林西礦8 煤層自然發(fā)火指標(biāo)氣體預(yù)測體系研究

吳培益

（唐山開灤林西礦業(yè)有限公司，河北 唐山 063100）

0 引 言

為加強煤礦防滅火工作，有效防控煤礦火災(zāi)事故，保障煤礦安全生產(chǎn)及從業(yè)人員生命安全，如何實現(xiàn)準(zhǔn)確的預(yù)測預(yù)報煤自然發(fā)火危險程度，國內(nèi)外學(xué)者開展了大量研究[1-2]。沈云鴿等分析了不同變質(zhì)程度煤的指標(biāo)氣體隨溫度的變化關(guān)系，發(fā)現(xiàn)自燃傾向性最高的煤首選CO 和乙烯作為指標(biāo)氣體[3]；蔣曙光等應(yīng)用灰色B 型關(guān)聯(lián)分析法計算了100 ～200℃溫度段煤樣氣體產(chǎn)物含量及含量比值與溫度的關(guān)聯(lián)度，從而優(yōu)選指標(biāo)氣體[4]；徐長富等以CO與C2H4為指標(biāo)氣體，并參考C3H8、φ（C2H4） /φ（C3H8） 等綜合分析煤炭的自燃情況，使預(yù)測更加準(zhǔn)確[5]；駱大勇等通過檢測煤體溫度，計算出CO、C2H6及C3H8的體積分數(shù)，建立函數(shù)關(guān)系式推測采空區(qū)自燃狀況[6]；安靖宇等利用分段直線擬合得出煤耗氧速率突變溫度和氣體生成激增溫度，通過灰色關(guān)聯(lián)度分析法對指標(biāo)氣體進行優(yōu)選[7]；文虎等通過格氏火災(zāi)系數(shù)等方法進行處理分析，確定了主要指標(biāo)為CO 氣體、第二類火災(zāi)系數(shù)，輔助指標(biāo)為C2H4氣體、烯烷比和第三類火災(zāi)系數(shù)[8]；梁倉船等運用灰色關(guān)聯(lián)度和斯皮爾曼方法對指標(biāo)氣體進行相關(guān)性分析，發(fā)現(xiàn)Graham 指數(shù)和CO2/CO 相關(guān)性最高[9]。為了確定林西礦8 煤層自燃特征，通過升溫氧化和熱重實驗分析煤層自然氧化階段標(biāo)志性氣體的生成規(guī)律，從而構(gòu)建自燃階段預(yù)測指標(biāo)體系，為煤礦現(xiàn)場的防滅火工作提供科學(xué)依據(jù)。

1 實驗方法

1.1 煤樣制備

采集林西礦8 煤層17 采區(qū)的煤樣作為試驗煤樣，將煤樣粉碎，篩選粒徑為60～80 目、80～200目和200 目以下的煤樣。

1.2 熱重實驗系統(tǒng)

試驗儀器采用北京恒久同步熱分析儀，如圖1所示。對煤樣的熱特性進行測試，將15 mg 的煤樣均勻放入氧化鋁坩堝中，以100 mL/min 的速率持續(xù)通入標(biāo)準(zhǔn)空氣，以10 ℃/min 的升溫速率從室溫加熱到800 ℃，分析煤樣的熱量變化和質(zhì)量變化。

圖1 熱重實驗原理圖Fig.1 Thermogravimetric experiment principle diagram

1.3 程序升溫氧化系統(tǒng)

煤自燃程序升溫氧化實驗測試系統(tǒng)主要包括空氣發(fā)生器、煤樣罐、程序升溫箱、氣相色譜儀和電腦組成，如圖2 所示。程序升溫箱對煤自熱的全過程進行檢測模擬，以100 mL/min 的速率持續(xù)通入標(biāo)準(zhǔn)空氣，以0.8 ℃/min 的升溫速率從30 ℃加熱到370 ℃，利用氣相色譜儀對不同溫度點生成的氣體進行采集分析[10]。

圖2 程序升溫—氣相色譜聯(lián)用實驗示意Fig.2 Temperature programmed-gas chromatography experiment

2 熱重實驗結(jié)果及分析

根據(jù)煤自燃過程中煤樣的質(zhì)量變化，確定了煤自燃過程中4 個階段，如圖3 所示。T1 是煤自燃過程中DTG 曲線的第1 個峰值，為水分蒸發(fā)失重階段，煤樣中的游離水受熱蒸發(fā)，脫離煤體。T2是煤自燃過程TG 曲線極大值的溫度，即熱失重速率為零的溫度，煤分子中主體芳環(huán)結(jié)構(gòu)參與反應(yīng)。T3 是煤自燃過程中DTG 曲線的峰值，即熱失重速率為零的溫度，此后煤分子中主體芳環(huán)結(jié)構(gòu)參與反應(yīng)。T4 是T3 后DTG 曲線基本保持不變時的溫度，為煤氧反應(yīng)結(jié)束的溫度。

