李國芳 牛紅杰 王冬冬

（山東新巨龍能源有限責(zé)任公司，山東 菏澤 274918）

煤自燃火災(zāi)一直是困擾我國煤炭開采的主要災(zāi)害之一[1]。它不僅會燒毀和凍結(jié)資源，甚至導(dǎo)致次生災(zāi)害造成嚴重的財產(chǎn)和人員傷亡[2,3]。在我國的煤炭資源開發(fā)以及利用的整個過程中，開采深度超過800m已有200多處，超過1000m已有47處，僅山東省就占21處[4]。深井開采由于地溫高，煤自燃起始溫度高，發(fā)火期短。圍巖溫度升高改變了煤體蓄熱條件，煤氧化放熱性增強，其中向采空區(qū)漏風(fēng)現(xiàn)象的加重，是由于煤體、工作面風(fēng)流這兩者產(chǎn)生的熱風(fēng)壓引起，由此帶來了較大的危險性[5]。本文以山東省巨野礦區(qū)3煤層煤樣為研究對象，采用大型煤自然發(fā)火試驗測試煤從30℃自燃氧化升溫到170℃過程，測定煤自燃過程以及指標(biāo)氣體變化規(guī)律。通過計算得到高地溫環(huán)境中煤自燃特性和自燃極限參數(shù)，為采空區(qū)自然發(fā)火防治提供了指導(dǎo)依據(jù)。

1 試驗條件及裝置

1.1 試驗裝置

采用新型煤自然發(fā)火試驗裝置研究高地溫礦井煤樣自燃過程特征及指標(biāo)性氣體變化規(guī)律。試驗裝置如圖1所示。

1.2 試驗過程

試驗使用的煤樣為塊煤，2t，使用破碎機破碎后裝入試驗裝置，煤樣工業(yè)分析如表1所示。煤自然發(fā)火期為煤樣從原始地溫升高至發(fā)火溫度所需實際時間。試驗中，爐內(nèi)煤體最高溫度從試驗開始29.7℃升至167.9℃，歷時69d，除去因停電、降溫、維護等客觀因素而造成煤自然發(fā)火試驗時間延長，按原始地溫為37.82℃計算，得出煤樣自然發(fā)火期為46d。

圖1 煤自然發(fā)火試驗裝置

表1 煤樣工業(yè)分析及真密度

2 煤自燃過程及自然發(fā)火期

煤樣在自然發(fā)火試驗過程中煤樣溫度與時間之間的關(guān)系如圖2所示。

圖2 煤樣溫度與時間之間的關(guān)系

由此可以得到，在初期階段，煤樣氧化具有相對較慢的增速，當(dāng)達到42d以上的通風(fēng)時間，氧化升溫速率開始明顯加快，對應(yīng)臨界溫度50℃～65℃。試驗進行48d之后，煤樣氧化升溫速率加快，對應(yīng)為干裂溫度105℃～115℃。進行到50.6d時，煤氧化溫度對應(yīng)為活性溫度℃140～150℃。當(dāng)煤體溫度超過170℃之后，升溫速率急劇升高，在保持較好的通風(fēng)供氧條件下，煤氧化溫度急劇升高，一天左右即可超過350℃，超過燃點。

表2 不同地溫時煤自然發(fā)火期

煤樣自然發(fā)火期受到地溫的影響，由表2可得，通過試驗得到在采空區(qū)環(huán)境的溫度為20℃時，煤樣發(fā)生自燃的最短自然發(fā)火期為59d，隨著地溫的升高，逐漸減小。當(dāng)?shù)販厣叩?2℃時，煤樣試驗最短自然發(fā)火期減少為34d。地溫升高22℃，試驗最短自然發(fā)火期減少了25d。因此，高地溫礦井煤自然發(fā)火期會顯著地縮短，增加了煤出現(xiàn)自燃火災(zāi)的危險程度。

3 煤自燃指標(biāo)氣體

隨著煤溫升高以及氧化程度增加，反應(yīng)產(chǎn)生氣種類和產(chǎn)生量會出現(xiàn)顯著變化。因此，確定合適煤自燃特征參數(shù)對預(yù)測煤自燃程度、對煤自燃預(yù)警與防治意義重大。針對新巨龍公司煤樣選取CO、C2H6、C2H4等分析，進一步確定合適的煤自燃預(yù)報指標(biāo)氣體。

3.1 單一指標(biāo)氣體選擇

CO濃度在低溫階段（20℃～80℃）隨煤氧化溫度升高變化規(guī)律如圖3，煤自燃全過程中產(chǎn)生氣體濃度和供風(fēng)量與溫度關(guān)系如圖4，C2H4和C2H6產(chǎn)生量與溫度的關(guān)系如圖5。

圖3可以得出，在低溫階段，CO氣體濃度隨溫度的增加而不斷增加。隨著煤溫升高，CO氣體逐漸增加，超過煤自燃臨界溫度之后，CO氣體產(chǎn)量增長速度明顯加快。溫度超過110℃以后，CO增長率突然降低，增大供風(fēng)量稀釋了CO氣體。由圖4可以看出，在煤的氧化過程低溫階段，CO2氣體產(chǎn)生量較大，隨著煤的氧化溫度的升高呈先下降后升高的趨勢，在煤的氧化溫度為56.5℃時達到最小值。說明煤在低溫階段氧化過程中產(chǎn)生的CO2主要是煤中原有的CO2脫附。

