崔 巖工程師 徐同震 駱大勇

(1.平煤股份十一礦，河南 平頂山 457047； 2.安徽理工大學，安徽 淮南 232001；3.重慶工程職業(yè)技術學院，重慶 402260)

0 引言

長期以來，煤自燃火災是威脅井下設備和人員安全的最主要危害之一，嚴重影響煤礦安全生產(chǎn)。煤礦發(fā)生自燃因素除煤層自燃傾向性高等因素外，無法及時依據(jù)早期預測預報指標對煤自燃發(fā)展情況提前預測預防是另一原因。指標氣體分析法作為預測煤礦井下煤早期自燃火災發(fā)生的一種主要方式，一直以來被學者們廣泛運用。文虎等以不同形式的數(shù)學模型，得出煤樣在不同溫度階段分別以二氧化碳(CO)、甲烷(CH)、一氧化碳(CO)等為預測指標性氣體；王月紅等運用氧化升溫實驗系統(tǒng)，得出煤樣在氧化升溫過程中產(chǎn)生的CO、乙烯(CH)、乙烷(CH)等氣體與溫度呈正比關系；戴廣龍在對煤低溫氧化過程進行分段的基礎上給出以CO、CH等氣體為指標的預測指標體系；王怡等通過實驗探究煤低溫氧化過程中的氣體變化規(guī)律，選擇CO作為煤層自燃的主要指標氣體，其他部分烴類氣體作為輔助性參考指標氣體。綜上所述，煤樣受熱分解產(chǎn)物與煤樣溫度之間有著密切聯(lián)系，其中主要代表性指標氣體為CO，因此通過分析煤樣各階段產(chǎn)生的氣體與溫度之間的關系，找出能反映各溫度階段的指標性氣體，對預防礦井火災的發(fā)生具有重要作用。本文通過對十一礦己工作面不同煤層內的煤樣進行程序升溫實驗，采集分析不同溫度狀況下煤樣中氣體產(chǎn)生變化的情況，優(yōu)選出己工作面在不同溫度階段的指標性氣體，以期得到煤自燃發(fā)展變化規(guī)律，進而提高十一礦煤自燃預報的可靠性，為預測十一礦煤層自燃發(fā)火提供參考依據(jù)。

1 煤自燃指標氣體實驗設計

1.1 實驗樣品

對十一礦己工作面上部、中部和下部3個不同位置處的煤樣進行采集，密封處理后運至實驗室，對采集的不同位置處煤樣進行工業(yè)分析實驗，具體測試結果，見表1。由測試結果可知，己工作面不同位置處煤樣之間的整體差異不大，工業(yè)分析結果接近相同。因此選擇這3處不同位置煤樣進行實驗分析，使得分析結果能夠真實反應煤層的自燃特性。

表1 十一礦己16-17工作面煤樣工業(yè)分析測試結果Tab.1 Industrial analysis and test results of coal samples came from Ji16-17 working face of No.11 Coal Mine

1.2 實驗測試裝置及流程

實驗裝置主要包括供氣系統(tǒng)、程序升溫系統(tǒng)和氣樣分析裝置3部分。實驗裝置主要部件包括程序控溫爐、煤樣罐、溫度測量、顯示和控制系統(tǒng)、流量傳感器及氣路系統(tǒng)穩(wěn)壓、穩(wěn)流等，如圖1。

圖1 實驗裝置系統(tǒng)結構圖Fig.1 System structure diagram of experimental device

開始實驗時，首先將現(xiàn)場采集密封的煤樣快速取出，剝離煤樣中的氧化表皮，利用碎煤機對煤樣破碎處理，篩分粒徑為0.15～0.25mm的煤樣90g，將制作好的煤樣放入煤樣罐內，連接好實驗裝置放入控溫爐膛，接下來將進、出氣管路連接好后，檢查裝置氣密性進行相應實驗。實驗開始后，裝置內部通入空氣，流量為80ml/min，氧氣濃度為20.96%的干空氣，選用高純度氮氣為裝置的載氣，程序升溫裝置升溫速率為3℃/min，實驗裝置達到預設溫度所需時間為2min。當裝置達到預設溫度后，將采集到的氣體通入氣象色譜儀(GC-4085型)進行色譜分析，根據(jù)檢測出的不同氣體含量優(yōu)選出煤自燃指標氣體。

