东山矿煤自燃特性实验研究

苏 凯 赵晓夏 王伟峰 吴会平

(西安科技大学能源学院，陕西 西安 710054)

东山矿煤自燃特性实验研究

苏 凯 赵晓夏 王伟峰 吴会平

(西安科技大学能源学院，陕西 西安 710054)

随着温度的升高，煤炭自燃将依次出现不同的气体。这些气体的出现及释放量基本能准确反映煤炭氧化自燃程度。在煤层程序升温实验装置基础上，结合煤自燃发火实验台模拟的结果，确定太原东山煤矿煤层自燃预报的指标气体及其对应的温度范围，为该矿煤自燃预测预报及防治提供可操作性的依据。

矿山防火；煤自燃；低温自燃；气体指标；东山煤样

0 引言

东山煤矿七采区所采15号煤层为贫煤，赋存较为稳定，属低瓦斯区，煤层具有弱爆性，属容易自燃煤层，发火期为12个月左右，矿井生产实践表明属正常地温、地压区。

煤炭自燃是一个复杂的物理化学过程，是个动态过程，是在低温条件下煤氧复合产生热量并逐渐积累最终发生自燃的结果[1-2]。由于其复杂性，所以试验研究方法应用较普遍，目前常采用指标气体法对煤自燃进行早期的预测预报[3]。本文采用东山矿七采区15#煤进行程序升温实验，分析了其产生的气体成分和浓度的变化规律，为该矿煤自燃早期预报提供科学依据。

对于不同煤种、煤层的变质程度、煤岩成分、孔隙率等的内在条件的不同，其自燃倾向性也不同；同时煤层埋深、厚度、通风管理的不同，导致同一煤矿开采同一煤层的煤自燃能力也有很大的差异。所以，需要通过具体试验分析煤样在不同状态下燃烧的生成物出现的规律，为准确预测、预报煤炭自燃发火提供依据[4]，本实验研究也对其他矿区及煤层煤自燃预报有指导作用。

1 实验装置

目前，煤自燃指标气体测定主要用小型程序升温实验系统，但同类实验装置的实验条件 (如温度、温升速率、流量大小、煤样重量、粒度等)各不相同。本实验装置采用程序升温实验系统。

图1 程序加热升温实验流程

见图1。在一个直径9.5 cm，长25 cm的钢管中装入煤1.1 kg，为使通气均匀，上下两端分别留有2 cm左右自由空间（采用100目铜丝网托住煤样），然后置于利用可控硅控制温度的程序升温箱内加热，并送入预热空气，测定分析不同煤温时的气体成分。当温度达到要求后，停止加热，打开炉门，进行自然对流降温，并测定分析不同煤温时气体成分[5]。

2 实验过程与结果

2.1 实验过程

2007年12 月中旬从东山煤矿采集煤样，包装好送到西安科技大学。于2007年12月15日～12月18日在程序升温箱中进行升温及降温实验，将原煤样在空气中破碎并筛分出粒度为0 mm～0.9 mm、0.9 mm～3 mm、3 mm～5 mm、5 mm～7 mm 和 7 mm～10 mm 的5种煤样，各取220 g组成混合煤样，程序升温实验条件见表1[5]。

2.2 实验结果

实验结果见表2。

表1 程序升温箱煤样加热升温实验条件

表2 煤样程序升温箱加热升温实验结果（粒度:混合样各20%）

3 实验结果分析

东山矿煤自燃氧化气体包括CO，CO2，C1-C4烷烃、C2-C3烯烃及C2H2等。总的生成规律是随着煤温的上升而逐渐增大，但不同的氧化气体组分的生成量和生成顺序上有较大差别。

3.1 一氧化碳（CO）

由试验数据（见图2） 分析，CO浓度随着煤温的升高而逐渐增加。从图2中可知，CO可以在煤的低温阶段被监测到，并且随煤温升高，煤体的CO产生率、耗氧速度和升温速度也增加。

由CO生成量（见图2） 来看，80℃～110℃之间斜率明显增大，110℃时CO生成量达到160 mg/m3，以后CO生成量急剧增加。所以，在工作面上隅角监测到CO为160 mg/m3说明采空区的最高煤温已达到110℃以上。

图2 煤样CO浓度与温度关系曲线

由CO/O2，CO2/O2（见第31页图3） 可知，随着煤温的升高，比值逐渐增大，CO/O2达到0.05%对应煤温为80℃，到110℃（比值为0.11%） 以后曲线斜率明显增大。

图3 煤样CO2/O2、CO/O2与温度的关系曲线

由自燃发火实验台的最高温度点温度与供风时间的关系，1 d内煤温从112℃升到121℃，达到252℃只需要2 d。第44天煤温为112℃，到47 d后温度达到252℃，一两天后发现明火。所以，当煤温达到112℃左右温度急速增高，只要几天就可以达到着火温度。

