林南仓矿煤层自然发火指标气体优选

赵欢欢，朱令起，2，胡立新，孙昕彤，李慧，刘康，乔健

(1．华北理工大学 矿业工程学院，河北 唐山 063210；2．河北省矿业开发与安全技术实验室，河北 唐山 063210)

林南仓矿煤层自然发火指标气体优选

赵欢欢1，朱令起1，2，胡立新1，孙昕彤1，李慧1，刘康1，乔健1

(1．华北理工大学 矿业工程学院，河北 唐山 063210；2．河北省矿业开发与安全技术实验室，河北 唐山 063210)

程序升温；自然发火；标志气体；指标优选

林南仓矿在不同时期均发现CO气体浓度超标，严重妨碍了矿井正常的安全生产。为了确定合理的自然发火预测预报指标，选取林南仓矿煤样,在实验室人工模拟煤的自然发火；通过绝氧条件下的程序升温实验，探究林南仓矿氧化过程之中各类气体含量的变化和产生的规律；分析煤初期自然发火的特征，对预测煤层自燃的指标气体进行优选，建立含CO煤自然发火预测预报的指标体系，为预测模型的建立奠定了基础。

大量研究证明了煤层会赋存CO[1-4]，为了准确预测煤层的自燃，还需要建立含CO煤自然发火预测预报的指标体系。近年来，采用绝热氧化的实验方法因为消除了环境对煤自燃的影响，所以在煤的低温氧化和煤层自燃的研究中受到广泛应用[5-8]。陈欢通过气体成分分析、测温等技术手段预测煤层自燃[9]；徐精彩等专家提出，能够作为参数来判断煤自燃倾向性的指标有很多，比如CO 产生率、特征温度、氧化发热强度、耗氧速度、氧转化为 CO 的百分率与煤自燃倾向性的关系等[10]；通过不同煤样的程序升温氧化实验，董宪伟等人研究了煤样在氧化过程中产生气体的种类和气体浓度的变化特征[11]。朱令起等通过分析选取的4个典型煤样在实验中CO、C2H4、C2H6等气体的检出温度，对照指标气体优选原则，对东欢坨煤矿检出气体和煤样的自燃氧化结果进行了探究[12]。 金永飞、李海涛等对清水营煤样在不同的氧气浓度下气体产生特性进行了研究[13]。邓军等研究了峁底煤矿煤自燃过程中的主要指标气体[14]。

选取赋存CO的林南仓矿煤样，通过绝氧和不同氧浓度条件下的程序升温氧化实验，模拟矿井自燃，然后用气相色谱仪对产生的各种气体进行检测和分析，进而对能够预测煤层自燃的指标气体进行优选。对预测含CO的煤层自燃具有指导意义。

1 绝氧条件下各指标气体释放规律

1.1 实验过程

将林南仓的煤样进行处理后，得到粒径为0.18～0.25 mm(60～80目)的煤样。煤样罐放置于程序升温氧化箱内以后，连接进气管、出气管和温度探头，在确认气密性完好后，通入流量为100 ml/min的压缩空气，并将程序升温装置升温速率设置为0.3 ℃/min，对煤样进行程序升温。温度每增加10 ℃后，收集程序升温箱中释放的气体,打入气相色谱仪中，并记录实验数据。

1.2 实验数据分析

根据实验数据分别绘制8个煤样在各种氧气浓度条件下程序升温实验产生的各种气体的含量随温度的变化关系。

由实验数据可知， CO气体随着温度的变化关系曲线第1次出现明显的升高点在60 ℃左右，CO气体浓度随着温度的升高而上升，煤的氧化反应加剧；CO气体与温度变化曲线中第2次突出变化点在200 ℃左右。此时生成的CO气体急剧增加，产生速率大，说明在此温度阶段，煤分子获得了大量能量，分子结构中各基团共价键断裂，分子内部结构逐渐裂解，生成了大量的CO气体及其他的烃类气体。

在煤自燃氧化反应初始阶段，由于煤体温度较低，碳元素与氧元素发生不完全反应，CO2的生成量较少。随着煤体温度的升高，自燃氧化反应加速，产生的CO2逐渐增多。当煤体温度达到100 ℃左右时， CO2气体大量产生且快速释放，CO2的生成速率突然变大，CO2浓度随温度变化曲线出现了拐点。图1所示为CO2/CO与煤温变化关系。

