王月紅，周寧，張九零，朱壯

(華北理工大學(xué) 礦業(yè)工程學(xué)院，河北 唐山 063009)

0 引 言

煤自燃是近年來煤礦安全領(lǐng)域中的重要研究內(nèi)容，煤層即將燃燒前能夠及時(shí)發(fā)出預(yù)警是研究煤炭自然發(fā)火規(guī)律的關(guān)鍵，預(yù)警不僅保證了安全管理人員有時(shí)間去采取有效的措施將火災(zāi)事故消滅在發(fā)生之前，而且還能更好地保護(hù)礦業(yè)資源及井下工作人員的生命安全。其中，選取正確的自燃預(yù)測指標(biāo)氣體成為最關(guān)鍵的問題。從目前的研究看，趙婧昱等[1]、武福生[2]、許崇幫等[3]、劉寶志[4]、秦紅星等[5]注重運(yùn)用控制試驗(yàn)變量來改變對煤自燃試驗(yàn)的環(huán)境條件，其中升溫速率、干空氣流量和氧氣體積分?jǐn)?shù)等試驗(yàn)變量則被用來確定煤在外界環(huán)境影響下的自燃指標(biāo)氣體。指標(biāo)氣體的研究結(jié)果顯示，多數(shù)煤種以CO，C2H6，CH4，C2H4等氣體體積分?jǐn)?shù)作為現(xiàn)場火災(zāi)預(yù)警的輔助參考指標(biāo)[6-9]。為了排除環(huán)境條件的影響因素，一些學(xué)者應(yīng)用復(fù)合指標(biāo)氣體預(yù)測法判斷礦井下的煤層是否發(fā)生自燃。駱大勇[10]，楊朔等[11]、任江朋[12]、安幫等[13]、寧政權(quán)[14]研究煤樣在氧化過程中的不同溫度階段復(fù)合指標(biāo)氣體釋放規(guī)律，其中O2/(CO+CO2)、C2H6/C2H4、CO2/CO與O2/CO2等復(fù)合指標(biāo)氣體在特定溫度條件下受試驗(yàn)條件影響較小。眾多學(xué)者通過試驗(yàn)得到了各煤種相對應(yīng)的自燃指標(biāo)氣體，卻忽略了因選擇預(yù)測指標(biāo)氣體過多，在現(xiàn)實(shí)操作當(dāng)中會(huì)偶爾出現(xiàn)預(yù)測結(jié)果出現(xiàn)較大偏差的問題。為了更好地應(yīng)用指標(biāo)體系，就需要判斷各指標(biāo)氣體與溫度的關(guān)聯(lián)程度。本文應(yīng)用灰色關(guān)聯(lián)法，對各自燃指標(biāo)氣體體積分?jǐn)?shù)隨溫度的變化規(guī)律進(jìn)行探討，依據(jù)所得關(guān)聯(lián)度值大小對各指標(biāo)氣體由大到小依次排序，關(guān)聯(lián)度越大，證明此指標(biāo)氣體預(yù)測預(yù)報(bào)結(jié)果就越接近真實(shí)情況。最后通過一系列計(jì)算優(yōu)化，使整個(gè)體系具有更佳的實(shí)用性和更好的準(zhǔn)確性。

1 試 驗(yàn)

1.1 煤樣制備

按照《煤層煤樣采取方法》(GB/T 482-2008)，在山西常村、范各莊、東歡坨、內(nèi)蒙古以及崔礦采取試驗(yàn)所需煤樣。選取大塊煤，剝?nèi)ケ砻嫜趸瘜?，然后用顎式破碎機(jī)將其破碎，篩分，得到煤粉均徑為0.097 5 mm的煤樣，將制備好的煤樣用量杯測量其體積后用電子天平稱取80 g，立即裝入樣品袋中，保證煤樣新鮮，盡量減少空氣氧化影響。

1.2 工業(yè)分析

工業(yè)分析試驗(yàn)是探究煤質(zhì)特點(diǎn)的基礎(chǔ)性試驗(yàn)。利用煤樣工業(yè)分析試驗(yàn)結(jié)果，可得出煤種的基本參數(shù)。通過對試驗(yàn)結(jié)果分析，為煤自然發(fā)火預(yù)防工作以及采空區(qū)自然發(fā)火預(yù)報(bào)體系提供依據(jù)。本文利用5E-MAG6700全自動(dòng)工業(yè)分析儀對試驗(yàn)煤樣進(jìn)行工業(yè)分析試驗(yàn)，其結(jié)果如表1所示。