由圖5可知，煤樣在試驗的初始階段未產(chǎn)生C2H4，C2H4在煤樣溫度超過80℃后產(chǎn)生，據(jù)此可判斷C2H4是煤裂解產(chǎn)生的氣體。在試驗的初始階段就出現(xiàn)了C2H6，可判斷為煤解吸脫附產(chǎn)生的，在超過裂解溫度后，裂解產(chǎn)生的C2H6大幅增加。

圖3 低溫階段（20℃～80℃）CO的濃度

圖4 氣體濃度和供風(fēng)量與溫度的關(guān)系

圖5 C2H4和C2H6產(chǎn)生量與溫度的關(guān)系

3.2 氣體比值

（1）CO2/CO

CO2和CO氣體的比值可以用來排除風(fēng)流變化對煤自燃產(chǎn)生氣體的影響，能夠更準(zhǔn)確地反應(yīng)煤自燃的程度。在50℃之前，CO2與CO的比值隨煤溫升高呈現(xiàn)先上升后下降的趨勢，在煤溫達到50℃左右時比值最大，隨后呈下降趨勢，煤氧化溫度超過100℃之后CO2/CO的比值趨于穩(wěn)定。

3.3 烯烷比

烯烷比是判定煤自燃程度的重要依據(jù)之一，其比值與溫度的關(guān)系如圖7。單一指標(biāo)氣體受井下環(huán)境因素影響不能準(zhǔn)確判斷井下自然發(fā)火情況，烯烷比配合其他指標(biāo)氣體能夠準(zhǔn)確預(yù)測煤自燃發(fā)展程度。烯烷比隨煤的氧化溫度升高總體呈現(xiàn)先上升后下降的趨勢，烯烷比在120℃左右達到最大值。

圖6 CO2/CO比值與溫度之間的關(guān)系

圖7 C2H4/C2H6比值與溫度的關(guān)系

4 煤自燃極限參數(shù)

煤自燃極限參數(shù)主要指的是使其實現(xiàn)自燃的外界極限條件，具體分為極限氧濃度、下限漏風(fēng)強度以及最小浮煤厚度。松散煤體自燃發(fā)生的可能有：氧濃度的下限值同環(huán)境相比較較大，同上限漏風(fēng)強度相比較小以及最小煤體厚度小于松散煤體厚度[5]。

式中：

Cmin-松散煤體的下限氧濃度，%；

C1-空氣中的氧濃度，%；

Qmax-松散煤體的上限漏風(fēng)強度，cm/s；

λe- 松散煤體的等效導(dǎo)熱系數(shù)，J/(cm·s·K)；

hmin-松散煤體的最小浮煤厚度，cm；

q-煤體溫度為T時的放熱強度，J/(cm3·s)；

T-煤體溫度，℃；

Ty-煤體圍巖體溫度，℃；

Tg-風(fēng)流溫度，℃；

h-松散煤體的煤厚，cm；

Q-漏風(fēng)強度，cm/s；

Cg- 空氣比熱容，J/(kg·K)；

ρg-空氣的密度，kg/m3。

根據(jù)公式（1）到（3）計算得出，同條件下煤樣的自燃極限參數(shù)呈如下變化規(guī)律：

（1）煤樣的極限參數(shù)中最小浮煤厚度和下限氧濃度隨著煤樣溫度的升高，數(shù)值體現(xiàn)為先上升后下降的變化趨勢，在達到最大值后迅速減少。

（2）上限漏風(fēng)強度同煤溫之間具有一定關(guān)系，溫度的不斷升高，會使上限漏風(fēng)強度先下降后上升；當(dāng)煤的氧化溫度高于100℃以后，上限漏風(fēng)強度迅速上升。煤自燃極限參數(shù)在50℃～60℃達到極值。

（3）煤樣的臨界溫度與煤自燃極值點溫度基本上相似。根本的原因就是煤溫升高的過程中，同環(huán)境溫度的差值就會增大，因此需要大量的散熱；處于臨界點之前的氧化放熱具有相對較小的增加幅度，對氧化放熱量、散熱量的增長率兩者相比較，前者相對較小，達到臨界點時，氧化速率就會出現(xiàn)明顯的增加，同時帶來其放熱量的上升，帶來增長率的翻轉(zhuǎn)。

（4）煤的極限參數(shù)極值點的溫度同煤化程度具有正相關(guān)關(guān)系，根本原因就是氧化程度的不斷升高，帶來臨界點溫度的增加，相反處于低溫環(huán)境下，氧化性也就相應(yīng)的比較低。

5 結(jié)論

（1）采用煤自然發(fā)火試驗研究得到高地溫環(huán)境煤自燃特性，得到隨著地溫的升高煤的上限漏風(fēng)強度自然發(fā)火期顯著縮短，在地溫為42℃時，煤自然發(fā)火期相比地溫為20℃時，煤樣上限漏風(fēng)強度自然發(fā)火期減少25d。

（2）利用煤自然發(fā)火試驗裝置得出煤自燃指標(biāo)氣體（CO、C2H4、C2H4/C2H6）及其對應(yīng)特征溫度，測定了煤自燃特征參數(shù)，為煤自燃火災(zāi)的監(jiān)測預(yù)警提供依據(jù)。

（3）煤的下限氧濃度及最小浮煤厚度隨著煤溫升高，呈現(xiàn)先上升后下降的趨勢；煤的上限漏風(fēng)強度隨著煤溫升高，表現(xiàn)為先下降后上升的趨勢，煤的自燃極限參數(shù)的極值出現(xiàn)溫度與煤的臨界溫度相近。