煤层自然发火状态标志性气体试验研究

甘 建

（枣庄矿业（集团）有限责任公司，山东 枣庄 277000）

煤层自燃是由于煤与氧接触氧化放出热量，在一定的蓄热条件下，氧化放出的热量被积聚，当热量的积聚能够满足煤的自燃发展需要时，煤体温度便会不断上升，最终导致其自燃。其过程的发展是一个极其复杂的动态变化过程，它主要取决于煤的氧化放热特性、供氧条件及蓄散热环境。因此，为了摸清超化煤矿煤层自然发火机理，首先在实验室对22011综采面煤层煤样开展了一系列试验研究。

1 煤层自燃倾向性鉴定及自然发火期预测

1.1 煤自燃倾向性测定——基于氧化动力学方法

1.1.1 煤自燃倾向性的氧化动力学测定方法原理

近年来，中国矿业大学提出了煤自燃倾向性的氧化动力学测定方法，并列入《煤自燃倾向性的氧化动力学测定方法》（AQ/T1068-2008）中，其对许多矿区的大量煤样进行了测定。结果表明，该方法测定原理科学，鉴定结果更为符合实际。

实际上，该方法是基于煤低温氧化复合反应和自由基链式反应的基本原理而提出来的。因此，必须采用严格的指标特征才能充分反映出不同阶段煤的自然特性，常用的两个主要指标是低温氧化阶段的耗氧指标和快速升温阶段的交叉点温度指标。70℃出口氧气浓度是一个主要指标，这一主要指标主要反映的是70℃时温升速率的快慢，决定了在温度较低时氧化自热时间的长短。最后，详细分析这两个指标的各个参数，最终得出精确的煤自燃倾向性判定指数。

1.1.2 氧化动力学方法测定条件

（1）测试煤样粒度的选取。煤在不同氧化阶段需要的氧气量不同，通常，温度越低时氧化所需的氧气量就越小，因此不同测试粒径对耗氧量的测试具有决定性作用。选取的一般原则是，粒径适中，如果粒径过大会影响煤与氧气接触的面积，直接导致氧浓度的变化不大；如果粒径过小会直接导致进入煤体的氧气会遭遇较大的阻力，造成空气流通不畅，影响测试试验的开展。本文综合考虑了相关影响因素，为了测得比较准确的耗氧浓度，该方法选取测试煤样的粒径为0.20～0.35 mm。

（2）煤样的干燥温度。自燃倾向性是煤的一种内在属性，反映的主要是煤的自热情况，它不受外在水分多少的影响，所以应选取去除外在水分的空气干燥煤样作为待测煤样。根据理论与经验，选择40℃为本方法煤样的空气干燥温度。

（3）供气流量的选取。测定指标参数过程中，供气浓度在不同阶段不断变化。本方法初始阶段通入96 mL/min的干空气，中间阶段通入8 mL/min的干空气，后期由于升温阶段的需要，要通入96 mL/min的干空气。

1.1.3 权数的确定方法

两个阶段对煤自燃发展过程有不同的影响，为了权衡这一影响，可通过权数对其进行区分，这样能够达到较好的效果。常用的确定权数的方法有经验确定方法、测量次数确定方法和数据精度参数确定方法。由于煤低温氧化阶段是煤自燃过程中的一个重要阶段，根据经验和相关测算数据，将0.6定为低温氧化阶段的权数，将0.4定为快速氧化阶段的权数。加法合成法对这两个指标进行合成时能够合理地体现出各评价指标之间的权重关系，因此被经常使用。

依据加法合成法，煤自燃倾向性的综合判定指数计算公式如下：

式中，I为煤自燃倾向性判定指数，无量纲；ICO2为煤样温度70℃时煤样罐出气口氧气浓度指数，无量纲；ITcpt为煤在程序升温条件下交叉点温度指数，无量纲；CO2为煤样温度达到70℃时煤样罐出气口的氧气浓度，%；Tcpt为煤在程序升温条件下的交叉点温度，℃；15.5为煤样罐出气口氧气浓度的计算因子，%；140为交叉点温度的计算因子，℃；为低温氧化阶段的权数，取值为0.6；为快速氧化阶段的权数，取值为0.4；φ为放大因子，取值为40；300为修正因子[1]。

利用式（1）、式（2）和式（3）进行计算，结果显示，用氧化动力学方法鉴定时，超化煤矿二1煤层自然发火倾向性自燃等级为Ⅱ类，即属于自燃煤层。

1.2 煤层最短自然发火期预测

煤自身氧化能力强弱的测试方法有很多，目前应用普遍、效果较好的一种是绝热氧化法。根据相关测试方法的标准，利用氧化动力学测试和绝热氧化测试方法对所选择的10个典型煤样进行测试，将氧化动力学判定指数、绝热氧化时间数据先进行无量纲化，然后通过数学分析软件进行分析和曲线拟合，结果如下：

