大南湖一礦采空區(qū)煤自燃預(yù)警氣體指標(biāo)研究

王三偉

（國(guó)網(wǎng)能源哈密煤電有限公司大南湖一礦，新疆 哈密 839000）

1 背景

我國(guó)煤礦采空區(qū)自然發(fā)火危害嚴(yán)重[1]，其中由煤自燃導(dǎo)致的內(nèi)因火災(zāi)占采空區(qū)火災(zāi)總數(shù)的60%[2-3]，因而煤自燃事故的預(yù)防歷來(lái)受到煤礦安全管理工作者的重視。煤自燃在發(fā)生發(fā)展過(guò)程中，在不同的溫度階段會(huì)產(chǎn)生不同種類、不同濃度的指標(biāo)性氣體[4-5]，通過(guò)觀測(cè)這些煤自燃指標(biāo)氣體，可以對(duì)煤自燃事故起到良好的預(yù)警和防范作用[6]。煤自燃指標(biāo)氣體生成規(guī)律的科學(xué)研究，對(duì)現(xiàn)場(chǎng)煤自燃事故的預(yù)防有重要意義。

大南湖一礦目前所采的3 煤屬于低變質(zhì)易自燃煤層（Ⅰ級(jí)容易自燃煤層），暴露后極易氧化，最短自然發(fā)火期僅為37 d。因而，從煤質(zhì)的角度而言，大南湖一礦面臨的煤自燃風(fēng)險(xiǎn)較為嚴(yán)重，開(kāi)展3 煤煤樣煤自燃預(yù)警指標(biāo)氣體分析研究對(duì)于大南湖一礦安全生產(chǎn)具有重要價(jià)值。

2 實(shí)驗(yàn)過(guò)程

2.1 實(shí)驗(yàn)原則

煤自然發(fā)火的預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)指標(biāo)氣體就是指煤氧化升溫過(guò)程中釋放出來(lái)的與礦井大氣成分有區(qū)別并足以能夠用來(lái)判斷自然發(fā)火征兆的氣體或其比值等參數(shù)[7]。在煤自燃早期的發(fā)生發(fā)展過(guò)程中，依據(jù)各標(biāo)志性氣體的產(chǎn)生、變化規(guī)律推斷煤自然發(fā)火所處的狀態(tài)和發(fā)展趨勢(shì)。因此，煤自燃預(yù)警標(biāo)志性氣體的選取必須具備的原則：（1）靈敏性。一旦有煤炭到達(dá)一定的溫度時(shí)，相應(yīng)的煤自燃指標(biāo)氣體一定出現(xiàn)，且隨著煤體溫度的升高生成量穩(wěn)定增加；（2）規(guī)律性。標(biāo)志性氣體的生成量與煤體溫度指標(biāo)呈良好的函數(shù)關(guān)系，且重復(fù)性良好；（3）可測(cè)性。礦用普通色譜分析儀可以檢測(cè)到標(biāo)志性氣體的存在。

2.2 實(shí)驗(yàn)方案

（1）實(shí)驗(yàn)設(shè)備

煤自燃標(biāo)志性氣體測(cè)試設(shè)備采用PTOS-3系統(tǒng)，如圖1。系統(tǒng)包括預(yù)熱管路、煤樣反應(yīng)罐、程序升溫控制箱、數(shù)據(jù)采集等裝置。該系統(tǒng)能實(shí)現(xiàn)程序升溫、恒溫和跟蹤升溫三種溫度控制方式，是國(guó)內(nèi)外自動(dòng)化程度最高的小型煤自燃實(shí)驗(yàn)臺(tái)，具有測(cè)試煤樣量小、實(shí)驗(yàn)周期短、體積小、可重復(fù)性好及操作方便等優(yōu)點(diǎn)。

圖1 煤自燃標(biāo)志性氣體測(cè)試系統(tǒng)

（2）實(shí)驗(yàn)過(guò)程

在1307 工作面采集新鮮煤樣若干千克，通過(guò)保鮮膜密封包裹，然后運(yùn)送至實(shí)驗(yàn)室。用顎式破碎機(jī)對(duì)所采煤樣進(jìn)行破碎，并篩選出0.18～0.25 mm（60～80 目）的顆粒50 g 作為實(shí)驗(yàn)煤樣。

將煤樣置于銅質(zhì)反應(yīng)罐內(nèi)，將反應(yīng)罐放于程序控溫箱中，依次連接好進(jìn)氣管路、溫度探頭和出氣管路，并檢查實(shí)驗(yàn)裝置的氣密性。實(shí)驗(yàn)采用的氣體為干空氣，氣體流量為50 mL/min。通過(guò)程序升溫控制裝置對(duì)煤樣進(jìn)行程序升溫，初始溫度為30 ℃，每到達(dá)一個(gè)指定溫度，恒定5 min 后測(cè)試出氣管路的氣體成分和濃度，測(cè)試溫度范圍為30～220 ℃。

