佳瑞煤矿采空区煤炭自燃标志性气体实验研究

陈绍杰，高 亮，李东明

(华北科技学院安全工程学院，北京东燕郊 101601)

0 引言

煤炭自燃是制约煤矿高产高效安全生产的重大灾害之一，因煤炭自燃引起的火灾占煤矿火灾的90%以上，采空区则是煤炭自燃火灾的主要发生地点［1－2］。采空区煤炭自燃是一个极其复杂的动态变化过程，影响因素多［3］。煤炭自燃标志性气体是指火灾生成物中独有的、能够表征生成量与相应温度、并能进行预测预报火灾的气体。根据标志性气体变化规律推断煤的自热温度，是目前煤自燃预测预报应用最广泛的方法［4－6］。科学合理的确定煤自燃标志性气体对矿井的防灭火预测预报工作至关重要。

佳瑞矿主采15#煤层，15101工作面为一采区首采综放工作面，地质条件简单。工作面的倾向长度150 m，走向可采长度450 m。煤层平均厚度6.62 m，煤层倾角2°～15°，工作面采高2.6 m，距上部14#煤层平均间距7.29 m，推进速度2.4 m/ d。工作面采用双U型通风系统(两进两回)，采用高抽巷抽放、高位孔抽放和插管密闭抽放治理采空区瓦斯。佳瑞矿14#煤层和15#煤层自燃倾向性鉴定均为“Ⅱ级”，为自燃煤层。该矿周边矿井15#煤层曾发生过煤炭自燃［7－8］。15#煤层采用轻型放顶煤采煤法，较近的层间距使得14#煤会冒落至15#煤层采空区，采空区遗煤是14#煤和15#煤的混合体。鉴于此，本文综合分析了佳瑞矿14#煤和15#煤自燃特性，并进行了对比分析，确定了采空区煤炭自燃标志性气体。

1 程序升温实验

1.1 煤样采取及制备

煤样采自佳瑞煤矿新暴露的14#和15#煤层表面，采样后立即放入塑料袋中并加以密封，运至实验室。将煤样在空气中破碎，并将破碎煤样筛分，不同粒度混合煤样200g作为实验样品。实验用煤样均是原采取的煤样，除粒度差别外，其他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。

1.2 实验装置

煤氧化模拟实验系统是由预热气路系统、传热煤样罐、程序控温箱、气体采集及气体分析系统、多路数据采集系统组成［9－10］。预热气路系统可以向煤样罐提供经过预热的干空气;程序控温箱为不锈钢内胆，外加石棉保护层，能够实现恒温、跟踪升温或者程序升温;煤样罐为圆柱形纯铜材质，内置铂丝温度探头。测试时煤样罐放置在可程序升温的恒温箱中，恒定流量干燥空气从煤样罐进气管进入，在出口处利用气象色谱仪测定生成气体浓度。在两个直径9.5 cm，长25 cm的钢管中，分别装入煤样200 g左右，在上下两端分别留有2 cm左右的自由空间(采用100目钢丝网托住煤样)，然后置于程序升温箱内以一定升温速度加热，并送入定量预热空气，然后测定分析煤样温度和生成气体成分。程序升温实验装置示意图如图1所示。

图1 程序升温实验装置示意图

1.3 实验过程

将制备好的实验煤样装入煤样罐，煤样罐放入加热炉，煤样罐上有空气进气管，空气气流量由流量计控制，煤样罐有出气管，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。煤样罐几何中心布置有温度传感器，以测试煤样的核心温度，恒温箱内部布置温度传感器，以测试环境温度。实验的温度范围为30℃到200℃左右，进气流量为60 ml/min。实验开始时以1℃/ min的速度将煤温升高15℃，然后保持煤温恒定5 min左右后，再以约1℃/min的速度将煤温升高15℃，然后保持煤温恒定5 min左右，依次类推。

2 实验结果

煤的自然发火经历三个不同的发展阶段，即缓慢氧化发展阶段、加速氧化阶段和激烈氧化阶段。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较好的对应关系，因而可用作预报煤炭自燃的标志性气体［11－12］。煤自燃气体产物是由煤层在井下环境条件下由于其自燃而释放出来的气体。主要包括两部分，一部分由于煤自身氧化产生的气体产物，即煤自燃氧化气体;另一部分是成煤过程中吸附在其孔隙内的气体，由于煤体温度升高而解吸出来的，称煤吸附气体，主要成份是CH4和CO2。

2.1 CO气体产生规律

实验中测得的CO是煤与氧发生氧化反应的产物，CO的生成量随温度的变化曲线如图2所示。由图可知，CO气体基本贯穿整个氧化过程的始终，14#煤、15#煤CO生成规律基本一致。在常温下(30℃)就有CO出现，在30℃左右，两组煤样均检测到CO生成，生成量约33.19～66.89 ppm。煤温在85℃以前，CO浓度增加比较缓慢，这一低温氧化阶段，物理吸附占有主导地位，氧化缓慢。煤温从85℃开始，CO浓度增加表现出快速增长的趋势，且温度越高氧化越快，CO的增加速率也越大。CO生成量均随着煤温的升高单调递增，基本符合指数关系;相同温度条件下15#煤CO的生成量大。

