塔拉壕煤矿煤自燃指标气体试验分析*

2020-08-05冯彦光郑钢镖杜永威李福虎郭鹏飞

陕西煤炭 2020年4期

冯彦光，郑钢镖，杜永威，李福虎，郭鹏飞

(内蒙古伊泰煤炭股份有限公司塔拉壕煤矿，内蒙古鄂尔多斯 017000)

0 引言

为判断矿井自燃火灾发展状况，准确预测其发展趋势，国内外都对煤自燃气体指标开展了大量研究，但侧重点有所不同。目前国内矿井安全监测主要依据CO、C2H6、C2H4、H2等指标气体和CO/CO2、CO/△O2、链烷比等气体比率随煤温的变化规律预报煤的自燃状况[1]；而澳大利亚等国对各指标气体的绝对量进行分析处理，建立了多种气体指数，例如Graham指数、Young指数、Morris指数、CO/CO2、以及H2/CO等指数[2]。在实践中，针对不同指数的特点，以及现场情况选择合理的指标，以消除环境因素影响，真实全面地反映自燃发展状态。各种指数基本上都通过计算O2和其氧化产物的转换率，分析氧化进程及对应温度，一般可通过煤自燃程序升温试验数据分析[3-5]，得到如Graham指数和CO/CO2等判定指标[6-7]，从而为自燃温度判断提供理论依据和试验方法。

1 煤自燃指标气体试验

1.1 试验装置及流程

试验装置：采用程序升温氧化试验对塔拉壕煤矿煤自燃指标气体进行分析，试验装置如图1所示。

图1 程序加热升温试验装置

试验流程：在一个直径10 cm，长22 cm的钢管中，装入煤量1 kg，为使通气均匀，上下两端分别留有2 cm左右自由空间(采用100目金属网与煤样隔开)，然后置于程序升温箱内加热，并送入预热空气。采集不同煤温时产生的气体，分析其成分及含量，直至达到预定温度后停止试验。

1.2 试验条件

将采自塔拉壕煤矿2号煤层的原煤煤样，在空气中破碎并筛分出粒度为0～0.9 mm、0.9～3 mm、3～5 mm、5～7 mm和7～10 mm这5种煤样，及各粒度煤样各200 g组成混合煤样。在程序升温箱中进行程序升温试验，试验条件见表1。

表1 程序升温箱煤样加热升温试验条件

2 煤自燃主要气体指标

煤自燃的气体指标，除了一些指标气体的出现温度外，还应考虑比值等指标。

2.1 Graham指数

Graham指数主要应用于通风条件改变情况下，煤层发生自燃，但尚不能确定高温位置及具体温度的情况[8]。程序升温试验数据处理过程中，一般更关注数据的趋势，而非其绝对值，其指标的增长，意味着火区温度有所升高。该指数在氧气浓度较低的环境下是十分有效的，如采空区与密闭区等。同时利用该指数可以分析对巷道风流的影响，在有风流流经的巷道中需要O2消耗量变化(O2浓度降低)比较明显时方可使用，一般O2浓度小于19%时应用该指标可取得比较好的效果。应用Graham指数可以计算正常风流中O2损耗百分比，其中，耗氧量可以通过与新鲜空气中氧气浓度的差值来得到。

Graham指数计算公式[9]表述为

(1)

式中，CO、N2和O2—各种气体的浓度，%。

2.2 CO/CO2

气体指标CO/CO2同时适用于封闭区域和新鲜风流中气体监测结果，判断可能的自燃高温[10]。它认为CO与CO2的比值与升温初期的煤温之间存在确定的函数关系，一般来说，该比值不受O2损耗的影响，可以克服了据耗氧量来计算的指标存在的问题。但是，该比值中包含CO2，因CO2可能是1×10-6，也可能是百分之几的量级，而CO一般都是1×10-6，因而该指数仅限煤层中CO2赋存量较小的情况。此指数的判定指标可参照国外标准，见表2。此指数在早期升温中迅速增长，但它的增长速率在高温时逐渐放缓，在高温时曲线斜率的变化足以作为一成熟火情发展阶段的有效标志，当火源已产生后，此指数结果会明显减小。

表2 CO/CO2指标判定划分

2.3 CO指数

由于风量影响煤氧化产生CO的量，同时还会对CO稀释，故单纯用CO浓度难以准确反映煤自燃现状。将CO指数表征为在单位时间内一氧化碳流经某一固定点的量。该指标消除了空气消耗的影响。其大小取决于与氧气反应的煤量多少，因此当矿井通风条件发生改变时，采空区漏风量增大，即使氧气的浓度没有增加，也会引起CO指数增大。该指数应用于工作面回风巷的效果最佳，可以按式(2)计算

CO指数=K·CO·Q

(2)

式中，CO—指数的单位，L/min；Q—风量，L/min；CO—空气中CO浓度，%；K—固定系数，一般取值600。在CO指数<10 L/min时，没有自燃发生，属正常区，但需要检测；CO指数10～20 L/min时，说明其气体来源区为产热区，已存在高温危险；当CO指数为20～30 L/min时，说明存在邻近发火区，存在发火危险。CO指数仅在巷道风流中有效，一般不能用于密闭或封闭的钻孔内。

3 塔垃壕矿自燃气体指标

3.1 气体指标的出现温度

C2H4的出现温度：塔拉壕煤矿煤样在实验室温度下即可释放出少量CO和CH4等气体。而试验初始阶段没有C2H4气体，在70～90 ℃的温度下，C2H4气体达到1×10-6左右，如图2所示。说明塔拉壕煤矿煤样在高温阶段产生的C2H4气体主要是煤样高温裂解的气体，这与煤样的裂解温度有关。

图2 不同粒径煤样C2H4浓度与温度关系

C2H2的出现温度：C2H2也是自燃指标气体，一般在较高温度下才会出现。但是试验一直进行到200 ℃也未见到有C2H2，因此，如果井下能检测到C2H2，说明温度已经达到200 ℃以上。

3.2 CO2/CO值

CO2/CO值在试验起始阶段很大，达到130 ℃以上，然后迅速下降，继而有所上升，在60 ℃处出现一个峰值，达到40左右，如图3所示。到80 ℃以上时，达到10以下并趋于稳定。因此，如果CO2/CO值低于20应注意，可能有温度升高到临界温度以上。

图3 塔拉壕煤矿2号煤层混合粒度煤样CO2/CO随温度变化规律

3.3 Graham指数

判定方法：国外利用Graham指数判定煤自燃与否的指标为该指数小于0.4时，为正常，无自燃火灾；指数介于0.4～1.0时，说明有发火危险，需要认真检测排查；指数值为1.0～2.0时，有高温出现且处于升温阶段，已经临近发火；当该指数大于2.0，则说明出现了高温或火灾。

2号煤层混合粒度煤样试验分析：塔拉壕煤样氧化产生的CO浓度比较大，反映出Graham指数相对比较大，如图4所示。当该判定指数处于0～5区间时，煤温低于80 ℃左右，指数大于7时煤温已超过100 ℃。相同温度下，塔拉壕煤样的Graham指数可达到国外标准的数倍，可见塔拉壕煤矿煤样容易氧化产生CO，对应的Graham指数也比较高。利用CO与O2消耗量之比的Graham指数判断自燃发展程度，有可能低估了对某高温区域的自燃发展程度，应当与其他监测和分析指标相结合，进而准确有效地判断自燃高温程度。