晋城矿区整合矿井煤程序升温特性试验研究∗

张 群姚海飞徐长富吴海军郑忠亚

（1.煤炭科学技术研究院有限公司安全分院，北京市朝阳区，100013；2.煤炭资源高效开采与洁净利用国家重点试验室（煤炭科学研究总院），北京市朝阳区，100013；3.北京市煤矿安全工程技术研究中心，北京市朝阳区，100013）

晋城矿区整合矿井煤程序升温特性试验研究∗

张 群1，2，3姚海飞1，2，3徐长富1，2，3吴海军1，2，3郑忠亚1，2，3

（1.煤炭科学技术研究院有限公司安全分院，北京市朝阳区，100013；2.煤炭资源高效开采与洁净利用国家重点试验室（煤炭科学研究总院），北京市朝阳区，100013；3.北京市煤矿安全工程技术研究中心，北京市朝阳区，100013）

针对晋城矿区整合矿井集中存在的破坏区块多、采空区漏风严重等问题，选取大峪15#、仙泉15#、晋平10#3个煤层开展了程序升温特性试验，分析了CO及烃类气体产生量随煤温的变化规律，测算了自燃临界温度，优选了自燃标志气体指标。结果表明，计算得出大峪、仙泉、晋平3个煤层的自燃临界温度分别为85℃、74℃、55℃，其大小反映了煤初期氧化能力的强弱；根据煤自燃标志气体优选原则，建议将CO和C2H4作为煤自燃预测预报的主要指标，辅以规律性良好的其它非吸附烃类气体、链烷比和烯烷比。研究结果对提高晋城矿区类似整合矿井煤自燃预测预报准确度和火灾防治水平具有指导意义。

整合矿井 程序升温特性 标志气体 临界温度 煤自燃预测预报

煤自燃火灾是制约煤矿安全生产的主要灾害之一，严重威胁井下的生命和财产安全。煤的自燃过程可分为缓慢氧化、加速氧化和剧烈氧化3个不同的发展阶段，随着氧化过程的推进，每个阶段对应着不同的气体产物种类和浓度，这些气体的出现及产生量能间接反映煤的自燃氧化程度。程序升温试验是模拟煤自燃过程最直接的方法，即在一定的起始温度条件下，控制环境温度以匀速速率升高，通过不断传热促使目标对象升温的一种测试方法。程序升温法由于测试过程连续性好且操作简单、快捷，被广泛应用于煤自燃过程的多种指标测试中，如标志气体优选、交叉点温度测试等。梁运涛、严荣林和许延辉等通过大量煤氧化模拟试验，创新性地提出了以CO、C2H4、C2H2、链烷比和烯烷比等为主指标的综合指标体系，并以典型煤种为例，提出了褐煤、气煤、长焰煤、肥煤、焦煤、贫煤、瘦煤、无烟煤八大煤种的自燃标志气体优选原则；李金帅等通过与恒温测试法对比煤氧化升温过程中CO的生成量，研究了低温阶段程序升温法对煤氧化过程的影响；仲晓星等建立了利用CO浓度与温度的变化求解临界温度的计算模型，提出了基于程序升温条件下的煤自燃临界温度测试方法；朱红青等基于绝热氧化试验和程序升温试验，研究了多因素下煤自燃低温氧化临界温度指标及其关联性。

煤炭资源整合是淘汰落后、优化布局、提高产业集中度的重要手段，是提高矿井安全保障能力的有效途径。晋城矿区整合矿井前身大多为小煤矿及小煤窑，其开采方式通常为短壁式或掘巷开采，在掘空巷道和采空区内产生大量的遗煤和松散煤柱，长期无规划开采造成巷道相互贯通，漏风通道多或裂隙严重，极易形成煤自燃火灾。因此，实现煤自燃火灾的预测预报是晋城矿区整合矿井煤炭资源安全开采的迫切需要，而研究煤的程序升温特性是有效防治煤自燃火灾的基础。

1　程序升温试验

1.1 试验设备

本次程序升温试验采用自主研发的煤自然发火模拟系统，其结构如图1所示。该系统主要包括程序升温炉、气相色谱仪、煤样罐、温度测控系统、预热管路、流量计等部件。程序升温炉内置石棉保温层，通过温度测控系统实现恒温、程序升温和跟踪升温功能；圆柱型煤样罐采用纯铜材质，内置铂丝温度探头；空气通过预热管路进入煤样罐内与煤体发生反应；气相色谱仪可对O2、CO、CO2、CH4、C2H4、C2H6及C3H8等气体进行常量及微量分析。

