蔡新勝，毛金峰，張崇禮，楊小龍

(新疆工程學(xué)院 礦業(yè)工程與地質(zhì)學(xué)院, 新疆 烏魯木齊 830000)

我國(guó)大多數(shù)煤礦目前以CO作為預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)煤炭自然發(fā)火指標(biāo)氣體，但在應(yīng)用過(guò)程中逐漸認(rèn)識(shí)到CO的非唯一性[1]。使用CO還存在一些不足和問題，因此研究指標(biāo)氣體與煤溫之間對(duì)應(yīng)關(guān)系等新的研究方法慢慢成為預(yù)報(bào)煤炭自然發(fā)火更為可靠、準(zhǔn)確的新方向[1-2]。

1 煤的升溫氧化實(shí)驗(yàn)

1.1 交通位置

金川礦業(yè)有限公司塔什店煤礦區(qū)位于庫(kù)爾勒市塔什店鎮(zhèn)以西12 km處，本區(qū)8號(hào)煤層組在全區(qū)發(fā)育，傾角一般在8°～20°。8號(hào)煤層組埋深總趨勢(shì)為：中部深四周淺，南部深北部淺，西部淺東部深，最淺位于測(cè)區(qū)的西北部煤層露頭處，海拔標(biāo)高為990 m左右，最深位于測(cè)區(qū)的中部盆地中心部位，海拔標(biāo)高為410 m左右。井下煤層破碎或通風(fēng)不良時(shí)，煤層有自燃現(xiàn)象，自燃發(fā)火期為76 d。

1.2 煤的升溫氧化試驗(yàn)

采用智能煤升溫氧化箱，對(duì)煤樣進(jìn)行加熱升溫和程序升溫，如圖1所示。

圖1 程序升溫裝置示意圖Fig.1 Schematic diagram of temperature programming device

將塔什店礦采集的8301工作面的新鮮煤樣取出，進(jìn)行破碎、篩分、縮分、混合等手段制樣。將煤樣放置于程序升溫氧化箱內(nèi)(圖2)試驗(yàn)，開啟色譜工作站并對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析處理，觀察煤自燃產(chǎn)生的各類指標(biāo)氣體的規(guī)律[3]。

圖2 程序升溫加熱系統(tǒng)Fig.2 Temperature programming heating system

2 結(jié)果分析

整理總結(jié)歸納試驗(yàn)結(jié)果，煤的自燃氧化可以分成三個(gè)大的階段。在常溫到45℃，該煤樣未曾出現(xiàn)CO，45℃后CO開始出現(xiàn)，該階段生成少量CO，CO2，H2O。在當(dāng)溫度達(dá)到110℃左右時(shí)，開始出現(xiàn)C2H6，140℃開始出現(xiàn)C2H4，煤處于加速氧化階段，該階段主要表現(xiàn)為隨著溫度的升高，開始出現(xiàn)一些其他指標(biāo)氣體，如C2H4等氣態(tài)烴。當(dāng)溫度達(dá)到280℃以后，煤開始劇烈氧化，不同氣體濃度增加，當(dāng)溫度再度升高后，就會(huì)導(dǎo)致煤的自燃。

2.1 煤的耗氧速率分析

從煤的耗氧速率分析來(lái)看，當(dāng)溫度低于45℃時(shí)，煤氧化耗氧速率低于0.4 m3/t，隨著溫度的升高，煤開始發(fā)生緩慢氧化，耗氧率逐步增大。此時(shí)出現(xiàn)兩個(gè)反應(yīng)速率變化點(diǎn)，即80℃和160℃，溫度超過(guò)80℃后，氧化速率開始增大，當(dāng)溫度達(dá)到80℃時(shí)，耗氧率達(dá)到1.13 m3/t，160℃時(shí)開始出現(xiàn)乙烯，溫度超過(guò)160℃后，煤溫升速率極快，煤開始進(jìn)入加速氧化階段。整個(gè)階段沒有檢出C2H2氣體。

