度360℃，橋絲溫度30℃，TCD載氣H2純度99.99%，F(xiàn)ID N2純度99.99%，H2純度99.99%。

2.4 煤樣的采取與制備

煤樣采自新暴露的煤層表面，采取7個煤樣，分別取自9202工作面上隅角、9202回風(fēng)巷、9202工作面運輸巷、9202工作面、9202工作面下隅角、9021集中軌道巷、集中軌道上山。采樣后立刻放入事先準(zhǔn)備好的塑料袋中并加以密封，運至實驗室。試驗時打開密封袋，將大塊煤進(jìn)行粉碎，裝入加熱爐內(nèi)進(jìn)行加熱。

本次實驗使用煤樣為1000 g，除大塊的煤做人工粉碎外，其余基本上是原采取的煤樣，與采空區(qū)遺煤在物理化學(xué)性質(zhì)方面比較接近，因此實驗結(jié)果與實際情況較相符。

2.5 實驗方法及實驗過程

在實驗過程中，將1000 g的煤樣粉碎后裝入煤樣罐，煤樣罐兩端留有2 cm左右自由空間，用不銹鋼網(wǎng)與煤樣隔開。煤樣罐垂直放入加熱爐，其底部有進(jìn)氣管，由空氣壓縮機(jī)向煤樣罐供空氣，由轉(zhuǎn)子流量計控制進(jìn)氣流量；煤樣罐頂部有出氣管，流出的氣體由集氣裝置進(jìn)行收集，然后注入氣相色譜儀進(jìn)行分析。煤樣罐中心布置有溫度傳感器，以測試煤樣的核心溫度，煤樣罐罐壁布置溫度傳感器，以測試罐壁的溫度。

實驗的溫度范圍為室溫到200℃左右，進(jìn)氣流量為60 ml/min。具體升溫過程：100℃以內(nèi)：先以約1.3℃/min的速度將煤溫升高20℃，然后保持煤溫恒定15 min后，再以約1.3℃/min的速度將煤溫升高20℃，然后保持煤溫恒定15 min，依次類推；100～200℃內(nèi)：先以約4℃/min的速度將煤溫升高20℃，然后保持煤溫恒定20 min后，再以約4℃/min的速度將煤溫升高20℃，然后保持煤溫恒定20 min，依次類推。

3 實驗結(jié)果數(shù)據(jù)分析

3.1 一氧化碳與煤溫的變化關(guān)系

一氧化碳濃度隨溫度的變化曲線見圖1，由圖1可知：

（1）一氧化碳的產(chǎn)生量在27.2～60℃之間，呈現(xiàn)先升高后降低的趨勢，在60℃之后隨著溫度的升高而升高。

（2）綜合7個煤樣的實驗結(jié)果得出，60℃之前出現(xiàn)的一氧化碳為煤體自身所含的吸附態(tài)的一氧化碳和煤樣自燃產(chǎn)生的一氧化碳之和，60℃之后產(chǎn)生的一氧化碳僅為煤體自燃所產(chǎn)生的一氧化碳，根據(jù)40℃時產(chǎn)生的一氧化碳濃度可得一氧化碳出現(xiàn)的臨界溫度為30℃。

（3）在60～120℃之間，一氧化碳增加的幅度較小，煤的氧化速度較慢。

（4）在60～120℃之間，一氧化碳與煤溫基本呈現(xiàn)冪函數(shù)關(guān)系。

（5）從120℃開始，一氧化碳濃度隨溫度的升高而增加的幅度變大，表示煤已經(jīng)進(jìn)入了加速氧化階段。

由以上分析可知，煤樣從低溫開始，經(jīng)過緩慢氧化和加速氧化階段，均有一氧化碳的釋放，并且隨溫度變化出現(xiàn)了一定的規(guī)律性?？梢?，一氧化碳是檢測煤炭早期自燃非常靈敏的指標(biāo)，可以用來作為東龐礦北井預(yù)測煤自燃的指標(biāo)氣體。

圖1 一氧化碳濃度隨溫度的變化曲線

3.2 二氧化碳與煤溫的變化關(guān)系

二氧化碳濃度隨溫度的變化曲線見圖2，從圖2可知：

（1）二氧化碳從溫度27.2℃時開始出現(xiàn)。

（2）在40℃以前，二氧化碳的產(chǎn)生量隨溫度升高而升高。

（3）40℃以后，二氧化碳的濃度呈現(xiàn)出頻繁的起伏變化，規(guī)律性不明顯。

（4）二氧化碳易受井下外界環(huán)境的影響，這是可能導(dǎo)致二氧化碳產(chǎn)生量頻繁起伏變化的原因，而且二氧化碳產(chǎn)生量的規(guī)律性不明顯，所以二氧化碳不宜作為東龐礦北井預(yù)測煤自燃的指標(biāo)氣體。