图1　煤自然发火模拟装置

1.2 试验煤样

大峪、仙泉和晋平煤矿是晋城矿区内三座典型整合矿井。本次试验煤样取自大峪15#、仙泉15#和晋平10#煤层，煤质为烟煤，主要指标见表1。

表1　试验煤样主要煤质指标

试验时取新鲜的大块煤样，将外壳被氧化部分去掉，取芯粉碎，筛分出粒径为0～1 mm、1～3 mm、3～5 mm、5～10 mm的4种煤粒，为了综合反映不同粒径对煤程序升温特性的影响，选用4种粒径质量比1∶1∶1∶1的混合煤样1000 g进行程序升温试验。

1.3 试验过程

将称量好的煤样缓慢装入煤样罐，再放入程序升温炉内；在煤样罐和程序升温炉的几何中心分别布置一个温度传感器；连接好气路后检查整个装置的气密性。试验时以130 ml/min的流量向煤样罐内通入干空气，升温速率设置为0.5℃/min。试验过程温度范围为30～240℃，每隔10℃在煤样罐出口用针管取一次气体，立即使用气相色谱仪对其进行分析。

2　试验结果分析

2.1 气体产生量

（1）CO产生规律。CO是煤自燃过程中最早出现的氧化气体产物，并贯穿始终。3种煤样CO产生量随煤温的变化规律如图2所示。由图2可知，室温30℃时即存在缓慢的煤氧复合反应，伴随微量的CO产生；煤温低于110～120℃时，CO产生量呈线性缓慢增加；110～120℃之后，CO产生量出现一个飞跃，此后急速增长，逐步进入剧烈氧化阶段。整个过程中，煤体活性基团与氧气反应生成CO的规律呈近似指数形态的单调递增特征。CO可以作为煤自燃预测预报的主要指标。

图2　CO产生量随煤温的变化规律

（2）烃类气体产生规律。3种煤样C2H4、C2H6和C3H8产生量随煤温的变化规律如图3所示。由图3可知，3种煤样烃类气体产生的初始温度相同，分别为150℃、110℃、110℃。由图3 （a）可知，3种煤样C2H4产生量随煤温升高单调增大，C2H4的出现表明煤自燃已进入加速氧化阶段，可以作为预测预报的主要指标；由图3（b）可知，C2H6产生量随煤温升高基本呈线性增大，规律性较好，可以作为辅助指标；由图3（c）可知，除大峪15#煤在200℃之前规律性较差外，仙泉15#煤和晋平10#煤C3H8产生量随煤温升高基本呈线性增大，可以作为辅助指标。

2.2 气体比值

CO和C2H4是目前中变质程度煤种最常使用的煤自燃预测预报标志气体，但在现场应用过程中，不能忽略复杂环境和条件的影响，特别是大部分煤自燃发生在煤柱或采空区，影响气体产物涌出量的因素极多，且井下煤的自热或氧化是在贫氧条件下进行的，这使现场实际检测到的标志气体产生量与试验条件下所得标志气体产生量之间没有明确关系。假设气体产物涌出稳定，其检测浓度仅受风量变化的影响，为消除井下风量的影响，除了单一气体指标外，还需分析链烷比、烯烷比等复合指标来预测预报煤自燃情况。

图3　烃类气体产生量随煤温的变化规律

（1）链烷比。链烷比主要指长链烷烃与甲烷和乙烷的浓度比值。由于煤自燃过程中绝大部分CH4来源于煤体原始赋存CH4的脱附，氧化产生的仅占极小部分，实际生产过程中容易受到采掘工作、落煤时间等因素影响，所以φ（C2H6）/φ （CH4）、φ（C3H8）/φ（CH4）通常不能反应煤真实的自燃程度。3种煤样φ（C3H8）/φ（C2H6）的规律如图4所示。由图4可知，仙泉15#煤φ （C3H8）/φ（C2H6）规律性良好，可以作为煤自燃预测预报的辅助指标；其余两个煤层该指标不满足单调变化性，且没有能够判定煤程序升温过程中特征温度段的极值出现。