2.2 CO指標(biāo)分析

在很多礦井預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)煤自然發(fā)火時(shí)，CO作為主要的火災(zāi)標(biāo)志氣體得到廣泛的應(yīng)用[4]。低溫氧化過(guò)程中CO生成量與煤溫關(guān)系密切，詳見圖3。由圖可以看出，CO濃度隨溫度的上升呈現(xiàn)單調(diào)上升的曲線，45℃～160℃呈緩慢變化態(tài)勢(shì)，其中，45℃～80℃氧化速率較緩，80℃～160℃氧化速率增加，溫度超過(guò)160℃后，CO生成量急劇增加，煤開始進(jìn)入加速氧化階段，可作為塔礦自然發(fā)火預(yù)報(bào)預(yù)測(cè)的早期指標(biāo)氣體，但無(wú)法定量分析出煤炭氧化過(guò)程中所處的準(zhǔn)確階段，加上現(xiàn)場(chǎng)風(fēng)量稀釋作用，對(duì)自燃判定往往出現(xiàn)誤判的情況。在正常生產(chǎn)條件下，工作面的配風(fēng)量發(fā)生變化不大，為了更好地預(yù)測(cè)煤自然發(fā)火，可采用⊿CO(一氧化碳增量)來(lái)進(jìn)行預(yù)測(cè)[5]。

圖3 CO隨溫度變化曲線Fig.3 Curve of the change of CO with temperature

圖4 溫度與CO濃度差Fig.4 Difference between temperature and CO concentration

連續(xù)統(tǒng)計(jì)采空區(qū)幾天的CO濃度，計(jì)算每天的濃度差值，帶入回歸的數(shù)學(xué)模型，即可分析出溫度與CO濃度差之間的關(guān)系。

通過(guò)數(shù)據(jù)回歸分析，得到了回歸數(shù)學(xué)模型：

y=y0+A1e-x/t

通過(guò)數(shù)據(jù)驗(yàn)證，得出了待定系數(shù)：

y0=-0.076 69，A1=0.023 18，t=-64.992 58，代入回歸模型：

y=-0.076 69+0.023 18ex/64.992 58

其中，x為煤體溫度，y為CO濃度差。

在煤溫達(dá)到100℃前，⊿CO<100 PPm，煤溫達(dá)到140℃前，⊿CO<500 PPm，即煤溫超過(guò)100℃后，CO呈現(xiàn)快速增長(zhǎng)趨勢(shì)，出現(xiàn)第一次升溫速率增加點(diǎn)，140℃后煤體進(jìn)入加速氧化階段。

2.3 CO2/CO、C2H6/C2H4指標(biāo)研究

經(jīng)試驗(yàn)CO2/CO比值如圖5所示。當(dāng)該比值大于50時(shí)，表明此時(shí)煤體溫度在50℃左右，煤開始發(fā)熱；比值小于10后，煤體溫度為70℃以上，CO2/CO的比值隨溫度變化呈現(xiàn)指數(shù)形式下降，CO產(chǎn)生量劇增，溫度達(dá)到160℃后，CO2/CO的比值開始小于2。C2H6/C2H4指標(biāo)研究如圖6所示。

圖5 CO2/CO比值-變化曲線Fig.5 Changing curve of CO2/CO ratio

圖6 C2H6/C2H4指標(biāo)-變化曲線Fig.6 Changing curve of C2H6/C2H4 index

3 結(jié)論

通過(guò)分析實(shí)驗(yàn)獲取的塔什店煤礦自然發(fā)火指標(biāo)氣體得知，確定采用CO、CO2/CO及C2H6/C2H4作為煤自然發(fā)火預(yù)報(bào)預(yù)測(cè)指標(biāo)氣體。由于煤礦井下條件復(fù)雜，受風(fēng)量和注氮的影響，單純采用CO指標(biāo)對(duì)預(yù)報(bào)預(yù)測(cè)會(huì)產(chǎn)生較大影響。濃度比值法由于同比消除了風(fēng)量和注氮的稀釋作用影響，可優(yōu)先采用濃度比值法進(jìn)行預(yù)報(bào)預(yù)測(cè)，單氣體作為輔助指標(biāo)進(jìn)行預(yù)報(bào)預(yù)測(cè)。

緩慢氧化階段，由于CO、CO2出現(xiàn)較早，且塔什店煤礦煤層CO2中含量較低，可優(yōu)先采用CO2/CO作為預(yù)測(cè)指標(biāo)，當(dāng)該比值大于50時(shí)，表明此時(shí)煤體溫度在50℃以下，煤開始發(fā)熱；當(dāng)該比值開始小于10時(shí)，煤溫處于70℃左右；當(dāng)比值小于5時(shí)，煤溫處于110℃；當(dāng)溫度達(dá)到140℃以后，CO2/CO的比值開始小于3，同時(shí)乙烷伴隨著出現(xiàn)。

加速氧化階段，煤的耗氧量大大增加，C2H6在130℃開始出現(xiàn)，160℃時(shí)開始出現(xiàn)C2H4。