表1 各煤樣工業(yè)分析結(jié)果

由表1可以得出，伴隨煤種變質(zhì)程度逐漸降低，其水分含量依次增加，其中山西常村無煙煤水分質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.98%，崔礦褐煤水分質(zhì)量分?jǐn)?shù)為13.70%；煤種中揮發(fā)分隨煤種變質(zhì)程度降低不斷增加，山西常村無煙煤中揮發(fā)分最低為12.25%，崔礦褐煤揮發(fā)分最高為29.09%；煤種中固定碳含量隨煤種變質(zhì)程度的降低不斷減少。山西常村無煙煤中固定碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)最高為74.88%，崔礦褐煤固定碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)為48.23%。試驗(yàn)中各煤樣均呈現(xiàn)良好的變質(zhì)程度差異性。

1.3 氧化升溫試驗(yàn)

本次氧化升溫試驗(yàn)的主要設(shè)備是KSS-5690A型氣相色譜儀和升溫氧化爐，具體的試驗(yàn)操作過程：取出用電子秤精確稱量的80 g煤樣，均勻裝入煤樣反應(yīng)罐，將裝好的反應(yīng)罐與裝置的進(jìn)出氣路接好，并用氣泡水對各個(gè)管路口進(jìn)行氣密性檢測，打開控溫裝置，運(yùn)用程序升溫軟件進(jìn)行試驗(yàn)。試驗(yàn)過程中，為了保證試驗(yàn)的精密度，要時(shí)刻關(guān)注煤樣的溫度變化，電腦系統(tǒng)記錄煤樣從反應(yīng)罐產(chǎn)生的氣體組分及質(zhì)量分?jǐn)?shù)，每升高10 ℃測量1次，煤樣在爐中氧化升溫到280 ℃時(shí)結(jié)束試驗(yàn)。

2 結(jié)果與分析

通過氧化升溫試驗(yàn)以及氣相色譜分析，整理出不同變質(zhì)程度煤樣升溫氧化試驗(yàn)產(chǎn)生的不同氣體體積分?jǐn)?shù)與溫度變化的規(guī)律，結(jié)合煤自燃指標(biāo)氣體選取原則[15]篩選煤的自燃預(yù)測指標(biāo)氣體。

2.1 非烴類氣體體積分?jǐn)?shù)變化規(guī)律

(1)CO氣體。由圖1可知，最早出現(xiàn)CO氣體的煤樣為崔礦褐煤，最晚出現(xiàn)CO氣體的煤樣為山西常村無煙煤。隨著煤種變質(zhì)程度加深，CO出現(xiàn)的時(shí)間逐漸延長。在相同升溫速率、通風(fēng)等試驗(yàn)條件下，煤樣變質(zhì)程度越淺，其釋放的CO體積分?jǐn)?shù)在同一溫度下越高。

圖1 CO，CO2，和O2體積分?jǐn)?shù)隨溫度變化曲線

(2)CO2氣體。CO2在各種煤樣中都有附著情況，30 ℃時(shí)均有CO2氣體釋放出來。在試驗(yàn)中監(jiān)測到的CO2氣體，一部分來自于煤樣升溫時(shí)釋放出來附著的CO2，另一部分則來自于溫度升高，煤樣開始發(fā)生氧化反應(yīng)產(chǎn)生的CO2。由于自身附著的CO2含量高，則無法單獨(dú)準(zhǔn)確表征煤自燃的狀態(tài)。

(3)O2氣體。在本次升溫氧化試驗(yàn)中，是將空氣通入煤樣罐內(nèi)使煤樣發(fā)生氧化反應(yīng)，所以，開始監(jiān)測時(shí)(30 ℃)O2就已經(jīng)出現(xiàn)，由于煤樣升溫氧化時(shí)，煤中含碳有機(jī)物和O2發(fā)生反應(yīng)，所以O(shè)2含量的變化呈現(xiàn)出很好的規(guī)律性。煤樣隨著溫度升高，氧氣消耗量持續(xù)增長；煤種變質(zhì)程度越淺，其耗氧量就越高。因此，O2可以作為本次試驗(yàn)的自燃指標(biāo)氣體進(jìn)行研究。

2.2 烴類氣體體積分?jǐn)?shù)變化規(guī)律

(1)CH4氣體。由于山西常村無煙煤以及東歡坨氣煤都附著CH4且該氣體出現(xiàn)最大體積分?jǐn)?shù)的時(shí)間較晚(圖2)，不能單一作為各煤種自燃指標(biāo)氣體。