圖3 煤樣的TG- DTG曲線圖Fig.3 TG-DTG curve of coal sample

利用煤燃點測定儀測定8 煤層煤樣燃點為361℃，煤樣煤自燃過程中特征溫度見表1。

表1 8 煤層煤樣的特征溫度變化Table 1 The characteristic temperature change of 8 coal seam coal sample

3 程序升溫實驗結(jié)果及分析

3.1 單一氣體變化規(guī)律分析

煤自燃過程大致可以分為緩慢氧化階段、加速氧化階段、劇烈氧化階段。當(dāng)煤的溫度超過自熱的臨界溫度Tl大約51.8℃時，煤的耗氧速率開始加快，導(dǎo)致煤氧化過程加速，煤溫開始加快上升，逐漸產(chǎn)生氣體。

（1） O2氣體變化特征。

圖4 是煤樣30 ～370 ℃的氧化過程中O2濃度隨溫度變化趨勢，隨著溫度的不斷升高，氧氣的濃度在不斷降低。

圖4 O2 濃度變化圖Fig.4 Variation of O2 concentration

當(dāng)溫度超過260 ℃時，煤樣罐氧濃度小于8%，并隨著溫度的進一步升高，耗氧速率逐漸降低。

（2） CO 氣體變化特征。

在程序升溫過程中，煤樣產(chǎn)生CO 氣體濃度隨溫度的變化規(guī)律如圖5 所示，煤樣在100 ℃開始出現(xiàn)CO 氣體，隨著溫度的升高，煤氧復(fù)合反應(yīng)加快，CO 濃度隨溫度升高逐漸增大；在240 ℃之后，煤氧反應(yīng)變得更加激烈，CO 變化曲線斜率急劇變陡，表明煤氧反應(yīng)十分劇烈，因此CO 可作為定性指標(biāo)。

圖5 CO濃度變化圖Fig.5 CO concentration variation diagram

（3） CO2氣體變化特征。

在程序升溫過程中，煤樣產(chǎn)生CO2氣體濃度隨溫度的變化規(guī)律如圖6 所示。煤樣中CO2出現(xiàn)的最低溫度為30 ℃，隨著煤樣升溫過，溫度超過240℃以后，CO2生成量迅速增加。

圖6 CO2 濃度變化圖Fig.6 CO2 concentration variation diagram

（4） 烷烴氣體變化特征。

在程序升溫過程中，煤樣產(chǎn)生CH4和C2H6氣體濃度隨溫度的變化規(guī)律如圖7 所示。在70 ℃時，C2H6氣體出現(xiàn)，此時煤處于緩慢氧化階段；隨著溫度升高，CH4和C2H6氣體濃度不斷升高，達到240 ℃時，濃度有較大幅度增加，煤樣進入加速氧化階段，煤氧化產(chǎn)生的烷烴氣體量遠大于煤吸附烷烴氣體的釋放量。由于CH4氣體出現(xiàn)較晚，CH4氣體不宜作為自然發(fā)火指標(biāo)氣體，但C2H6可作為輔助指標(biāo)以判斷煤是否進入加速氧化階段。

圖7 烷烴濃度變化圖Fig.7 Alkane concentration change diagram

（5） C2H4氣體變化特征。

在程序升溫過程中，煤樣產(chǎn)生C2H4氣體濃度變化規(guī)律如圖8 所示。煤樣在240℃以后開始產(chǎn)生C2H4氣體，在300 ℃之前C2H4的產(chǎn)生速率隨煤溫的上升而呈現(xiàn)單一的遞增關(guān)系；實驗過程中C2H4在300 ℃時達到最高濃度153 ppm，C2H4氣體的產(chǎn)生標(biāo)志著煤自燃處于加速氧化階段。

圖8 C2H4 濃度變化圖Fig.8 C2H4 concentration variation diagram

3.2 復(fù)合性指標(biāo)氣體變化規(guī)律分析

考慮礦井下復(fù)雜多變的環(huán)境與其他條件的影響，除了CO 和C2H4等單一氣體作為煤自然發(fā)火標(biāo)志氣體外，還需分析所產(chǎn)生氣體中烯烷比、鏈烷比等復(fù)合性指標(biāo)，從多角度全面地進行預(yù)測預(yù)報煤自燃情況。

（1） CO2/CO。

圖9 為煤樣CO2/CO 比值隨煤溫的變化趨勢，對CO2/CO 比值隨煤溫變化對應(yīng)關(guān)系進行指數(shù)擬合得到了回歸數(shù)學(xué)模型：

