何溢聰

（山西蒲縣華勝煤業(yè)有限公司，山西 臨汾 041206）

0 引 言

富煤、貧油、少氣的能源賦存特點(diǎn)決定了煤炭長期以來是我國的主要能源，火災(zāi)煤礦主要災(zāi)害之一，而煤的自燃又是火災(zāi)的主要成因，其發(fā)生隱蔽不易察覺，很容易造成嚴(yán)重的火災(zāi)事故，威脅工作人員生命安全和企業(yè)安全生產(chǎn)[1,2]。由于煤的氧化升溫而造成的煤炭自然發(fā)火伴隨有二氧化碳（CO2）、甲烷（CH4）、一氧化碳（CO）、乙烯（C2H4）、乙烷（C2H6）等一系列氣體產(chǎn)生，通過對這些氣體濃度的測定可以預(yù)測煤的自然發(fā)火過程或所處階段，這就是指標(biāo)氣體法，對煤礦自燃火災(zāi)防治具有重要的指導(dǎo)作用[3-5]。本文對華勝礦3 號(hào)煤進(jìn)行了氧化升溫實(shí)驗(yàn)，測定了不同溫度條件下產(chǎn)生氣體的濃度，確定煤炭自燃的指標(biāo)氣體，為預(yù)測該煤層自燃階段提供指導(dǎo)。

1 礦井概況

山西蒲縣華勝煤業(yè)有限公司為兼并重組整合礦井，位于山西省蒲縣縣城東部20 km 處，行政區(qū)劃屬喬家灣鄉(xiāng)管轄，礦井生產(chǎn)能力0.90 Mt/a。礦井面積約9 km2。礦井的開拓方式為斜井開拓，3 號(hào)煤為目前的主采煤層，11 號(hào)煤層正在進(jìn)行大巷開拓，采用走向長壁綜采一次采全高以及后退式回采，管理頂板的方法采用全部冒落法。

2 號(hào)煤自燃風(fēng)險(xiǎn)分析

1）煤的炭化程度：煤的自燃性隨煤炭的變質(zhì)程度的增高而降低；煤的炭化程度越低，揮發(fā)份含量越高，煤層自然發(fā)火傾向越強(qiáng)[6]。3 號(hào)煤層原煤平均揮發(fā)分38.42 %，因此從煤的碳化程度分析，3 號(hào)煤層揮發(fā)分較高，增加了煤層自然發(fā)火傾向。

2）煤的含硫量：煤樣的自燃傾向性和吸氧能力與含硫量成正比。3 號(hào)煤原煤全硫（St，d）為0.37 %～2.69%，平均0.91%，因此從煤層的原煤含硫量分析，3 號(hào)煤層有自燃的可能性。

3）煤的破碎程度：煤自燃的條件之一是有足夠的表面和空氣接觸，被氧化的表面積隨著煤的破碎程度變大而增加，最終導(dǎo)致氧化速度增加，利于自燃。3 號(hào)煤層裂隙和孔隙較為發(fā)育，利于煤層自燃。

4）煤層開采方法：礦井目前開采的3 號(hào)煤層采用一次采全高綜采采煤法，回采率較高，采空區(qū)遺煤較少，有利于礦井防滅火；但由于采煤工作面均采用全部垮落法管理頂板，這將導(dǎo)致采空區(qū)漏風(fēng)情況加劇大，增大采空區(qū)遺煤的自燃可能性。

5）主要開拓巷道布置：本礦井目前3 號(hào)煤主要巷道沿煤層頂?shù)装鍘r層布置，雖然主要開拓巷道采用錨網(wǎng)噴支護(hù)從一定程度減少了煤壁的供氧量，但隨著礦井的開采，主要開拓巷道將會(huì)長期處于較高的礦山壓力下，容易造成巷道局部幫、頂破碎，更嚴(yán)重的會(huì)產(chǎn)生局部高冒區(qū)，煤體易于積聚熱量發(fā)生自燃。

6）合理的工作面推進(jìn)度：這是采空區(qū)自燃防治十分重要的關(guān)鍵一步，也是最經(jīng)濟(jì)有效的措施。但要保證工作面快速推進(jìn)，單靠可靠的設(shè)備還遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠，由于地質(zhì)構(gòu)造等不確定因素影響而引起的停產(chǎn)時(shí)常發(fā)生[7]。

綜上所述，礦井開采的3 號(hào)煤層存在較大的自燃風(fēng)險(xiǎn)，因此需要對該煤層進(jìn)行自燃指標(biāo)氣體確定，可以在開采過程中及時(shí)確定煤炭自燃所處階段，及時(shí)制定、調(diào)整適用于自然發(fā)火防治的方案，對保障礦井3 號(hào)煤層安全回采十分必要。

3 煤層自燃指標(biāo)氣體確定

3.1 煤氧化升溫實(shí)驗(yàn)

作為復(fù)雜的物理化學(xué)變化過程，煤炭的自燃伴隨著多變量的自加速放熱，這一過程集中體現(xiàn)為樣品內(nèi)部化合物的氧化過程。物理變化包括了氣體吸附和解吸、水蒸發(fā)和冷凝、傳熱、煤體升溫和結(jié)構(gòu)松弛；化學(xué)變化包括煤表面分子中各種反應(yīng)結(jié)構(gòu)與氧的化學(xué)吸附和化學(xué)反應(yīng)，產(chǎn)生多種含氧基團(tuán)和氣體并且有熱效應(yīng)。煤的化學(xué)反應(yīng)導(dǎo)致煤大分子交聯(lián)鍵的重新分布，改變了理化性質(zhì)和煤氧復(fù)合過程。對煤樣進(jìn)行加熱和再加熱生成一氧化碳、二氧化碳等氣體。由于煤樣種類的差異，不同氣體的生成量和生成時(shí)的最低溫度也有較明顯的差異[8]。因此，本實(shí)驗(yàn)提取處的指標(biāo)氣體對預(yù)測煤的自燃階段具有指導(dǎo)性作用。指標(biāo)氣體實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)如圖1 所示。

