东庞矿北井自然发火标志气体的优化选择

朱拴成

（煤炭科学研究总院经济与信息研究分院，北京市朝阳区，100013）

东庞矿北井自然发火标志气体的优化选择

朱拴成

（煤炭科学研究总院经济与信息研究分院，北京市朝阳区，100013）

采用程序升温实验，研究了东庞煤样的自燃特性，测定了煤样在不同热解温度下一氧化碳、二氧化碳、甲烷、乙烯、乙炔等气体的浓度，确定了这些气体的检出温度。对比指标气体优选原则，分析了自然发火指标气体随温度变化的规律性，选出了适合东庞矿煤层自然发火预测预报的指标气体。

自然发火 指标气体 预测预报 东庞矿

1 矿井概况

东庞矿北井地处河北省邢台市，9202工作面是东庞矿北井9＃煤层第一个工作面，开采方式为综采放顶煤。9＃煤层属Ⅱ类自燃煤层，有自然发火倾向性，含硫量较高，煤层自然发火期为67 d；有煤尘强爆炸危险性，属低瓦斯煤层。

2 实验装置与测试

2.1 测试目的

煤炭氧化和热解过程中会产生多种气体，气体的成分和浓度与煤温有对应关系，因而可用作预报煤炭自燃的标志性气体。本实验将研究东庞矿北井标志性气体的出现温度及其浓度与温度的关系，为煤炭自燃早期预测预报打好基础。

2.2 实验系统

本次实验采用CSC－B2煤低温自燃实验台测试煤样，该实验系统由4个组成部分。

（1）煤升温氧化装置。该装置由煤样罐、加热炉和保温壳组成。煤升温氧化装置的关键是把煤样准确加热到实验所需温度并能维持在该温度上，使煤样在该温度内充分氧化，并且要求整个装置的气路简单、密闭。为此重点对煤样罐进行了改造，增加了密封垫。

（2）煤温检测和温控装置。实验过程中，将其中的一个温度传感器布置在煤样中，用来检测煤温，另一个温度传感器布置在煤罐壁上，用来检测罐壁的温度。

（3）气体分析系统。本实验采用GC－4000A系列气相色谱仪对加热过程产生的气体进行分析，该仪器由电气控制单元、分析单元和气路控制单元组成。分析单元主要是由色谱柱恒温箱、热导检测器恒温加热块、汽化室加热块和转化炉组成。

（4）供风系统。供风系统由空气压缩机、流量计和管路构成，氧化煤样用的空气由空气压缩机供给，通过流量计、管路进入氧化炉。

2.3 实验条件

（1）加热炉。升温速率：100℃以内为1.3℃/min；100～200℃为4℃/min。

（2）气相色谱仪。柱箱温度60℃，热导温度100℃，汽化温度150℃，转化温度360℃，桥丝温度30℃，TCD载气H2纯度99.99%，FID N2纯度99.99%，H2纯度99.99%。

2.4 煤样的采取与制备

煤样采自新暴露的煤层表面，采取7个煤样，分别取自9202工作面上隅角、9202回风巷、9202工作面运输巷、9202工作面、9202工作面下隅角、9021集中轨道巷、集中轨道上山。采样后立刻放入事先准备好的塑料袋中并加以密封，运至实验室。试验时打开密封袋，将大块煤进行粉碎，装入加热炉内进行加热。

本次实验使用煤样为1000 g，除大块的煤做人工粉碎外，其余基本上是原采取的煤样，与采空区遗煤在物理化学性质方面比较接近，因此实验结果与实际情况较相符。

2.5 实验方法及实验过程

在实验过程中，将1000 g的煤样粉碎后装入煤样罐，煤样罐两端留有2 cm左右自由空间，用不锈钢网与煤样隔开。煤样罐垂直放入加热炉，其底部有进气管，由空气压缩机向煤样罐供空气，由转子流量计控制进气流量；煤样罐顶部有出气管，流出的气体由集气装置进行收集，然后注入气相色谱仪进行分析。煤样罐中心布置有温度传感器，以测试煤样的核心温度，煤样罐罐壁布置温度传感器，以测试罐壁的温度。