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，不同溫度下所取煤樣氣體成分、濃度和指標(biāo)氣體分析情況，見(jiàn)表1。

表1 煤樣指標(biāo)氣體原始數(shù)據(jù)表

對(duì)1307 工作面煤樣程序升溫過(guò)程中的氣體生成變化進(jìn)行繪圖，如圖2。由圖中可知：煤樣在30～220 ℃的氧化過(guò)程中有規(guī)律地出現(xiàn)CO2、CO、CH4，且CO2的產(chǎn)生量隨煤溫升高基本呈指數(shù)上升趨勢(shì)，CO 隨煤溫的升高呈單一遞增關(guān)系；H2在100 ℃時(shí)出現(xiàn)，C2H6在60 ℃出現(xiàn)，它們的產(chǎn)生量隨煤溫的上升也呈指數(shù)上升趨勢(shì)；C2H4在90 ℃出現(xiàn)，在200 ℃前基本呈指數(shù)上升趨勢(shì)，200～220 ℃之間增長(zhǎng)趨勢(shì)急劇減緩；全程無(wú)C2H2出現(xiàn)。

圖2 1307 工作面煤樣煤自燃標(biāo)志性氣體變化趨勢(shì)圖

CO 在30 ℃即開(kāi)始出現(xiàn)，其在低溫階段生成量較小，但在80 ℃以后CO 溫升率迅速增加，說(shuō)明此時(shí)煤已經(jīng)開(kāi)始加速氧化，物理吸附越來(lái)越弱，而化學(xué)吸附和化學(xué)反應(yīng)占據(jù)了主要地位。H2和C2H4的出現(xiàn)，說(shuō)明此時(shí)煤與氧氣已經(jīng)發(fā)生了較強(qiáng)的化學(xué)反應(yīng)。C2H2在30～220 ℃沒(méi)有出現(xiàn)，說(shuō)明一旦該氣體出現(xiàn)，則采空區(qū)已出現(xiàn)超過(guò)220 ℃的高溫點(diǎn)。C2H6在60 ℃時(shí)開(kāi)始產(chǎn)生，隨著煤溫的增加基本呈指數(shù)規(guī)律上升，可以作為大南湖一礦的煤自燃指標(biāo)性氣體。由于大氣中含有較高的CO2濃度，因此煤自燃中產(chǎn)生的微量CO2很難被檢測(cè)到，故不能用作煤自燃指標(biāo)性氣體。CH4本身就賦存在原煤中，煤層開(kāi)采過(guò)程中即會(huì)解吸釋放出大量CH4，實(shí)驗(yàn)產(chǎn)生的CH4很可能是煤體原生CH4解吸產(chǎn)生，因而CH4也不適合作為煤自燃指標(biāo)性氣體。

綜上，1307 工作面煤樣煤自燃標(biāo)志性氣體及預(yù)警溫度見(jiàn)表2。大南湖一礦煤樣應(yīng)以CO 作為指標(biāo)性氣體，并輔以H2、C2H6、C2H4、C2H2來(lái)掌握煤炭自燃情況：CO 的出現(xiàn)說(shuō)明煤已經(jīng)發(fā)生氧化反應(yīng)，C2H6的出現(xiàn)說(shuō)明煤溫升到了60 ℃，C2H4的出現(xiàn)說(shuō)明煤溫升到了90 ℃，H2的出現(xiàn)說(shuō)明煤溫升到了100 ℃，C2H2的出現(xiàn)說(shuō)明煤溫已超過(guò)220 ℃。

表2 1307 工作面煤樣煤自燃標(biāo)志性氣體及預(yù)警溫度

4 實(shí)驗(yàn)結(jié)論

采用煤自燃標(biāo)志性氣體測(cè)試設(shè)備對(duì)大南湖一礦1307 工作面煤樣煤自燃過(guò)程中的標(biāo)志性氣體生成規(guī)律進(jìn)行了研究，研究表明：CO2、H2、C2H6、C2H4隨著煤體溫度的升高基本呈指數(shù)性變化規(guī)律，CO隨煤體溫度的升高呈單一遞增關(guān)系；大南湖一礦煤樣應(yīng)以CO 作為指標(biāo)性氣體，并輔以H2、C2H6、C2H4、C2H2來(lái)掌握煤炭自燃情況；CO 的出現(xiàn)說(shuō)明煤已經(jīng)發(fā)生氧化反應(yīng)，C2H6的出現(xiàn)說(shuō)明煤溫升到了60 ℃，C2H4的出現(xiàn)說(shuō)明煤溫升到了90 ℃，H2的出現(xiàn)說(shuō)明煤溫升到了100 ℃，C2H2的出現(xiàn)說(shuō)明煤溫已超過(guò)220 ℃。