圖1 煤自燃特性綜合測試系統(tǒng)實(shí)物及原理結(jié)構(gòu)圖

根據(jù)GB482-2008《煤層煤樣采取方法》在3 號(hào)煤層（3103 回采工作面）現(xiàn)場采取4 kg 煤樣，裝入事先準(zhǔn)備好的密封袋密封防止氧化。

煤樣的制備按照GB474《煤樣的制備方法》執(zhí)行，煤樣經(jīng)烘干、破碎、混勻、縮分、篩分等程序，制備出小于0.15 mm 的500 g 實(shí)驗(yàn)煤樣。將5.0 g 粒度為小于0.15 mm 的煤樣置于煤樣氧化室內(nèi)，將煤樣氧化室置于加熱爐內(nèi)，檢查氣路的氣密性。每分鐘通入100 ml 干空氣開始程序升溫，根據(jù)實(shí)際實(shí)驗(yàn)需要可設(shè)置升溫速率為：室溫-100℃：0.5℃/min；100℃-200℃：1.0℃/min；200℃-300℃：2.0℃/min。每隔20 min 取樣分析一次。

3.2 指標(biāo)氣體優(yōu)選

一般來說，能夠被選作為指標(biāo)氣體應(yīng)該具有靈敏性、規(guī)律性、和可測性。如果一種氣體在煤樣溫度增長到某一個(gè)特定值時(shí)就會(huì)生成，而且與煤樣溫度成穩(wěn)定的正相關(guān)關(guān)系，即為靈敏性。當(dāng)某種氣體在一定范圍內(nèi)生成時(shí)的最低溫度差異不大，而且生成速率和溫度之間相關(guān)性較好時(shí)，即為規(guī)律性。此外，該氣體還應(yīng)比較容易被檢測儀器檢驗(yàn)出，即為可測性。除以上3 個(gè)基本特征外，作為適當(dāng)?shù)闹笜?biāo)氣體在煤中的吸附率也要較低，以避免氣體在產(chǎn)生過程中被煤吸附?。煌瑫r(shí)原始含量也應(yīng)較低，保證氣體的產(chǎn)生基本是由于煤的氧化升溫過程產(chǎn)生。

實(shí)驗(yàn)過程中對所采取3 號(hào)煤樣進(jìn)行升溫氧化實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)所得的數(shù)據(jù)見表1，并對氣體成分、濃度和標(biāo)志性氣體進(jìn)行詳細(xì)分析。

表1 3 號(hào)煤層煤樣氧化升溫氣體產(chǎn)生濃度（單位ppm）

從表1 中可以發(fā)現(xiàn)，3 號(hào)煤層的煤樣在氧化升溫過程中中依次出現(xiàn)了一氧化碳、二氧化碳、甲烷、乙烷、丙烷、乙烯、乙炔等氣體。各氣體生成變化規(guī)律如圖2 所示。初始溫度見表2。

表2 3 號(hào)煤層煤樣程序升溫氧化實(shí)驗(yàn)過程中標(biāo)志性氣體及臨界值

圖2 3 號(hào)煤層煤樣氧化升溫中溫度與氣體濃度的關(guān)系

一氧化碳在60℃時(shí)開始產(chǎn)生隨后濃度逐漸上升；C2H6、C3H8和C2H4分別在100℃、114℃和123℃時(shí)出現(xiàn)，并且隨溫度指數(shù)遞增。CO 在60℃時(shí)出現(xiàn)時(shí)生成量較小，溫升率逐漸增加階段位于60 ℃～123℃，這時(shí)煤的緩慢氧化過程已經(jīng)開始，對氣體的化學(xué)吸附成為主要吸附作用。CH4在100℃時(shí)出現(xiàn)，說明煤中原賦存的CH4量很少。C2H4在123℃出現(xiàn)時(shí)煤已經(jīng)開始發(fā)生強(qiáng)度較高且速度較快的氧化反應(yīng)。而在205℃出現(xiàn)的C2H2表明煤正在經(jīng)歷十分劇烈的化學(xué)反應(yīng)。因此，3 號(hào)煤層應(yīng)以應(yīng)主要利用一氧化碳（CO）作為煤自然發(fā)火的標(biāo)志性氣體，同時(shí)以乙烷、乙烯、丙烷、乙炔輔助檢測煤炭自燃情況。

4 結(jié) 論

本文從煤的炭化程度、含硫量、開采方法、開拓巷道布置等方面分析了華勝礦3 號(hào)煤層的自燃風(fēng)險(xiǎn)性，認(rèn)為其具有較大的自燃風(fēng)險(xiǎn)。利用煤的氧化升溫實(shí)驗(yàn)進(jìn)行煤炭自燃過程中產(chǎn)生的氣體分析，結(jié)果表明隨著溫度升高，CO、CH4、C2H6、C3H8、C2H4依次析出，通過與煤的氧化階段對比，認(rèn)為應(yīng)采用一氧化碳作為煤自然發(fā)火的標(biāo)志性氣體，同時(shí)以乙烷、乙烯、丙烷、乙炔輔助檢測煤炭自燃情況。