曲线拟合数学模型为：

式中，I为判定指数，无量纲；T为绝热时间，h。

小煤样与大煤样虽然有很多相似性，但由于小煤样应用的是绝热氧化测试方法，大煤样是处于矿井条件下的，二者具有较大差异。因此，根据F-K理论和综合分析大量不同尺寸煤样的基础试验数据，确定煤最短自然发火期的计算公式为：

式中：Ts为煤最短自然发火期，h。

综合式（4）、式（5）可得：

于是，将超化煤矿22011面煤样的氧化动力学数据代入式（6），人们就可以得出结论：该超化煤矿二1煤层最短自然发火期Ts为44 d。

2 煤层自燃指标气体试验

煤层自燃是一个极其复杂的物理、化学变化过程，是一个多变的自加速放热过程。在不同的自燃温度下，其间会出现不同种类和含量的气体等。根据煤自燃进程中的温升、气体释放等变化特征判识其自燃状态，对煤层自然发火进行识别并预警，是矿井火害预防与处理的基础，也是矿井火害防控与治理的关键。因此，测试煤样自燃产生各种气体的顺序和浓度，正确找出煤层自然发火对应的指标气体，自然就成了超化煤矿煤层自然发火早期预报的前提条件。

2.1 试验过程

对原煤样进行破碎并筛分出40～80目的煤样50 g，将筛分出的50 g煤样放在专用的铜质煤样罐内，并将煤样罐放在受程序控的温箱内，最后需要做的工作是将进气气路、出气气路和温度探头进行连接。测试开始后，按照操作规程，将50 mL/min的干空气通入煤样内。在特定的程序控温箱控制下对选定的煤样进行充分加热，加热一段时间后，温度会升高，升高到恒定温度5 min后即可按照要求采取气样，并对所采取的气体成分和浓度数据进行分析。

试验详细步骤如下：（1）选取50 g煤样放入罐中，将罐加上盖，拧紧螺丝。将放置煤样的煤样罐按要求放置在炉膛内，连接供气、出气及其温度探头，并将炉膛门关闭；（2）检查试验仪器的所有电源开关，确保正常工作，将空气钢瓶的阀门打开，对减压阀进行调节，将空气流量调节到50 mL/min；（3）按试验操作规程，先开启试验装置，启动测试仪，将温度调到30℃，恒温运行约30 min，设置好试验装置相关参数。观察参数，等待参数稳定后，启动程序开始升温，试验正式开始，每隔10℃采集气样并对气体成分进行分析。

2.2 试验结果及分析

根据相关试验数据及其气体变化趋势，人们通过分析不难发现：（1）22011综采面煤样在一定温度范围内（通常为35.1～323.9℃）氧化过程中，会出现CO、CO2、CH4和C2H4等气体，气体的生成量与煤温的升高具有正相关性；（2）5种气体出现的初始温度为35.1℃，但CH4在开始生成时具有量小的特点，分析认为，煤样自身吸附的CH4在采集、存放过程中已经逐渐脱附出来。CO的生成量在开始加热时也比较小，当温度达到150℃后生成量迅速增加，这说明在150℃以后煤已经开始迅速氧化，发生化学吸附和化学反应；（2）150℃时开始出现C2H4，气体浓度开始很小，当温度升高后气体浓度开始上升。

由此可见，CO是超化煤矿的指标性气体，C2H4、C2H2等是辅助判断煤层自燃情况的气体；CO的出现标志着煤已经出现化学反应，CO浓度的变化直接反映了煤的氧化剧烈程度，C2H4的出现表明局部煤温已达到150℃，C2H2的出现则表明煤温已经超过265℃，此时防灭火措施要积极跟上。

3 结论

基于氧化动力学方法对22011综采面煤样的自燃倾向性进行了测定，其鉴定结果为Ⅱ级自燃。因此，超化煤矿二1煤层的防灭火工作应按Ⅱ级自燃煤层进行。经过实验室试验和对大量数据进行计算，预测44 d为超化煤矿二1煤层的最短自然发火期。

煤样在实验室进行程序升温控制测试，结果表明，各种气体浓度随温度的变化而变化。通过分析煤氧化温度与气体产物的特点，笔者得到了超化煤矿二1煤层自燃的预测预报指标：CO作为主要指标性气体，并辅以C2H4、C2H2就可以准确地把握煤层的自燃情况；CO的出现是煤发生氧化反应的重要标志，C2H4的出现是煤温达到150℃的标志，C2H2的出现是煤温达到265℃的标志。