渝阳矿煤层自燃标志气体及临界值的研究

廖 礼

（松藻煤电有限责任公司渝阳煤矿，重庆市綦江区，401448）

渝阳矿煤层自燃标志气体及临界值的研究

廖 礼

（松藻煤电有限责任公司渝阳煤矿，重庆市綦江区，401448）

煤炭科学研究总院重庆研究院对渝阳煤矿送去的煤样进行了化验分析，得出M8煤层属Ⅱ类自燃煤层的结论，临界温度为180℃，对煤自然发火原因、机理进行了研究，找出煤层自然发火规律，确定煤层自燃标志气体及临界值；针对煤层的自燃特点，研究煤自燃预测预报技术，提高了煤自燃预测预报的准确率，并采取针对性措施防止煤层自燃。

煤层自燃 指标气体 临界值 研究

1 煤层自燃倾向性鉴定结果

1.1 煤样工业分析及自燃倾向性试验结果

渝阳煤矿属重庆松藻煤电有限责任公司的一对在生产矿井，设计能力0.45Mt／a，1971年投产，经技改扩能产量达0.9Mt／a，可采M7、M8、M11三层煤。

渝阳煤矿按规定在北三区集中回风下山施工取样孔对M8煤层进行取样，并委托重庆煤科院对煤样进行分析鉴定，煤样工业分析及自燃倾向鉴定结果：水分Mad为0.94%，灰分Ad为16.25%，挥发分Vdaf为10.36%，全硫St，ad为3.12%，真相对密度dTRD为1.51，吸氧量Vd为0.85cm3／g干煤，自燃倾向性Ⅱ类。

1.2 煤样升温氧化试验结果

煤中的碳、氢等元素在常温下就会发生氧化反应，生成一氧化碳、甲烷及其他烷烃物质可燃物。在对煤样进行升温氧化试验时，煤样升温氧化过程中气体产物及其浓度变化见表1，临界温度为180℃。

2 自燃标志气体

根据表1数据可绘制出煤样最低温度、最高温度和进气温度的对应关系和煤样生成气体随时间变化的曲线图，见图1和图2。由升温氧化实验结果看出：煤升温氧化气体产物的生成规律是，一氧化碳（CO）出现最早。CO是煤在氧化过程中出现的最早的氧化气体产物，并贯穿于整个氧化过程。首选的自燃标志气体是CO，并得出自燃临界量为0.1497%，可采用CO相对量和变化率为自燃趋势预测预报指标。

表1 煤样升温氧化过程中气体浓度变化

3 煤层最短自然发火期实验结果

3.1 自然发火期解算模型

式中：τ——煤层最短自然发火期，d；

Cip、Ci＋1p——煤在温度为ti、ti＋1时的比热容；

ΔWp——ti、ti＋1温度段内煤样的水分蒸发量，%；

λ——水蒸发吸热，J／kg；

Q′——瓦斯解吸热，J／m3

Δμp——ti、ti＋1温度段内煤样的瓦斯解吸量，m3／kg。

煤样在不同温度下的吸附瓦斯量按下述经验公式计算：

n——系数，可用下式确定：

式中：P——瓦斯压力，kPa；

q（ti）、q（ti＋1）——煤样在温度为ti、ti＋1时的放热速率，J／（kg·min）；

按下式计算：

式中：nco（t）——给定条件下的CO发生率，mol／（kg·min）；

nco2（t）——给定条件下的CO2发生率，mol／（kg·min）；

no2（t）——给定条件下的耗氧量，mol／（kg·min）；

qa——煤与氧化学吸热，kJ／mol；

由于煤在常温到90℃温度段内的水分蒸发量较小，所以近似认为水分的蒸发主要在90～120℃温度段内完成。

3.2 解算结果

解算得松藻煤电公司渝阳煤矿M8煤层N2806工作面煤样实验最短自然发火期为87d，煤样最短自然发火期计算见表2。

4 N2805区域密闭取样化验异常分析

4.1 基本情况

N2805运输巷和回风巷于2006年9月形成封闭，从2006年9月至2010年3月17日救护队取样化验结果均无CO出现。从2010年4月8日开始，N2805运输巷密闭墙内CO出现超限现象，呈上升趋势，N2805运输巷密闭取样化验见表3。N2805运输巷CO最大达到0.079%，并立即对N2805区域密闭进行打孔注马丽散，N2805运输巷密闭采取了注黄泥浆。

表2 煤样最短自然发火期计算表

表3 N2805运输巷密闭取样浓度化验表

4.2 取样化验分析

（1）N2805回风巷密闭无论外漏、内漏，CO浓度变化都不大，只有2010年5月30日，煤样CO浓度为0.0030%，其余几天均为0，可排除N2805回风巷附近煤层自燃的可能性，或者说采取注马丽散的措施取得较好的效果。

（2）N2805运输巷密闭外漏时，CO浓度高达0.0790%，内漏时较小。因此N2805运输巷附近存在煤层自燃的可能性仍然很高；内漏、外漏时CO浓度相差较大，说明漏风量大，即注马丽散措施和注黄泥浆的措施取得的效果都不是很明显。