图4　φ（C3H8）/φ（C2H6）随煤温的变化规律

（2）烯烷比。烯烷比是指烯烃气体浓度与某一碳链大于或等于该烯烃的烷烃浓度的比值。3种煤样φ（C2H4）/φ（C2H6）和φ（C2H4）/φ（C3H8）的规律如图5所示。由图5可知，仙泉15#煤φ（C2H4）/φ（C3H8）随煤温升高单调增大，规律性良好；晋平10#煤φ（C2H4）/φ（C2H6）在煤温200℃之前虽然不具有单调变化性，但在200℃之后迅速增大，能够在一定程度上反映煤在高温阶段的状态，所以这两个指标可以作为煤自燃预测预报辅助指标。

3　煤自燃临界温度

（1）基于CO生成量的煤自燃临界温度计算模型。

根据反应速率公式和阿伦尼乌斯方程，得出CO的产生率为：

式中：v（CO）——CO产生率，mol/（m3·s）；

m——煤与1 mol O2反应生成CO的摩尔数；

v（O2）——耗氧速率，mol/（m3·s）；

A——前因子；

CnO2——氧气含量，mol/m3；

n——反应级数；

E——活化能，J/mol；

Ti——绝对温度，K；

R——气体常数，取8.314 J/（mol·K）。

图5　φ（C2H4）/φ（C2H6）和φ（C2H4）/φ（C3H8）产生量随煤温的变化规律

在模拟煤氧化过程中，假设反应前后煤样质量不变；煤氧反应时氧气的初始反应浓度不变；风流仅沿煤样罐的轴向流动；煤样罐内煤温均匀。则沿煤样罐轴向d z处煤样的CO标准生成速率为：

式中：S——煤样罐的底面积，m2；

k——单位换算系数，取22.4×109；

vg——气体流速，m3/s；

c——煤氧化过程中CO产生量，%。

将式（2）带入式（1）得：

对式（3）两端积分得：

式中：L——煤样罐的高度，m；

Cout——煤样罐出口的CO浓度，%。

对式（4）两边取自然对数得：

由式（5）知，当供气流量一定时，ln Cout与1/Ti是一条直线。通过计算拟合曲线斜率-E/R，可得煤氧化不同反应阶段的活化能，而活化能发生突变的温度即为煤自燃临界温度。

（2）煤自燃临界温度分析。3种煤样的ln Cout与1/Ti函数变化关系如图6所示。由图6可知，随着煤温的不断升高，ln Cout与1/Ti函数的斜率会在某点发生突变，突变点所对应的温度即为煤自燃临界温度。通过计算不同反应阶段的拟合曲线，选取相关系数（R2）最高的分段拟合方式判断突变点，最终得到大峪15#煤、仙泉15#煤和晋平10#煤的表观活化能发生突变的1/Ti分别为0.002796、0.002878、0.003051，对应的临界温度分别为85℃、74℃、55℃，与煤样的吸氧量大小呈反比关系。临界温度是衡量煤从缓慢氧化发展到加速氧化难易程度的指标，其高低反映了煤初期氧化能力的强弱，临界温度越低，则煤的初期氧化能力越强。

4　结论

（1）通过分析3种煤样在程序升温过程中CO、C2H4、C2H6、C3H8气体的产生量及比值，参照煤自燃标志气体需具有灵敏性、规律性、可测性、早期显现性、唯一性及单调变化性的特点，结合中变质程度煤种标志气体优选原则，建议选取CO、C2H4作为3个煤层自燃预测预报的主要指标，C2H6作为辅助指标，此外，C3H8、φ（C3H8）/φ（C2H6）和φ（C2H4）/φ（C3H8）可作为仙泉15#煤的辅助指标，C3H8和φ（C2H4）/ φ（C2H6）可作为晋平10#煤的辅助指标。

（2）基于CO生成量的煤自燃临界温度计算模型，计算得出大峪15#煤、仙泉15#煤和晋平10#煤自燃临界温度分别为85℃、74℃、55℃。

图6　3种煤样的ln Cout与1/Ti函数变化关系

（3）在煤自燃标志气体指标体系建立过程中，应尽量摒弃单纯使用CO等单一指标的片面观念，考虑综合使用规律性良好的链烷比、烯烷比等复合指标共同判定煤自燃状态，提高煤自燃预测预报的科学性和准确性。研究结果可以有效避免因采掘活动和地质构造等对煤自燃标志气体单一指标的影响，指导矿方针对煤的不同自燃阶段采取高效、经济的防治措施，可以为晋城矿区类似整合矿井的煤自燃预测预报提供重要参考。