圖2 二氧化碳濃度隨溫度的變化曲線

3.3 甲烷與煤溫的變化關(guān)系

甲烷濃度隨溫度的變化曲線見圖3，由圖3可知：

（1）甲烷的出現(xiàn)大致在30℃左右，7＃煤樣的甲烷產(chǎn)生濃度與其他煤樣的相差較大，分析可得7＃煤樣中富含吸附態(tài)的甲烷氣體。

（2）整個升溫過程中除7＃煤樣外，甲烷的產(chǎn)生量相對較小，120℃以前，甲烷的增長幅度較小，120～140℃時，其濃度增加的幅度較大。

（3）140℃以后，甲烷的產(chǎn)生量相對較多。綜合7個煤樣分析，甲烷的變化規(guī)律呈現(xiàn)的規(guī)律性不明顯，不可作為指標(biāo)氣體。

圖3 甲烷濃度隨溫度的變化曲線

3.4 乙烷與煤溫的變化關(guān)系

乙烷濃度隨溫度的變化曲線見圖4，由圖4可知：

（1）各煤樣在100℃之前，乙烷的變化趨勢差異性較大，在100℃之后總體上呈現(xiàn)上升趨勢。

（2）在140℃以前，乙烷的濃度值相對較小，140℃以后，乙烷的增長幅度開始變大。

（3）各煤樣測得的乙烷數(shù)據(jù)在100℃之后呈現(xiàn)較為明顯的規(guī)律性，所以乙烷可以作為東龐礦北井預(yù)測煤自燃的指標(biāo)氣體。

圖4 乙烷濃度隨溫度的變化曲線

3.5 乙烯與煤溫的變化關(guān)系

乙稀濃度隨溫度的變化曲線見圖5，從圖5可知：

（1）在100℃以前，各煤樣乙稀的濃度變化差異性較大，各煤樣濃度差異較大，其中6＃煤樣呈現(xiàn)明顯的波動趨勢。

（2）100℃之后，乙稀的濃度變化逐漸趨向規(guī)律性。在140℃以后，乙烯的濃度隨溫度的升高基本呈現(xiàn)出增長的趨勢。

由以上分析可知，可將乙烯作為東龐礦北井預(yù)測煤自燃的指標(biāo)氣體。

圖5 乙稀濃度隨溫度的變化曲線

3.6 烯烷比（C2 H4/C2 H6）與煤溫的變化關(guān)系

烯烷比濃度隨溫度的變化曲線見圖6，由圖6可知：烯烷比隨溫度的升高基本呈現(xiàn)出先升高后降低的趨勢，但是，各煤樣的溫度上升或下降并非發(fā)生在同一個溫度段。與此同時，6＃煤樣和7＃煤樣與其他煤樣之間的差異性明顯。無明顯的規(guī)律性，所以烯烷比（C2H4/C2H6）不宜作為東龐礦北井預(yù)測煤自燃的指標(biāo)氣體。

圖6 烯烷比濃度隨溫度的變化曲線

3.7 乙炔與煤溫的變化關(guān)系

乙炔濃度隨溫度的變化曲線見圖7。在全部的7個煤樣實驗數(shù)據(jù)中，只有6＃煤樣（9021集中軌道巷）和1＃煤樣（9202工作面上隅角）出現(xiàn)過大幅度的波動，其余煤樣的乙炔濃度較小，所以乙炔不宜作為東龐礦北井預(yù)測煤自燃的指標(biāo)氣體。

圖7 乙炔濃度隨溫度的變化曲線

4 指標(biāo)氣體的優(yōu)選

4.1 指標(biāo)氣體的選擇標(biāo)準(zhǔn)

煤氧化產(chǎn)生的氣體產(chǎn)物種類及其與煤溫的對應(yīng)關(guān)系隨煤質(zhì)不同而異，因此，利用氣體分析法來預(yù)報煤炭自燃時，指標(biāo)氣體應(yīng)滿足如下條件：