图1 CO2/CO与煤温变化关系

由图1可知，CO2/CO比值随温度的变化基本上呈现负指数变化规律。由于林南仓煤矿中本身含有CO气体，且每个煤样中含有的CO量不等，因此，在温度在20～40 ℃之间时，CO2/CO比值大小不一。当温度达到70 ℃时，可以看到CO2/CO比值除了7号煤样有些异常外，均降到10左右，此时煤自燃氧化产生了大量的CO，导致比值下降。随着煤样温度的不断升高，CO2/CO比值表现出指数函数曲线下降的变化特征，表明此阶段煤已经处于加速氧化阶段，发生复杂的化学反应，化学键开始断裂，放热量较大，放热速率较快并伴随特征气体的产生和释放。当煤温超过100 ℃时，CO2/CO的比值减小到4～7之间；当煤温超过200 ℃时，CO2/CO的比值小于4。根据以上规律，提出基于CO2/CO比值变化特征的煤自燃判定标准，如表1所示。

表1 CO2/CO判定标准

由实验数据可知，C2H6气体出现的初始温度在60 ℃左右，随着温度升高整体呈现上升趋势，当温度为260 ℃左右时，C2H6的体积分数有所下降，但下降的程度小；随后再次随着温度的升高而上升。C2H6不能单独作为煤自燃预测指标，可作为参考指标。

C3H8出现的初始温度较C2H6高，C3H8气体在温度达到120 ℃才出现，随着温度的升高而逐渐增加，具有单调性，可以作为煤自燃预测预报的指标。C2H4出现的温度在100 ℃左右，当温度达到200 ℃以上时，C2H4发生速率明显较高，与温度的升高呈现的线性规律较好，由于煤样吸附的瓦斯气体中没有烃类成分。只要检测到C2H4气体，即表明煤体温度在100 ℃以上。图2所示为C3H8/C2H6随温度变化曲线。

图2 C3H8/C2H6随温度变化曲线

由图2可知，C3H8/C2H6比值随着温度的升高呈现先递增后减小的趋势；由于生成的C2H6气体在温度为260 ℃左右，体积分数下降，而C3H8气体是一直随着温度的增加而增加的，故C3H8/C2H6比值在260 ℃时出现最高值，随后其比值逐渐变小。C3H8/C2H6比值表现的规律性较强，可以作为煤自燃预测指标。

由实验数据绘制C2H4/C2H6指标随着温度变化的曲线，如图3所示。

图3 C2H4/C2H6比值变化曲线图

由图3可以看出：在实验检测温度范围内，8个煤样的C2H4/C2H6比值出现的初始温度均在100 ℃以上，且C2H4/C2H6随温度变化曲线呈现出先缓慢增长后达到最高点后逐渐下降的趋势。在温度为260 ℃左右，C2H4/C2H6比值达到最大，由曲线可以看出，其可以作为煤自燃预测预报指标。

2 自燃预测指标气体优化

综上所述，CO、CO2/CO、C2H4/C2H6、C2H4均可作为预测煤自然发火的标志性气体，评价各阶段煤自燃氧化温度与指标气体的关联程度，来评判指标气体的可靠度，可通过灰色关联分析实现对指标气体的优选，建立定量和定性判定体系。

2.1 灰色关联分析

以林南仓煤矿4#煤样的煤自燃反应的加速氧化阶段(100～190 ℃)实验数据为例，如表2所示，进行灰色关联分析过程的解释与说明。

表2 林南仓4#煤样升温氧化数据(单位：ppm)

则参考特征序列和比较序列分别为：

t={110,120,130,140,150,160,170,180,190,200}

采用初值化法分别将参考特征序列温度和比较序列指标气体体积分数进行无量纲化，然后计算出绝对插值，确定好2级最大差和2级最小差后带入到关联系数的公式中，其中分辨率系数ξ值(取0.5)，即可得到关联度系数和灰色关联度，得到的关联度大小作为评价指标气体的可靠度的量化依据。灰色关联度数值大的，说明该指标气体与自燃氧化温度的发展态势接近的程度高，则该指标气体可以作为主要指标，以此类推，从而实现对指标气体进行优选。