［1］ 梁运涛，罗海珠.中国煤矿火灾防治技术现状与趋势［J］.煤炭学报，2008（2）

［2］ 徐长富，傅贵，郑忠亚等.纳林河二号井3-1煤层指标气体优选试验研究［J］.安全与环境学报，2014（3）

［3］ 许涛.煤自燃过程分段特性及机理的试验研究［D］.徐州：中国矿业大学，2012

［4］ 王德明.矿井火灾学［M］.徐州：中国矿业大学出版社，2008

［5］ 陆伟.煤自燃逐步自活化反应过程研究［D］.徐州：中国矿业大学，2006

［6］ 谢振华，金龙哲，任宝宏.煤炭自燃特性与指标气体的优选［J］.煤矿安全，2004（2）

［7］ 张玉龙，王俊峰，王涌宇等.环境条件对煤自燃复合指标气体分析的影响［J］.中国煤炭，2013（9）

［8］ 梁运涛.煤炭自然发火预测预报的气体指标法［J］.煤炭科学技术，2008（6）

［9］ 严荣林，钱国胤.煤的分子结构与煤氧化自燃的气体产物［J］.煤炭学报，1995（6）

［10］ 许延辉，许满贵，徐精彩.煤自燃火灾指标气体预测预报的几个关键问题探讨［J］.矿业安全与环保，2005（1）

［11］ 李金帅，王德明，仲晓星等.低温阶段程序升温法对煤氧化过程影响的研究［J］.中国安全科学学报，2011（5）

［12］ 仲晓星，王德明，尹晓丹.基于程序升温的煤自然临界温度测试方法［J］.煤炭学报，2010（S1）

［13］ 朱红青，王海燕，胡瑞丽等.煤自燃低温氧化临界温度指标及其关联性分析［J］.煤炭科学技术，2013（8）

［14］ 翁翼飞.老矿区及资源整合矿井安全高效开采模式探讨［J］.煤矿安全，2014（1）

［15］ 孟祥瑞，徐铖辉，高召宁等.采场底板应力分布及破坏机理［J］.煤炭学报，2010（11）

［16］ 翟成.近距离煤层群采动裂隙场与瓦斯流动场耦合规律及防治技术研究［D］.徐州：中国矿业大学，2008

［17］ 刘剑，王继仁，孙宝铮.煤的活化能理论研究［J］.煤炭学报，1999（3）

［18］ 朱令起，周心权，谢建国等.自然发火标志气体试验分析及优化选择［J］.采矿与安全工程学报，2008（4）

（责任编辑 张艳华）

Coal temperature program characteristics experiment research of integrated mines in Jincheng mining area

Zhang Qun1，2，3，Yao Haifei1，2，3，Xu Changfu1，2，3，Wu Haijun1，2，3，Zheng Zhongya1，2，3
（1.Mine Safety Technology Branch of China Coal Research Institute，Chaoyang，Beijing 100013，China；2.State Key Laboratory of Efficient Exploitation and Utilization of Coal Resources （China Coal Research Institute），Chaoyang，Beijing 100013，China；3.Beijing Coal Mine Safety Engineering Technology Research Center，Chaoyang，Beijing 100013，China）

Temperature program characteristics experiment was taken with Dayu 15#，Xianquan 15#and Jinping 10#coal seams to solve existing problems at integrated mines in Jincheng mining area，such as many broken blocks and severe air leakage in goaf.The experiment analyzed the variation law of carbon monoxide and hydrocarbon gas production with coal temperature，calculated critical temperature of spontaneous combustion and chose spontaneous combustion sign gas index.The result indicated：critical temperature of spontaneous temperature at Dayu，Xianquan，and Jinping is 85℃，74℃，55℃，respectively.The magnitude of this temperature reflects the oxidation ability of coal during early stage；according to optimization principle of coal spontaneous combustion sign gas，it is suggested to choose CO and CH4as main forecast index of coal spontaneous combustion，associated with other well-regularitybehaved non-adsorbed hydrocarbon gas，chain-alkane ratio and olefin ratio.The experiment was proven that could increase accuracy of coal spontaneous combustion prediction at similar integrated mines in Jincheng mining area and improve fire accident prevention.

integrated mine，temperature program characteristics，sign gas index，critical temperature，coal spontaneous combustion prediction

TD752

A

中国煤炭科工集团有限公司科技项目青年基金项目（2016QN002），中国煤炭科工集团科技创新基金资助项目（2012MS001）

张群（1988-），男，陕西咸阳人，助理工程师，从事矿井火灾防治理论与技术方面的研究。