張鵬飛，吳玉國，楊 凱

（1.太原理工大學 礦業(yè)工程學院，太原 030024；2.中煤平朔集團有限公司 井東煤業(yè)，山西 朔州 036006）

1 課題背景簡況

煤炭自燃是個動態(tài)復(fù)雜的發(fā)展過程，在特定環(huán)境條件時煤吸附氧，經(jīng)過氧化自熱，熱量積聚到一定程度，產(chǎn)熱量大于放熱量，便會引起煤炭自燃。煤炭自燃后其周圍煤巖及空氣溫度升高，熱解并釋放出一系列的氣體產(chǎn)物，這些氣體的出現(xiàn)和產(chǎn)生量隨著溫度的上升會呈現(xiàn)出規(guī)律性的變化。利用這種變化來預(yù)測預(yù)報煤是否發(fā)生自燃及自燃的發(fā)展情況，這些能預(yù)測并反映煤自然發(fā)火狀態(tài)的氣體稱為煤自燃性指標氣體。不同的礦井、煤質(zhì)、煤賦存條件、開采情況都會影響到氣體產(chǎn)物的臨界溫度。因此，筆者以平朔井東煤業(yè)9號煤為研究對象，通過實驗研究優(yōu)選出適合9號煤的指標氣體。

2 實驗設(shè)計概況

1）煤樣的選?。簩嶒炦x用平朔井東煤業(yè)9號煤，其工業(yè)分析結(jié)果，如表1所示。

2）實驗裝置：利用太原理工大學的煤自燃綜合特性測試裝置，對平朔井東煤業(yè)9號煤樣進行程序升溫氧化實驗。煤自燃綜合特性測試裝置系統(tǒng)圖，見圖1，由預(yù)熱氣路、傳熱煤樣罐、程序控溫箱、溫度控制系統(tǒng)、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)組成，能實現(xiàn)恒溫、程序升溫、跟蹤升溫三種溫控方式，可經(jīng)跟蹤溫度絕熱、預(yù)熱氣路絕熱、絕熱煤樣罐絕熱，最大限度地實現(xiàn)煤自燃絕熱條件。

表1 工業(yè)分析結(jié)果

圖1 煤自燃綜合特性測試裝置系統(tǒng)圖

3）實驗條件及過程：選用井東煤業(yè)9號煤層煤樣，對現(xiàn)場采集的新鮮大煤塊剝除表面的氧化層，保留煤芯部分，用真空袋封裝運至實驗室。利用顎式破碎機對煤芯粉碎研磨，篩選出0.20～0.28 mm（60～80目）的顆粒煤40 g作為實驗煤樣，用廣口瓶封裝待用。實驗前，將制備好的煤樣置于銅質(zhì)煤樣罐內(nèi)，煤樣罐密閉后放于程序控制箱中，連接好進、出氣路及溫度探頭（探頭水平垂直置于罐體幾何中心），并檢查系統(tǒng)氣密性。實驗時，向反應(yīng)器內(nèi)通入80 mL/min的干空氣，以1℃/min的升溫速率對煤樣進行加熱，標志性氣體分析溫度設(shè)為30℃～220℃（煤自然發(fā)火理論表明：150℃左右時，即煤進入加速升溫階段，煤溫上升迅速，在良好的外部條件下，可以很快達到燃燒階段，此時對于早期預(yù)報已沒有意義）。

3 實驗結(jié)果分析

經(jīng)過實驗，得到井東煤業(yè)9號煤樣在通入空氣后程序升溫氧化過程中，氣體產(chǎn)物隨煤溫變化的實驗數(shù)據(jù)，經(jīng)整理和分析，研究了 CO、H2、C2H4、CO/CO2、C2H4/C2H6等氣體濃度（比值）隨煤溫升高的演化規(guī)律。

1）CO濃度（比值）隨煤溫升高的演化規(guī)律：從圖2看出，井東煤業(yè)9號煤產(chǎn)生CO的臨界溫度30℃～50℃（煤氧化過程中可檢測到CO急劇變化的溫度），CO氣體貫穿整個氧化過程中，其在低溫氧化階段產(chǎn)生量較小，濃度變化會隨著溫度的升高大致呈指數(shù)上升趨勢。但在70℃～80℃時，CO生成量隨煤溫的升高也會變得迅速，說明從該溫度段開始，煤進入迅速氧化階段，煤氧復(fù)合作用加劇。對于井東煤業(yè)9號煤層，若檢測到CO存在，需持續(xù)加強檢測，在對煤體溫度進行測定時，如果溫度接近70℃左右，說明CO的溫升率變得更加靈敏，應(yīng)及時采取措施，以防止煤自燃擴大。參照煤炭自然發(fā)火指標氣體優(yōu)選的原則，30℃～50℃時已可加強監(jiān)測，因此CO可作為井東煤業(yè)9號煤層檢測自然發(fā)火的主要指標氣體。