2 煤自燃指標氣體優(yōu)選

煤在氧化進程中隨著溫度的變化，產(chǎn)生的氣體不同，因此在不同溫度階段會出現(xiàn)不同氣體，煤自燃發(fā)展變化過程中的指標氣體的優(yōu)選原則應符合敏感性、規(guī)律性和可檢測性3個特點。實驗時，對己工作面采集的3個煤樣進行處理后，放入實驗測試裝置進行相應的實驗檢測，實驗重復進行多次，對多次測得的實驗測試結果進行總體分析，發(fā)現(xiàn)十一礦己工作面采集的不同位置處煤樣的氣體產(chǎn)生的最低溫度，見表2。從表2可以看出，隨著裝置中煤樣溫度的升高， CO、CH、丙烷(CH)和CH4種氣體逐漸出現(xiàn)，且氣體濃度均在逐漸升高。因此，依據(jù)煤自燃指標氣體的優(yōu)選原則，并結合礦井下實際氣體隨溫度發(fā)生的變化情況，選擇實驗測試所得的4種氣體作為己工作面煤自燃預報的指標氣體。

表2 各煤樣指標氣體出現(xiàn)的最低溫度Tab.2 Minimum temperature of index gas of each coal sample

由表2可知，4種指標氣體在己工作面不同煤層處出現(xiàn)的最低溫度不同，但每種氣體的出現(xiàn)整體滿足一個區(qū)間：CO在70～90℃時開始出現(xiàn)，CH在110～140℃時開始出現(xiàn)，CH在110～150℃時開始出現(xiàn)，CH在150～160℃時開始出現(xiàn)。因此，通過實驗結果分析，可以選擇該4種氣體作為己工作面煤早期自燃的預測氣體。

3 煤自燃指標氣體隨溫度變化規(guī)律分析

根據(jù)實驗數(shù)據(jù)結果，繪制出不同煤層處煤樣的標志性氣體產(chǎn)生量隨溫度變化曲線，各氣體具體變化情況，如圖2。

煤溫在200℃變化范圍內，由圖2(a)可知，3種煤樣CO濃度變化趨勢基本一致，在70～120℃，CO增加量比較平緩，120℃以后CO濃度開始快速增加，說明120℃以后煤樣的煤氧復合作用加快，煤自燃發(fā)展變化進程加快。對比不同煤樣的CO濃度變化趨勢發(fā)現(xiàn)，煤中CO產(chǎn)生量與溫度之間呈指數(shù)規(guī)律變化，并且所有不同位置處的煤樣具有相同的變化趨勢，即CO氣體產(chǎn)生速率隨煤中溫度的升高而增大。同時，隨著實驗中煤樣溫度不斷升高，不同煤層處煤樣CO生成量會出現(xiàn)一定差異，十一礦己中部煤樣的CO生成量小于工作面上部和下部的CO生成量，說明此時中部煤樣的煤氧復合作用較為微弱，其他不同位置處煤樣的煤氧復合作用較強，因此，能夠根據(jù)CO含量的變化確定煤樣所處的溫度階段，CO氣體產(chǎn)生量符合指標氣體優(yōu)選原則。

圖2 各氣體產(chǎn)生量與溫度關系Fig.2 Relationship between gas production and temperature

煤溫在200℃變化范圍內，CH生成量隨溫度的變化規(guī)律圖，如圖2(b)。CH是一種不飽和烯烴，在溫度達到150℃以后開始出現(xiàn)，且隨著溫度逐漸升高，CH含量開始快速升高，說明此時煤樣已經(jīng)進入加速氧化階段，雖然各煤層煤樣出現(xiàn)CH的最低溫度不同，但CH產(chǎn)生量與溫度之間呈指數(shù)規(guī)律變化的趨勢是一致的，即CH產(chǎn)生速率隨煤樣中實驗溫度的升高而快速增大，規(guī)律性明顯。溫度越高，CH產(chǎn)生的速率就越大，因此CH能夠作為預測煤自燃過程中的指標性氣體。