（1）可檢測性。普通色譜分析儀能檢測到指標(biāo)氣體的存在。

（2）敏感性高。當(dāng)煤炭氧化且煤溫超過一定值時，指標(biāo)氣體一定出現(xiàn)，并隨煤溫的升高其產(chǎn)生量穩(wěn)定增加。

（3）規(guī)律性好。指標(biāo)氣體的濃度與煤溫之間應(yīng)有良好的對應(yīng)關(guān)系，并且對同一煤層重復(fù)性較好。

4.2 灰色關(guān)聯(lián)分析與標(biāo)志氣體的優(yōu)選

通過自然發(fā)火模擬試驗裝置對東龐礦北井的7個煤樣進(jìn)行升溫試驗，對試驗結(jié)果分析可得到適合本試驗的標(biāo)志氣體為CO、C2H6、C2H4。經(jīng)計算，各個可選標(biāo)志氣體與煤自燃氧化溫度之間的關(guān)聯(lián)度見表1。

表1 模擬升溫與各煤樣標(biāo)志氣體相對關(guān)聯(lián)度

由表1可以看出，溫度與CO的相對關(guān)聯(lián)度最高，C2H6次之，C2H4的相對關(guān)聯(lián)度最低。故在140～200℃內(nèi)，即自燃的初期階段選用CO作為本實驗的指標(biāo)氣體可信度較高，鑒于C2H6的相對關(guān)聯(lián)度也較高，令其作為本實驗的輔助指標(biāo)氣體，可以提高預(yù)測的準(zhǔn)確度。

5 指標(biāo)氣體的確定

通過對東龐礦北井7個煤樣的升溫氧化實驗數(shù)據(jù)分析，可以把一氧化碳和乙烷作為東龐礦北井預(yù)測煤自燃的指標(biāo)氣體。

（1）只要檢測到一氧化碳的存在，說明發(fā)火點溫度已經(jīng)達(dá)到了30℃以上，如果一氧化碳的濃度持續(xù)增加，說明煤的氧化進(jìn)一步加強。因此，一氧化碳是首選指標(biāo)，只要發(fā)現(xiàn)井下一氧化碳持續(xù)存在，并且是不斷增加的，就是煤炭自燃的可靠象征，一氧化碳作為預(yù)報的溫度為30～200℃。

（2）乙烷的靈敏度較高，準(zhǔn)確性較好，只要檢測到乙烷，便可以判定自燃進(jìn)入了加速氧化階段，預(yù)報溫度為140～200℃。

（3）在140～200℃這段溫度范圍內(nèi)用一氧化碳和乙烷同時作為指標(biāo)氣體，旨在保證預(yù)測的準(zhǔn)確性，因此在檢測到一氧化碳的同時，需同時檢測到乙烷的含量。一旦發(fā)現(xiàn)一氧化碳含量持續(xù)增加，而乙烷同時出現(xiàn)，表明煤自燃已進(jìn)入加速氧化階段。

［1］ 王云.礦井火災(zāi)預(yù)防與處理［M］.北京：煤炭工業(yè)出版社，1992

［2］ 王省身，張國樞.礦井火災(zāi)防治［M］.徐州：中國礦業(yè)大學(xué)出版社，1990

［3］ 付永水，李建新.義馬礦區(qū)煤層自然發(fā)火防治技術(shù)［M］.北京：煤炭工業(yè)出版社，2006

［4］ 牛立東，王海平.水地莊煤礦井下自燃案例探討［J］.中國煤炭，2011（7）

［5］ 朱令起，周心權(quán)，朱迎春.東歡坨煤礦自然發(fā)火標(biāo)志氣體的優(yōu)化選擇［J］.西安科技大學(xué)學(xué)報，2008（2）

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Optimization of index gases for coal spontaneous combustion in North well of Dongpang Mine

Zhu Shuancheng
（Branch of Economy and Information，China Coal Research Institute，Chaoyang，Beijing 100013，China）

The spontaneous combustion characteristics of coal samples fromDongpang Coalmine were determined by programmed heating experiment.The concentrations and initial emission temperatures of CO，CO2，CH4，C2H4，C2H2were measured.According to the optimization principle of the index gas，the laws of index gases varied with the temperature were analyzed and the index gases suitable for the prediction and forecast of coal spontaneous combustion of Dongpang Coalmine were determined.

spontaneous combustion，index gas，prediction and forecast，Dongpang Mine

TD752.2

A

朱栓成（1982－），男，河南方城人，工程碩士，注冊安全工程師，現(xiàn)任煤炭科學(xué)研究總院經(jīng)濟(jì)與信息分院編輯出版中心主任，一直從事礦山安全工程及科技期刊的編輯出版和經(jīng)營管理工作。

（責(zé)任編輯 張艷華）