圖9 CO2/CO濃度變化圖Fig.9 CO2/CO concentration diagram

式中：x 為煤體溫度。

由圖9 可知，當(dāng)CO2/CO＞0.74 時，煤樣處于緩慢氧化階段；當(dāng)CO2/CO 比值為0.52 ～0.74 時，煤樣處于加速氧化階段；當(dāng)CO2/CO＜0.52 時，煤樣處于劇烈氧化階段。因此CO2/CO 比值可作為優(yōu)選定量指標(biāo)。

（2） 鏈烷比。

C2H6/CH4隨煤溫的變化曲線如圖10 所示。隨著溫度的升高，C2H6的產(chǎn)生量較CH4的產(chǎn)生量速度慢，在350 ℃以上時，CH4產(chǎn)生量大幅度上升，C2H6/CH4比值隨著溫度的上升而減小。C2H6和CH4氣體出現(xiàn)時煤樣已處于加速氧化時期，當(dāng)C2H6/CH4比值小于0.27 時，煤樣進入劇烈氧化時期，C2H6/CH4比值可作為輔助定量指標(biāo)。

圖10 C2H6/CH4 濃度變化圖Fig.10 C2H6/CH4 concentration change diagram

（3） 烷烯比。

C2H6/C2H4和CH4/C2H4隨煤溫的變化曲線如圖11 所示。由圖11（a） 可知，C2H4氣體在220 ℃后，氣體濃度急劇上升，但濃度值相比CH4較小，所以CH4/C2H4比值隨著溫度的上升而增大。由圖11（b） 可知，C2H4氣體出現(xiàn)的溫度過高，煤樣處于加速氧化時期，CH4/C2H4比值可作為輔助定量指標(biāo)。

圖11 C2H6/C2H4 和CH4/C2H4 濃度變化圖Fig.11 C2H6/C2H4 and CH4/C2H4 concentration change diagram

（4） Graham 指數(shù)。

Graham 指數(shù)可用于判定采空區(qū)、密閉墻內(nèi)等區(qū)域火勢發(fā)展情況，采用該指標(biāo)也可準(zhǔn)確預(yù)測預(yù)報煤的自然發(fā)火。

圖12 ICO與煤溫關(guān)系擬合曲線Fig.12 Fitting curve of relationship between ICO and coal temperature

對Graham 指數(shù)隨煤溫變化對應(yīng)關(guān)系進行擬合，根據(jù)五次多項式擬合得到了回歸數(shù)學(xué)模型：

式中：x 為煤體溫度。

根據(jù)擬合公式和實驗結(jié)果可知，當(dāng)x＜100 ℃時，ICO＜0.52 時，，煤樣自燃發(fā)展緩慢；當(dāng)0.52＜ICO＜14.46 時，煤樣處于緩慢氧化階段，氧化強度開始增加；14.46＜ICO＜49.87 時，煤樣處于加速氧化階段；當(dāng)ICO＞49.87 時，煤樣處于劇烈氧化階段，很快即將出現(xiàn)明火。

3.3 自然發(fā)火預(yù)測指標(biāo)體系

通過分析煤樣在程序升溫實驗過程中CO、CO2、CH4、C2H6、C2H4氣體的產(chǎn)生量以及定量判定指標(biāo)，建立8 煤層不同自燃階段預(yù)測指標(biāo)體系見表2。

表2 8 煤層自然發(fā)火預(yù)測指標(biāo)體系Table 2 No.8 coal seam spontaneous combustion prediction index system

4 結(jié) 論

（1） 通過對林西礦8 煤層所取煤樣進行實驗室分析測試，通過熱重實驗確定了煤自燃過程中4個階段的特征溫度，并測定了煤樣氧化升溫過程中生成的氣體成分和濃度。

（2） 基于單一指標(biāo)氣體和復(fù)合性指標(biāo)在升溫過程中的變化特征，林西礦8 煤層自然發(fā)火過程中，當(dāng)溫度小于240 ℃（100 ℃時開始產(chǎn)生CO 氣體） 為緩慢氧化階段，240 ～300 ℃為加速氧化階段，溫度大于300 ℃為劇烈氧化階段。

（3） 確定了以CO 和C2H4氣體作林西礦8 煤層自燃發(fā)火定性預(yù)測指標(biāo)，CO2/CO 和ICO 作為定量判定指標(biāo)，C2H6/CH4為輔助定量判定指標(biāo)的預(yù)測體系，該指標(biāo)體系對林西礦8 煤層及鄰近煤層自然發(fā)火預(yù)測預(yù)警具有重要意義