2）H2濃度（比值）隨煤溫升高的演化規(guī)律：從圖3看出，井東煤業(yè)9號煤中H2生成的臨界溫度120℃，其產(chǎn)生量隨煤溫升高呈先增大、后減小、再增大。在120℃～180℃時，H2隨溫度急劇增加，說明煤自燃已進入加速氧化階段；在180℃～210℃時，其產(chǎn)生量會略有下降。

3）C2H4濃度（比值）隨煤溫升高的演化規(guī)律：從圖4看出，井東煤業(yè)9號煤中C2H4出現(xiàn)的溫度110℃左右，其產(chǎn)生量會隨煤溫升高整體呈單一遞增關(guān)系。在110℃～160℃變化浮動較??；大于160℃后，表現(xiàn)出明顯上升趨勢。當檢測到C2H4濃度30 ppm時，說明煤溫已達160℃，氧化進入加速氧化階段，故可作為煤層自然發(fā)火的指標氣體。

圖2 井東煤業(yè)9號煤層煤樣C O隨溫度的變化趨勢圖

圖3 井東煤業(yè)9號煤層煤樣H2隨溫度的變化趨勢圖

圖4 井東煤業(yè)9號煤層煤樣C2H4隨溫度的變化趨勢圖

4）CO/CO2濃度（比值）隨煤溫升高的演化規(guī)律：由圖5可知，在30℃～50℃時，CO/CO2比值較平穩(wěn)，CO和CO2生成速率相近，溫度較低時，煤氧化還不完全，CO濃度較小，所以比值增加緩慢。當70℃～150℃時，比值呈單調(diào)增長趨勢，此時煤進入迅速氧化階段，隨著煤溫升高CO生成速率明顯高于CO2。在大于150℃后，比值開始明顯下降，說明CO2生成速率開始高于CO。對于井東煤業(yè)9號煤層，若能檢測到CO/CO2濃度比增加迅速，則表明煤溫肯定已經(jīng)超過70℃，煤體將進入加速氧化階段，應(yīng)采取可行的預(yù)防措施。在70℃～80℃左右時，CO濃度會隨溫度變得靈敏，且CO/CO2比值增速也加快，因此，在以CO為主要指標氣體的同時，可將CO/CO2比值作為檢測井東煤業(yè)9號煤層自然發(fā)火的輔助指標。

圖5 井東煤業(yè)9號煤層煤樣C O/C O2隨溫度的變化趨勢圖

5）C2H4/C2H6：由圖 6 可知，C2H4/C2H6比值隨煤溫總體呈增長趨勢，溫度100℃～150℃時浮動較?。划敎囟却笥?50℃后，比值開始出現(xiàn)明顯上升趨勢；當檢測到比值超過0.5時，可以認定煤層已劇烈氧化。因此在檢測儀器足夠靈敏時可作為東煤業(yè)9號煤層自然發(fā)火的輔助指標。

圖6 井東煤業(yè)9號煤層煤樣C2H4/C2H6勢圖

4 結(jié)論

（1）煤樣中出現(xiàn)CO的臨界溫度在30℃～50℃，產(chǎn)生量隨溫升呈指數(shù)上升趨勢。因此，CO可作為井東煤業(yè)9號煤層檢測自然發(fā)火的主要指標氣體，并輔以CO/CO2比值來檢測煤層自然發(fā)火的情況。

（2）C2H4在110℃左右出現(xiàn)，產(chǎn)生量隨溫升整體呈單一遞增關(guān)系，可作為煤層自然發(fā)火的主要指標氣體。由于H2出現(xiàn)的臨界溫度為120℃，生成量隨溫升先增大、后減小、再增大的趨勢變化，所以單一依靠H2來檢測煤層自然發(fā)火情況并不科學。

（3）C2H4/C2H6比值受環(huán)境因素影響較小，在檢測儀器足夠靈敏時可作為煤層自然發(fā)火的輔助指標。

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