(2)C2H4氣體。作為不飽和烯烴，是煤樣在升溫氧化過程中得到的一種產(chǎn)物，且在原始煤層中不存在附著現(xiàn)象。C2H4出現(xiàn)的溫度以及釋放量隨著溫度升高不斷加大；隨著變質(zhì)程度的降低，該氣體出現(xiàn)的溫度也隨之降低，釋放量也越大，具有很好的規(guī)律性?？梢宰鳛楸敬卧囼?yàn)的自燃指標(biāo)氣體。

圖2 CH4，C2H4和C2H6體積分?jǐn)?shù)隨溫度變化曲線

(3)C2H6氣體。5種煤樣中都可以監(jiān)測到C2H6氣體，特別是山西常村無煙煤最為明顯，如圖3所示。山西常村無煙煤在試驗(yàn)剛剛進(jìn)行監(jiān)測即30 ℃時(shí)，就已經(jīng)監(jiān)測到C2H6存在，這說明山西常村無煙煤中附著有C2H6，隨著溫度升高，C2H6釋放出來。剩余4種煤樣均呈現(xiàn)出相同趨勢，只是由于變質(zhì)程度不同，內(nèi)部結(jié)構(gòu)差異，氣體出現(xiàn)的溫度以及釋放量有所差別，但不影響整體趨勢。所以C2H6可以作為本次試驗(yàn)中除山西常村無煙煤以外的崔礦褐煤、內(nèi)蒙古長焰煤、東歡坨氣煤、范各莊3551肥煤的自燃指標(biāo)氣體。

2.3 氣體體積分?jǐn)?shù)比值規(guī)律分析

(1)烷烯比φ(C2H6)/φ(C2H4)。山西常村無煙煤在升溫氧化前階段有大量自身附著的C2H6釋放，所以C2H6不適合作為山西常村無煙煤自燃的指標(biāo)氣體。但如果應(yīng)用烷烯比，就可以避免前期附著的C2H6干擾。因?yàn)楫?dāng)出現(xiàn)C2H4氣體時(shí)，附著在煤樣上的C2H6已經(jīng)迅速降低。

圖3 烷烯比與鏈烷比隨溫度變化曲線

事實(shí)證明，對于各煤種煤樣而言，烷烯比數(shù)值和煤樣升溫均具有很好的規(guī)律性，可以作為本次試驗(yàn)煤的自燃指標(biāo)氣體。

(2)鏈烷比φ((C2H6)/φ(CH4)。山西常村無煙煤、東歡坨氣煤等在升溫氧化前階段有大量自身附著的CH4釋放；同時(shí)，山西常村無煙煤還附著大量的C2H6，這些原因?qū)е赂髅悍N煤樣的鏈烷比隨著溫度升高未呈現(xiàn)出穩(wěn)定的規(guī)律，所以本次試驗(yàn)不以鏈烷比作為煤自燃的指標(biāo)氣體。

依據(jù)煤自燃指標(biāo)氣體選取原則，初步篩選出的指標(biāo)氣體如表2所示。表2中“√”表示該種氣體為選定的煤自燃指標(biāo)氣體；“×”表示該種氣體不作為本次煤自燃指標(biāo)氣體的研究對象。

表2 不同煤樣煤自燃指標(biāo)氣體

3 自燃發(fā)火指標(biāo)氣體灰色關(guān)聯(lián)分析

由于指標(biāo)體系中含有不同的指標(biāo)氣體，某些外界因素可能會(huì)導(dǎo)致某個(gè)指標(biāo)氣體與其他指標(biāo)氣體之間存在著矛盾。因此，就需要確定以哪一個(gè)指標(biāo)氣體為主，哪一個(gè)指標(biāo)氣體為輔，哪一個(gè)指標(biāo)氣體應(yīng)該放棄。自燃前階段是預(yù)防煤自燃的關(guān)鍵時(shí)期。所以有必要利用灰色關(guān)聯(lián)分析確定這一階段哪種指標(biāo)氣體具有更高的可靠度，從而使整個(gè)指標(biāo)氣體系統(tǒng)更加完善。

3.1 灰色關(guān)聯(lián)分析的基本步驟

(1)確定反映系統(tǒng)行為特征的參考溫度(t)數(shù)列和影響系統(tǒng)行為的煤升溫氧化過程中的指標(biāo)氣體為比較序列。

Yi=[yi(1),yi(2),…,yi(n)]，

Xi=[xj(1),xj(2),…,xj(n)]，

(1)

