凌志达煤业煤层自然发火标志性气体优选实验研究

宋彩军，侯海东

(山西凌志达煤业有限公司，山西 长治 046000)

煤自燃的过程是从低温氧化开始到自燃火灾的发生，在这个过程中，煤与氧气的反应，从缓慢到激烈，要经历低温氧化、自热两个阶段，才能进入燃烧状态[1]。矿井火灾预测预报就是利用煤在氧化自燃发展的各个过程的不同特征[2]，及早发现并正确判断煤的自燃状态及地点。

指标气体是煤与氧的反应中形成的一种气体，煤炭自然发火时可起到预测的作用[3]。煤在热解时能够产生大量不同的气体，受煤质本身的影响，气体生成的量与煤的温度高低之间的联系也存在差异，而且各种气体产生的最低温度也不相同[4]。因此，通过实验的方法找出恰当的指标气体能够更快地为预测煤炭自然发火提供帮助。本文针对凌志达煤业15号煤层自然发火的标志性气体进行研究。

1 煤升温过程中气体产生规律研究

1.1 煤升温过程中气体产生实验

煤的自然发火按照反应速率一般会经历三阶段，分别为缓慢氧化发展阶段、加速氧化阶段和激烈氧化阶段，它们之间在温度范围、气体种类和气体浓度都是不相同的。一般情况下，会将CO、CO2、C1-C4烷烃、C2-C3烯烃及C2H2等这些气体产物的出现用来预警煤自然发火。

煤自然发火气体产物模拟实验装置流程系统如图1和图2所示。相关参数如下：①实验煤样粒度：100目(<0.15 mm)； ②重量：1 g； ③供气流量：100 cm3/min； ④升温速率：25～80 ℃为0.5 ℃/min，80～200 ℃为1.0 ℃/min，200～300 ℃为2.0 ℃/min；取样间隔时间：20 min/次。

实验结果如表 1所示。

煤自燃氧化气体产物主要有CO、CO2、CH4、C2H6、C3H8、C4H10、C2H4、C3H6和C2H2等。通过研究可知，煤氧化反应会产生烷烃、烯烃、炔烃以及CO气体，而且这些气体不会被煤吸附，因此，气体组分可作为标志性气体用来预测煤的自然发火。

随着煤温上升，烷烃、烯烃和炔烃以及CO气体产生量也逐渐增大，但其在量值和生成顺序上会有变化，需具体分析。

图1 程序升温氧化系统实物

图2 指标气体实验系统

1.2 煤升温过程中气体产生规律

在煤氧化时，CO首先出现并直到整个氧化过程结束；在煤温244 ℃以前，CO浓度随煤温升高而加大，呈现指数关系，如图3所示，拟合关系式为y=0.6e0.033x，拟合优度0.96。当超过244 ℃后，CO气体浓度随着煤温升高急速加大。当出现C2H4时，煤的自然发火会进入第二阶段，而C3H6的出现意味着氧化过程进入第三阶段，煤温急速上升并迅速到达极值点，此时煤产生燃烧。由于实验中供氧量保持恒定，激烈的氧化作用降低了氧气浓度，此时煤样CO气体产生表现不稳定，会时大时小，但升至最高温度前，CO气体产生浓度呈增大趋势。CO气体产生的临界温度值为60 ℃。

图3 煤样升温氧化过程中CO随温度变化关系

表1 实验煤样升温氧化过程中气体产物分析结果(供氧气浓度：20.9%)

注：O2、N2浓度为%浓度；其他气体为质量浓度(mg/L)。

其他气体组分中的烯烃气体(C2H4和C3H6)随煤温升高产生量逐渐增大，如图4所示。烷烃气体(C2H6，C3H8)同样如此，如图5所示。

图4 实验煤样升温氧化过程中烯烃浓度变化规律

图5 实验煤样升温氧化过程中烷烃浓度变化规律

2煤样自然发火标志气体分析与优选

煤氧化升温过程中释放出来的气体往往不同于矿井中其它气体，所以可以利用其数值或者其比值等参数推断得出是否发生煤自然发火征兆，这样的气体称之为煤自然发火的标志气体。

2.1 标志性气体优选原则

应用气体分析法预测预报煤的自燃首先应选择和确定合适的指标气体，具备以下几个基本特性可以很快锁定指标气体：

1) 灵敏性。气体产生率与煤温升高成正比例关系。

2) 规律性。一定范围内煤样热解过程中，气体初始温度基本一致，产生速率与煤温之间存在良好的对应关系，且该过程有重复性。

3) 可测性。现有仪器设备能满足检测要求。

2.2 煤自然发火的CO标志气体

CO作为一种标志气体在预测煤自然发火中得到了广泛的应用。CO作为标志气体具有以下特点：①随着煤温的升高，CO的产量增加，在244 ℃之前，CO产量单一递增，基本符合指数关系；②CO产生量是煤氧化气体产物中所有标志气体中最多的；③从煤样分析结果来看，煤温60 ℃左右时CO产生，并在整个自燃氧化过程一直持续产生。

因此，可将CO作为凌志达煤业15号煤层自然发火预测预报的标志气体，同时考虑到在采空区或煤柱中出现自然发火时影响火灾气体产物的因素增多，在缺氧条件下煤的自热或氧化不能有效区分检测到的CO量与煤氧化产生的CO量。因此在现场应用中仍然需要考虑具体的环境条件，一般仍需采用一氧化碳指数等派生指标。

2.3 煤自然发火的 C2H4(乙烯)和 C3H6(丙烯)标志气体

在煤的吸附气体中，不包含C2H4气体。C2H4气体产生的温度在181 ℃，C3H6气体产生的温度在212 ℃，与只选择CO气体相比，通过在时间和温度上存在的差别，促使预测更准确。C2H4产生会使煤氧化进入加速氧化阶段，温度从244 ℃急速达到478 ℃。在实际应用中，应加强观察C2H4和C3H6，判断其是否出现，并对其浓度的变化跟踪观测，提高矿井防灭火工作。

2.4 煤自然发火的 C2H2(乙炔)标志气体

C2H2气体作为标志性气体在预测煤自然发火中起到关键作用，在实验中，产生C2H2气体初始温度为380 ℃左右，会与C3H6之间存在温度差。因此，C2H2出现意味着煤进入燃烧阶段，此时不能直接剥挖火源，以免引发瓦斯/煤尘爆炸事故，需谨慎采取措施。

3 结 语

1) CO可作为预测的指标气体，温度达到60 ℃时出现CO，对CO预测的温度范围应在244 ℃之前。特别指出的是，对于低变质程度煤，往往会检测到CO，而此时煤温没有达到实验所得到的临界温度值，因此实际应用过程中应将多方面的因素进行考虑，对CO临界温度的取值进行合理的判断。

2) C2H4和C3H6气体出现的温度分别在181 ℃左右和212 ℃左右，C2H4气体或C3H6气体的出现可以看作是煤分别进入了加速氧化阶段或激烈氧化阶段。

3) C2H2气体出现的温度在380 ℃左右，此时表明已出现明火或阴燃，采取措施时要谨慎。