图2 煤样升温氧化过程CO浓度随温度变化曲线

2.2 烯烃气体产生规律

煤自燃氧化气体中烯烃气体组份有C2H4和C3H6，本次试验温度范围内无C3H6气体生成，C2H4的生成量随温度的变化曲线如图3所示。由图可知，15#煤生成 C2H4气体的临界温度为185℃，初始生成量为1.3ppm;14#煤生成C2H4气体的临界温度为175℃，初始生成量为2.7 ppm。之后随着煤温的升高，14#煤的C2H4气体生成量增长较快。

图3 煤样升温氧化过程C2H4浓度随温度变化曲线

2.3 烷烃气体产生规律

煤自燃氧化气体中烷烃气体组份有CH4和C2H6等，包括氧化生成和吸附两部分，CH4的生成量随温度的变化曲线如图4所示，C2H6的生成量随温度的变化曲线如图5所示。由图4可知，两组煤样CH4气体的生成量基本随着温度升高而增大;相同温度，14#煤的CH4气体生成量最大，CH4气体主要是吸附气体，常压(1个大气压，约0.1 MPa)下煤样的CH4残存量，从另一方面验证了14#煤的瓦斯吸附性能强于15#煤，导致其生成量较大;从实验初始温度开始，两组组煤样均有CH4气体生成，14#煤、15煤的初始CH4气体生成量分别为30.48 ppm(35℃)和2.45 ppm(30℃)。由图5可知，14#煤自实验温度开始即有C2H6的气体生成，15#煤自145℃才开始有C2H6气体生成;14#煤、15#煤的初始C2H6气体生成量分别为2.27 ppm(35℃)、1.18 ppm(145℃)。两组煤样的升温氧化过程C2H4浓度随温度变化曲线差异明显，仅仅采用15#煤的程序升温实验选择自燃预测预报标志性气体可能导致误判。

图4 煤样升温氧化过程CH4浓度随温度变化曲线

图5 煤样升温氧化过程C2H6浓度随温度变化曲线

3 煤炭自燃标志性气体选择

准确地选择标志气体是进行煤炭自燃早期预报的前提。标志气体的选择要遵循以下几个原则:灵敏性、规律性、可测性、唯一性、单调变化性等。通过分析程序升温实验数据，14#和15#煤层混合煤样在30℃到200℃温度范围的氧化过程中有规律的出现CO、C2H6、CH4、C2H6等气体，实验温度范围内无C2H2、C3H8等气体体产生，说明检测到这两种气体时，煤的氧化已经进入激烈氧化阶段或完全燃烧阶段。CO、CH4三种气体均在30℃时开始出现，CO气体产物生成量随煤温的升高基本呈指数上升趋势。当检测到CO时，说明采空区内的煤火温度至少达到30℃ ～85℃; CO的生成量在低温氧化阶段较小，煤温达到临界温度T1(85℃)之后其生成量迅速增加，这说明该温度下煤已经开始迅速氧化，物理吸附已经越来越弱而化学吸附和化学反应则占据了主要位置。CH4随着煤温的升高先增加后减小，这是由于煤样中吸附的瓦斯在加热情况下释放出来，随着温度的升高和时间的延长，释放量将逐渐减小。C2H4在175℃ ～185℃时出现，初始浓度不大，但随温度升高，上升速率较快。

使用CO、C2H4及C2H2三个采空区煤炭自燃标志性气体指标，将采空区自燃为三个阶段:(1) CO指标气体是煤体自燃早期预测预报的良好指标，矿井风流中出现ppm级CO，煤体处于缓慢氧化阶段，温度在30℃～85℃;(2)CO生产量持续增大或检测到ppm级C2H4时，煤体处于加速氧化阶段，此时煤体温度达175℃;(3)出现ppm级C2H2时，此时温度至少大于200℃，煤体处于激烈氧化阶段，即将出现明火。应用这三个指标，不仅可预测火灾，而且还可判别其阶段，据此而采取不同的防灭火技术措施。

4 结论

在对比分析佳瑞矿14#煤和15#煤程序升温实验的基础上，确定了CO、C2H4和C2H2为采空区煤炭自燃标志性气体。CO指标气体是煤炭自燃早期预测预报的指标，C2H4出现表明煤温度已达175℃，煤体处于加速氧化阶段;C2H2出现表面煤温已达200℃以上，进入激烈氧化阶段。由于煤炭自燃标志性气体是基于实验室一定实验条件下选择确定的，井下条件复杂多变，应结合现场实际及时修正调整煤炭自燃标志性气体，并积极探索其他自燃预测指标。佳瑞矿开采的15#煤层上部存在近距离煤层，增加了采空区自然发火的危险性，应采取符合现场实际条件的综合防灭火措施，保障矿井安全高效生产。

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