实验的温度范围为室温到200℃左右，进气流量为60 ml/min。具体升温过程：100℃以内：先以约1.3℃/min的速度将煤温升高20℃，然后保持煤温恒定15 min后，再以约1.3℃/min的速度将煤温升高20℃，然后保持煤温恒定15 min，依次类推；100～200℃内：先以约4℃/min的速度将煤温升高20℃，然后保持煤温恒定20 min后，再以约4℃/min的速度将煤温升高20℃，然后保持煤温恒定20 min，依次类推。

3 实验结果数据分析

3.1 一氧化碳与煤温的变化关系

一氧化碳浓度随温度的变化曲线见图1，由图1可知：

（1）一氧化碳的产生量在27.2～60℃之间，呈现先升高后降低的趋势，在60℃之后随着温度的升高而升高。

（2）综合7个煤样的实验结果得出，60℃之前出现的一氧化碳为煤体自身所含的吸附态的一氧化碳和煤样自燃产生的一氧化碳之和，60℃之后产生的一氧化碳仅为煤体自燃所产生的一氧化碳，根据40℃时产生的一氧化碳浓度可得一氧化碳出现的临界温度为30℃。

（3）在60～120℃之间，一氧化碳增加的幅度较小，煤的氧化速度较慢。

（4）在60～120℃之间，一氧化碳与煤温基本呈现幂函数关系。

（5）从120℃开始，一氧化碳浓度随温度的升高而增加的幅度变大，表示煤已经进入了加速氧化阶段。

由以上分析可知，煤样从低温开始，经过缓慢氧化和加速氧化阶段，均有一氧化碳的释放，并且随温度变化出现了一定的规律性。可见，一氧化碳是检测煤炭早期自燃非常灵敏的指标，可以用来作为东庞矿北井预测煤自燃的指标气体。

图1 一氧化碳浓度随温度的变化曲线

3.2 二氧化碳与煤温的变化关系

二氧化碳浓度随温度的变化曲线见图2，从图2可知：

（1）二氧化碳从温度27.2℃时开始出现。

（2）在40℃以前，二氧化碳的产生量随温度升高而升高。

（3）40℃以后，二氧化碳的浓度呈现出频繁的起伏变化，规律性不明显。

（4）二氧化碳易受井下外界环境的影响，这是可能导致二氧化碳产生量频繁起伏变化的原因，而且二氧化碳产生量的规律性不明显，所以二氧化碳不宜作为东庞矿北井预测煤自燃的指标气体。

图2 二氧化碳浓度随温度的变化曲线

3.3 甲烷与煤温的变化关系

甲烷浓度随温度的变化曲线见图3，由图3可知：

（1）甲烷的出现大致在30℃左右，7＃煤样的甲烷产生浓度与其他煤样的相差较大，分析可得7＃煤样中富含吸附态的甲烷气体。

（2）整个升温过程中除7＃煤样外，甲烷的产生量相对较小，120℃以前，甲烷的增长幅度较小，120～140℃时，其浓度增加的幅度较大。

（3）140℃以后，甲烷的产生量相对较多。综合7个煤样分析，甲烷的变化规律呈现的规律性不明显，不可作为指标气体。

图3 甲烷浓度随温度的变化曲线

3.4 乙烷与煤温的变化关系

乙烷浓度随温度的变化曲线见图4，由图4可知：

（1）各煤样在100℃之前，乙烷的变化趋势差异性较大，在100℃之后总体上呈现上升趋势。

（2）在140℃以前，乙烷的浓度值相对较小，140℃以后，乙烷的增长幅度开始变大。

（3）各煤样测得的乙烷数据在100℃之后呈现较为明显的规律性，所以乙烷可以作为东庞矿北井预测煤自燃的指标气体。

图4 乙烷浓度随温度的变化曲线

3.5 乙烯与煤温的变化关系

乙稀浓度随温度的变化曲线见图5，从图5可知：

（1）在100℃以前，各煤样乙稀的浓度变化差异性较大，各煤样浓度差异较大，其中6＃煤样呈现明显的波动趋势。

（2）100℃之后，乙稀的浓度变化逐渐趋向规律性。在140℃以后，乙烯的浓度随温度的升高基本呈现出增长的趋势。

由以上分析可知，可将乙烯作为东庞矿北井预测煤自燃的指标气体。

图5 乙稀浓度随温度的变化曲线

3.6 烯烷比（C2 H4/C2 H6）与煤温的变化关系

烯烷比浓度随温度的变化曲线见图6，由图6可知：烯烷比随温度的升高基本呈现出先升高后降低的趋势，但是，各煤样的温度上升或下降并非发生在同一个温度段。与此同时，6＃煤样和7＃煤样与其他煤样之间的差异性明显。无明显的规律性，所以烯烷比（C2H4/C2H6）不宜作为东庞矿北井预测煤自燃的指标气体。