當煤溫處于200℃變化范圍內，CH濃度隨溫度的變化規(guī)律圖，如圖2(c)。不同位置處煤樣CH出現(xiàn)的最低溫度整體上不同，但CH產(chǎn)生量與溫度之間呈指數(shù)規(guī)律變化的趨勢基本相同，即其產(chǎn)生的速率隨煤溫的升高而增大，在160℃以后，CH含量開始劇烈增加，說明此時煤自燃已經(jīng)達到劇烈的反應階段，此時應盡快采取防范措施，因此CH也可以作為判斷煤自燃的一種指標性氣體。

當煤溫處于200℃變化范圍內，CH濃度隨溫度的變化規(guī)律圖，如圖2(d)。不同位置的煤樣在達到一定溫度時，均會出現(xiàn)CH氣體，雖然CH氣體產(chǎn)生的最低溫度有所不同，但氣體生成規(guī)律均與溫度的變化呈指數(shù)變化規(guī)律，可以發(fā)現(xiàn)所有不同煤樣當溫度升高到110～150℃時，煤樣中開始出現(xiàn)CH氣體產(chǎn)物。與此同時，對煤樣進行3個月的常溫氧化實驗所得到的實驗結果進行色譜分析，并未檢測到CH氣體，說明常溫下十一礦己工作面煤樣自然氧化時是不會產(chǎn)生CH氣體。因此，在正常工作狀況下，一旦在十一礦礦井內部檢測發(fā)現(xiàn)CH氣體，則表明此時煤層中的煤炭氧化自燃溫度達到了110℃以上，需要及時對煤層采取防火措施。由此得出，CH是作為預測煤自燃最適合的指標性氣體之一。

結合不同的實驗結果分析后發(fā)現(xiàn)，在成煤過程中CH氣體是始終存在的，且其含量在各煤層處分布不均勻，無明顯變化規(guī)律，不符合指標氣體的優(yōu)選原則。在煤樣常溫氧化3個月后，通過氣象色譜實驗抽取煤樣中的氣體進行檢驗，最終檢測出常溫氧化后的煤樣氣體中含有CH和CH氣體。結合上述實驗分析結果最終優(yōu)選出CO和CH2種氣體作為十一礦己工作面煤自燃早期預報的主要指標氣體，同時選擇CH和CH作為煤自燃預測的輔助指標氣體。

綜上所述，CO、CH、CH和CH4種氣體均為煤自燃氧化過程的產(chǎn)物，不同煤層處氣體產(chǎn)物隨著煤溫升高產(chǎn)量是不同的。不同位置處煤樣中的溫度升高后依次出現(xiàn)的氣體是：CO(70℃)→CH或CH(110℃)→CH(150℃)；實驗中可以發(fā)現(xiàn)煤樣中CO開始出現(xiàn)的溫度較低并且極為接近；煤樣中開始出現(xiàn)CH、CH和CH的溫度相對較高，因此可根據(jù)煤層中氣體出現(xiàn)的種類對煤層所處的溫度范圍和煤自燃發(fā)展過程所處的階段進行準確判斷。

4 結論

對比十一礦己工作面不同位置處的煤樣低溫氧化實驗能夠發(fā)現(xiàn)，當煤樣的溫度在200℃范圍內變化時，隨著煤樣中溫度升高，煤樣中發(fā)生氧化氣體產(chǎn)物會出現(xiàn)不同變化，在不同溫度階段會出現(xiàn)不同的氣體產(chǎn)物，CO、CH、CH和CH4種氣體隨著溫度的升高會依次出現(xiàn)。因此，可將實驗得到的4種氣體作為判斷十一礦己工作面煤樣氧化的標志。

結合煤樣常溫氧化的實驗結果，最終選擇CO和CH2種氣體作為判斷煤自燃的主要指標性氣體，其他2種不同氣體作為輔助性指標氣體。通過利用CO產(chǎn)生量判斷煤層的自燃發(fā)展變化情況，當檢測出CO，說明煤中溫度已經(jīng)達到70℃；利用CH判斷煤炭加速氧化的過程，當煤層中檢測出CH氣體時，說明煤樣中溫度已經(jīng)達到了110℃以上。