式中,yi(n),xj(n),分別為第n次試驗(yàn)中第i個(gè)參考序列和第j個(gè)比較數(shù)列的數(shù)據(jù)。

(2)對參考數(shù)列和比較數(shù)列進(jìn)行無量綱化處理。

(2)

(3)求參考數(shù)列與比較數(shù)列的灰色關(guān)聯(lián)系數(shù)ξi(k)。

ξi(k)=min|imin|k‖t(k)|Xi(k)|+ξmax

|imax|k|t(k)|Xi(k)‖/(|t(k)|xi(k)|+

ξmax|imax|k|t(k)|Xi(k)|),

(3)

式中：ξi(k)為Xi對t在k時(shí)刻的灰色關(guān)聯(lián)系數(shù)；ξ為分辨系數(shù)，一般在0～1間，通常取0.5。

(4)求關(guān)聯(lián)度ri。

(5)關(guān)聯(lián)度排序。

3.2 量化分析討論

利用灰色關(guān)聯(lián)分析，對各煤樣的指標(biāo)氣體與溫度依次進(jìn)行灰色關(guān)聯(lián)分析，得到本次試驗(yàn)不同煤種指標(biāo)氣體灰色關(guān)聯(lián)度，通過計(jì)算，得到本次試驗(yàn)各變質(zhì)程度煤樣指標(biāo)氣體灰色關(guān)聯(lián)度，如表3所示。表3中“×”表示該種氣體不作為本次煤自燃指標(biāo)氣體的研究對象。

表3 不同煤樣指標(biāo)氣體灰色關(guān)聯(lián)度

由以上對灰色關(guān)聯(lián)分析可知，當(dāng)灰色關(guān)聯(lián)度越大，則說明該指標(biāo)氣體與煤自燃氧化升溫發(fā)展的程度越擬合，越能代表此時(shí)煤層(堆)的狀態(tài)。

從表3可知：山西常村無煙煤在升溫氧化中期，氣體預(yù)測灰色關(guān)聯(lián)度大小排序?yàn)閞O2>rCO>r烷烯比>rC2H4。但由于O2一直存在于煤層(堆)周圍的氣體中，只能依靠其體積分?jǐn)?shù)變化加以判斷，這無疑使現(xiàn)場實(shí)際監(jiān)測儀器和工作量增加，所以若井下滿足監(jiān)測條件，則選擇O2作為指標(biāo)氣體，反之不予采用。因此，在山西常村無煙煤升溫氧化的中期階段首選預(yù)測指標(biāo)為CO，第二預(yù)測指標(biāo)為烷烯比，第三預(yù)測指標(biāo)為C2H4。

同理，由表3可知，其他4種不同變質(zhì)程度煤樣在煤自燃升溫氧化中期指標(biāo)氣體的灰色關(guān)聯(lián)大小關(guān)系。范各莊3551肥煤氣體預(yù)測灰色關(guān)聯(lián)度排序依次為rC2H6>rCO>r烷烯比>rC2H4；東歡坨氣煤依次為rC2H6>rC2H4>r烷烯比>rCO；內(nèi)蒙古長焰煤依次為rC2H6>rCO>r烷烯比>rC2H4；崔礦褐煤依次為r烷烯比>rCO>rC2H4>rC2H6。

4 結(jié) 論

(1)參照指標(biāo)氣體的選取特征，排除氣體附著在煤體導(dǎo)致的干擾現(xiàn)場火災(zāi)監(jiān)測預(yù)警情況，過濾CO2，CH4和鏈烷比這3個(gè)參數(shù)指標(biāo)。

(2)隨著溫度升高，除山西常村無煙煤外其他煤樣均在升溫過程中產(chǎn)生的氣體體積分?jǐn)?shù)(CO，C2H4，C2H6)均呈曲線上升趨勢。隨著變質(zhì)程度加深，在同一溫度下，煤在氧化升溫過程中產(chǎn)生的指標(biāo)氣體體積分?jǐn)?shù)(CO，C2H4)隨之降低，氣體出現(xiàn)的溫度點(diǎn)也隨之升高；C2H6的情況則正好相反。

(3)根據(jù)灰色關(guān)聯(lián)結(jié)果可知，變質(zhì)程度最深的無煙煤自燃預(yù)測的首選指標(biāo)氣體為CO，范各莊3551肥煤、東歡坨氣煤、內(nèi)蒙古長焰煤自燃預(yù)測的首選指標(biāo)氣體為C2H6，變質(zhì)程度最淺的崔礦褐煤自燃預(yù)測的首選指標(biāo)為烷烯比。