（3）N2803回风巷密闭内漏、外漏一直以来相差就不大，说明原来该密闭质量还是比较好的，一周时间都在0.0023%以内，也可以排除N2803回风巷附近煤层自燃的可能性。

（4）N2803运输巷密闭自发现CO异常以来，最高CO只有0.0032%，只有2010年5月30日煤样CO浓度为0.0012%，其余几天均为0，也可以排除N2803运输巷附近煤层自燃的可能性。

4.3 结果分析

（1）确定发生自然氧化的地方是N2805运输巷附近煤体。

（2）格雷哈姆系数法判别：式中：R1——第一火灾系数，%；

R2——第二火灾系数，%；

R3——第三火灾系数，%；

＋△CO2——CO2的增加量，即测定地点空气成分中的CO2减去入风流中的CO2量；

＋△CO——CO的增加量，即测定地点空气成分中的CO减去入风流中的CO量；

－△O2——O2的增加量，即入风流中的CO2减去测定地点空气成分中的O2量。

根据表3测得数据，由公式（5）、（6）、（7）可以计算出N2805运输巷密闭附近煤体的火灾系数：R1＝38.5%，R2＝0.361%，R3＝1.75%。

一般以R2作为主要指标，R1作为辅助指标，R3主要用于风流状态变化很大的时候。正常情况下，R2小于0.5%、R2大于0.5%时，应高度警惕；R2大于10%时，已经发生火灾。本次CO异常情况R2＝0.361%，小于0.5%，因此判别煤层未发生火灾，处在自热期。

（3）目前的情况来看，自燃没有发生，只是存在漏风源供给煤体缓慢氧化所需要的氧气，在氧气不充分的条件下氧化，产生一氧化碳。

5 结论

（1）首选的自燃标志气体是CO，可采用CO相对量和变化率为自燃趋势预测预报指标。

（2）根据煤样升温氧化试验结果，采用最短自然发火期模型解算得煤样最短自然发火期为87d。

（3）煤层自燃标志气体临界指标。通过对N2805区域密闭CO异常情况的分析来看，在风流相对稳定的情况下，CO超过0.07%并呈上升趋势，应高度警惕可能已发生火灾；在风流不稳定的情况下，可能由于缺氧抑制煤的自燃，即使达到了0.07%的临界值，也会因缺氧自动熄灭，因此无所谓临界值，但是达到0.07%也应高度重视，采取措施；在流动空气少的均压状态下，均压的状态会因为自燃产了气体而打破，并会随着气体的释放而恢复出现呼吸现象，导致CO浓度忽高忽低。

（4）煤层自燃温度临界指标。标志气体与煤温之间并非简单的一一对应关系。标志气体是在实验室条件下优选的，由于现场条件的复杂、多变，在标志气体的使用过程中，应结合现场实际加以补充、修正。由于矿井发生火灾时，温度不易检测到，因此还需要做大量的工作来修正，在未修正前，温度临界指标以实验室得出结论180℃为指标。

（5）由于常温、常压下，煤会与空气发生氧化反应，且掘进爆破作业、施工钻孔等因素都会产生CO，因此在风流中检测出CO时应进行定点、定时连续观测；当检测出的CO气体浓度有稳定增加的趋势时，才可判断回风流的上风侧产生高温点或自燃火源。

［1］ 朱云辉等.淮南矿区13煤层自然发火标志气体研究［J］.煤矿安全，2010（8）

［2］ 张广文，王旭.煤的自燃指标气体检测［J］.矿业安全与环保，2005（5）

［3］ 崔洪义，王振平，王洪权.煤层自然发火早期预报技术与应用［J］.煤矿安全，2001（12）

［4］ 王伯顺，邵辉，石必明.煤炭自燃预测指标气体的试验研究［J］.煤矿开采，2001（1）

［5］ 吕品.煤炭自然发火指标气体的试验研究及其应用［J］.中国煤炭，2000（4）

Research on sign gas and critical value of coal spontaneous combustion in Yuyang Mine

Liao Li
（Yuyang Mine，Chongqing Songzao C＆E Co.，Ltd.，Qijiang，Chongqing 401448，China）

Chongqing Research Institute of CCRI did the chemical analysis on the coal samples from Yuyang Mine，and obtained the conclusion that M8coal seam belongs to class II spontaneous combustion coal seam，and the critical temperature is 180℃.The causes of coal spontaneous combustion and mechanism have been studied，and the coal spontaneous combustion law has been found out，and the sign gas and critical value of coal spontaneous combustion have been determined.Aiming at the characteristics of coal spontaneous combustion，the paper has researched the prediction technology for it，which has improved the prediction accuracy of coal spontaneous combustion，and then the corresponding measures can be taken to prevent coal seam spontaneous combustion.

coal spontaneous combustion，index gas，critical value，research

TD752

A

廖礼（1985－），男，2007年毕业于华北科技学院安全工程专业，学士学位，助理工程师，主要从事煤矿通风安全及瓦斯防治工作，现任松藻煤电有限责任公司渝阳煤矿通风科副科长，并取得国家注册安全工程师执业资格。

（责任编辑 张艳华）