图4 煤样产生CO/CO2与温度的关系曲线

由图4显示，随着温度的上升R3逐渐增大，当温度达到临界温度60℃～70℃，R3对应比值为3.68。随着温度继续上升，煤温达到89℃时R3第一次出现极大值7.7，说明这个阶段的CO生产量迅速增大，CO产生率大于CO2产生率；随后R3比值下降，说明由于煤温进一步增高导致CO氧化。当R3下降到极小值7.4时并且第一次出现C2H6，此时煤温高达98℃；当R3达到8，对应煤温为110℃时，已经到了非常危险阶段（警报值），根据自燃发火实验台可知5 d左右煤温会达到260℃左右。

根据自燃发火实验和程序升温实验可推测出：R3在 0～2.3为正常阶段 （0℃～60℃）；2.3～6.4为低温氧化阶段（60℃～80℃）；6.4～8为高温氧化的危险阶段（80℃～110℃），此阶段应该加强防火措施；大于8（即大于110℃）为报警阶段。

3.2 烷烯烃气体

图5 煤样产生C2H6、C2H4与温度的关系曲线

图5中C2H6在煤温达到98℃时首次出现，达到134℃以后C2H6迅速增加，同时在144℃后出现C2H4；在刚开始，C2H4的生成率大于C2H6的生成率，因而二者比值逐渐增高，并且出现第一次峰值；而后煤氧复合的速度加快，C2H6生成率又高于C2H4的生成速率，因而比值又开始下降，随着煤的剧烈氧化，C2H4的发生率又恢复到大于C2H6的生产率，第二次峰值出现。因此，第一次峰值标志着煤氧复合到了激烈氧化阶段的加速阶段。

由于只有C2H4出现后烷烯的比值才可以使用，因此应充分考虑在C2H4出现前的气体比值。

图6 煤样CH4/C2H6、C2H4/C2H6与温度的关系曲线

见图6，煤温在134℃时CH4/C2H6比值第一次达到极大值，说明CH4产生率大于C2H6的速率；而后比值开始下降并且伴随着C2H4的出现，此时必须发出紧急报警，立即采取灭火措施扑灭火源。

4 结论

通过对东山煤矿15#煤样的实验研究分析，可以得出下面结论：

①可以把CO作为预测预报东山煤矿15#煤层发火的主要指标气体，只要煤矿井下检测出CO气体持续存在，且浓度不断稳定增加，就可判断此测点风流的上风侧存在高温隐患点或存在自燃火源，并以C2H4、C2H6作为辅助指标气体。

②实验中CO浓度达到40 mg/m3，煤温已超70℃，监测到这个浓度时要加强对CO的监测。当煤温达到110℃，CO浓度超过160 mg/m3，若在工作面上隅角监测到CO超过160 mg/m3，立即组织人员灭火，否则1周左右会产生明火。若监测到出现C2H6的，此时井下煤最高温几乎到了100℃，此时要发出报警；若出现C2H4，煤温已经达到134℃以上。

③CO/CO2值第一次出现极大值7.7时此时煤温已达到89℃，正处于高温氧化阶段。随着煤温的发展，CO/CO2值开始下降并且监测到有C2H6第一次出现的话，说明煤温达98℃，应及时采取防火措施，将自燃扑灭在萌芽阶段。CO/CO2值在6.4～8间说明在高温氧化的危险阶段（80℃～110℃），此阶段应该防火；大于8为报警阶段；当煤温在134℃时CH4/C2H6比值第一次达到极大值以后并且第一次出现C2H4，应发出紧急报警，立即采取灭火措施。

[1]王省身，张国枢.矿井火灾防治 [M].徐州：中国矿业大学出版社，1990.

[2]邵辉.浅析煤炭自燃指标气体的优选与使用 [J].煤炭科学技术，1996(9)：43-45.

[3]罗海珠，钱国胤.各煤种自燃发火标志气体指标研究 [J].煤矿安全，2003（S1） :86-89.

[4]王从陆，伍爱友，蔡康旭.煤炭自燃倾向性试验研究及指标气体优选 [J].中国安全科学学报，2006,16 (10)：131-134.

[5]王晓宁.小窑煤层自燃引起的矿井火灾控制技术研究 [D].西安：西安科技大学，2008：29-33.

Experimental Study on Spontaneous Combustion Characteristics of ShanDong Coal Mine

Su kaiZhao Xiaoxia Wang Weifeng Wu Huiping

(School of Energy Engineering，Xi′an University of Science and Technology，Shanxi Xi′an 710054)

With temperature rising,coal spontaneous combustion will produce different gas.In principle,the appearance and the release quantity of these gas can reflects spontaneous combustion of coal oxidation degree correctly.In coal seam temperature programmed test devicebasis,we can define the temperature range to provide available evidences for the prediction,prevention and cure of coal spontaneous combustion,combining the results of spontaneous combustion simulation test bench.

mine fire prevention； coal spontaneous combustion； low-temperature combustion； gas index；Dongshan coal samples

TD75

A

1000-4866（2012）03-0029-04

苏凯，男，1985年出生，西安科技大学在读硕士研究生，主要从事煤矿安全方面的研究。

2012-06-18

2012-07-09