图6 烯烷比浓度随温度的变化曲线

3.7 乙炔与煤温的变化关系

乙炔浓度随温度的变化曲线见图7。在全部的7个煤样实验数据中，只有6＃煤样（9021集中轨道巷）和1＃煤样（9202工作面上隅角）出现过大幅度的波动，其余煤样的乙炔浓度较小，所以乙炔不宜作为东庞矿北井预测煤自燃的指标气体。

图7 乙炔浓度随温度的变化曲线

4 指标气体的优选

4.1 指标气体的选择标准

煤氧化产生的气体产物种类及其与煤温的对应关系随煤质不同而异，因此，利用气体分析法来预报煤炭自燃时，指标气体应满足如下条件：

（1）可检测性。普通色谱分析仪能检测到指标气体的存在。

（2）敏感性高。当煤炭氧化且煤温超过一定值时，指标气体一定出现，并随煤温的升高其产生量稳定增加。

（3）规律性好。指标气体的浓度与煤温之间应有良好的对应关系，并且对同一煤层重复性较好。

4.2 灰色关联分析与标志气体的优选

通过自然发火模拟试验装置对东庞矿北井的7个煤样进行升温试验，对试验结果分析可得到适合本试验的标志气体为CO、C2H6、C2H4。经计算，各个可选标志气体与煤自燃氧化温度之间的关联度见表1。

表1 模拟升温与各煤样标志气体相对关联度

由表1可以看出，温度与CO的相对关联度最高，C2H6次之，C2H4的相对关联度最低。故在140～200℃内，即自燃的初期阶段选用CO作为本实验的指标气体可信度较高，鉴于C2H6的相对关联度也较高，令其作为本实验的辅助指标气体，可以提高预测的准确度。

5 指标气体的确定

通过对东庞矿北井7个煤样的升温氧化实验数据分析，可以把一氧化碳和乙烷作为东庞矿北井预测煤自燃的指标气体。

（1）只要检测到一氧化碳的存在，说明发火点温度已经达到了30℃以上，如果一氧化碳的浓度持续增加，说明煤的氧化进一步加强。因此，一氧化碳是首选指标，只要发现井下一氧化碳持续存在，并且是不断增加的，就是煤炭自燃的可靠象征，一氧化碳作为预报的温度为30～200℃。

（2）乙烷的灵敏度较高，准确性较好，只要检测到乙烷，便可以判定自燃进入了加速氧化阶段，预报温度为140～200℃。

（3）在140～200℃这段温度范围内用一氧化碳和乙烷同时作为指标气体，旨在保证预测的准确性，因此在检测到一氧化碳的同时，需同时检测到乙烷的含量。一旦发现一氧化碳含量持续增加，而乙烷同时出现，表明煤自燃已进入加速氧化阶段。

［1］ 王云.矿井火灾预防与处理［M］.北京：煤炭工业出版社，1992

［2］ 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

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［4］ 牛立东，王海平.水地庄煤矿井下自燃案例探讨［J］.中国煤炭，2011（7）

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［6］ 武丕俭，张景钢，康怀宇.煤层自然发火指标气体的选择实验分析研究［J］.华北科技学院学报，2010（10）

Optimization of index gases for coal spontaneous combustion in North well of Dongpang Mine

Zhu Shuancheng
（Branch of Economy and Information，China Coal Research Institute，Chaoyang，Beijing 100013，China）

The spontaneous combustion characteristics of coal samples fromDongpang Coalmine were determined by programmed heating experiment.The concentrations and initial emission temperatures of CO，CO2，CH4，C2H4，C2H2were measured.According to the optimization principle of the index gas，the laws of index gases varied with the temperature were analyzed and the index gases suitable for the prediction and forecast of coal spontaneous combustion of Dongpang Coalmine were determined.

spontaneous combustion，index gas，prediction and forecast，Dongpang Mine

TD752.2

A

朱栓成（1982－），男，河南方城人，工程硕士，注册安全工程师，现任煤炭科学研究总院经济与信息分院编辑出版中心主任，一直从事矿山安全工程及科技期刊的编辑出版和经营管理工作。

（责任编辑 张艳华）