按照同样的操作步骤，分别计算出林南仓矿煤样的自燃氧化温度段40～90 ℃以及200～300 ℃对应的指标气体的关联程度，得到的结果如表3所示。

表3 各煤样的氧化温度与指标气体的关联度

2.2 指标气体优化

表3中8个煤样的自燃氧化温度区间内对应的指标气体的关联度大小，可以看出：在温度40～70 ℃之间，仅6#、7#和8#3个煤样氧化反应中检测到C2H6气体，所以，C2H6气体不适合作为该阶段的预测指标；则各有4个煤样的CO2/CO和CO指标与自燃氧化温度的关联度值最高，说明CO2/CO和CO指标与自燃氧化温度的变化态势最接近，但林南仓矿存在低温情况下CO涌出现象，故在此低温自燃氧化反应阶段内，CO2/CO比值应作为首选指标。

在温度70～100 ℃之间，除8#煤样外，7个煤样的CO2/CO指标与自燃氧化温度的关联度值最高，说明两者的发展态势最吻合，在此自燃氧化反应阶段内，CO2/CO比值可作为首选指标。

在温度100 ℃以上时，由于C3H8检测到的温度较低，有时在140 ℃以上，因此，C3H8气体和C3H8/C2H6不宜作为该温度阶段煤自燃预测指标；除了5#、6#和8#外，有5个煤样的C2H4/C2H6指标与该自燃氧化温度的关联度值最高，其次为CO2/CO指标，因此，C2H4/C2H6和CO2/CO指标可作为自燃预测指标。综合以上分析结果，得到煤自燃程度预测预报指标体系如表4所示。

表4 煤自燃程度预测预报指标体系

3 结论

(1)正常氧气条件下林南仓矿的升温实验得出，CO生成的体积分数随着温度的升高变化趋势相似，均呈现出缓慢增加到急剧增加的趋势，与温度变化成正指数变化关系，且贯穿到煤升温氧化的整个实验过程中。超过100 ℃后，CO浓度增加量明显增大，在日常生产中应对该指标加以注意。

(2)利用CO2/CO比值作为判定指标可消除煤矿井下通风对指标气体测量结果的影响，其CO2/CO比值的变化规律直观地反映了煤自然发火特征，可用于判断煤自然发火过程所处的阶段和存在危险的程度，及时准确指导煤生产矿山内因火灾的预报与防治。

(3)通过对各煤样氧化实验数据的定性分析，可以把早期自燃氧化过程分成3个温度段：40～70 ℃、70～100 ℃，100 ℃以上，CO气体、CO2/CO、C2H4气体、C2H6气体、C3H8气体、C3H8/C2H6、C2H4/C2H6都可作为判定煤层自然发火程度的指标气体。但在实际应用时，应综合考虑各指标，使得预测更加准确。

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OptimalSelectionforGasPredictionIndexofCoalSpontaneousCombustionatLinnancangCoalMine

ZHAO Huan-huan1, ZHU Ling-qi1,2, HU Li-xin1, SUN Xin-tong1, LI Hui1, LIU Kang1, QIAO Jian1

(1. College of Mining Engineering, North China University of Science and Technology, Tangshan Hebei 063210, China;2. Hebei Lab of Mining Development and Safety Technology, Tangshan Hebei 063210, China)

temperature programming; spontaneous combustion; indicative gas; index optimization

In different periods, the concentration of CO gas was found to be over-standard at the Linnancang Coal Mine , which seriously influences the normal safety production of mine. In order to determine reasonable gas prediction indexes of coal spontaneous combustion, selecting the Linnancang Coal Mine as sample, manually imitated coal spontaneous combustion in the laboratory. The temperature programming experiment at normal oxygen concentration was carried out. By the study of content variation and analysis of production regularity of all kinds of gas that produce at oxidation process at Linnancang Coal Mine and the characteristics of early spontaneous combustion of coal spontaneous combination, and index optimization was conducted for gas prediction index of coal spontaneous combustion at LinnancangCoal Mine and the index system of gas prediction system about coal containing CO spontaneous combustion was built. It is significant to the establishment of prediction model.

2095-2716(2017)04-0034-07

2017-04-13

2017-09-13

X936；P624.8

A