顾北煤矿煤自燃试验及早期多级预警技术

周言安，叶春辉，李毅恒，唐佐胜，孙明福

(1.煤矿瓦斯治理国家工程研究中心，安徽 淮南 232000；2.西安科技大学 安全科学与工程学院，陕西 西安 710054；3.西安天河矿业科技有限责任公司，陕西 西安 710000；4.甘肃靖远煤电王家山煤矿，甘肃 白银 730900)

0 引言

矿井煤自燃火灾是煤矿五大灾害之一，目前，我国煤炭大约90%是通过井工开采生产的[1]。根据统计结果显示，我国目前共有煤矿大约9 000座，自燃和易自燃煤层占90%以上。而矿井火灾中，85%～90%是由煤自燃引起的，近130余个大小矿区均不同程度受煤自燃威胁[2-3]，因此可见煤炭自然发火状况十分严重，极大地威胁着煤矿的安全生产和矿工生命安全，造成巨大的资源损失和环境污染[4-7]。煤炭自燃的主要原因是煤与氧气结合自发反应放热所致，该过程存在一定的规律性，依据煤炭自燃规律而进行早期预警的探索一直是该领域学者们研究和讨论的重点和难点。张玉涛等[8]通过程序升温试验和绝热氧化试验，验证了温度和氧化产物具有非线性特征。文虎等[9]选用长焰煤、不粘煤、弱粘煤3种煤样研究不同低变质煤种的自然升温过程中自燃特性参数的变化规律，分析了耗氧速率、放热强度、CO、CO2、CH4的生成速率以及C2H6/CH4、C2H4/CH4比值的变化规律，得出相同温度下CH4的产生速率随煤质加深而增大；80 ℃以前，相同温度下放热强度随煤质变质程度加深而降低，在100 ℃后，相同温度下放热强度随煤质变质程度加深反而逐渐增大。晋树青[10]采用“煤自燃特性综合测试系统”研究凤凰山煤矿煤自燃标志性气体，得到15号煤自燃以CO为主、C2H4和C2H2为辅的标志性气体体系，取得较好效果。GUO[11]提出一种通过监测指标气体来评价煤自燃的方法，为煤自燃预报奠定了基础。费金彪[12]针对易自燃煤，建立了煤自燃预警体系，确立了易自燃煤自燃分级预警方法。因此通过煤自燃指标及临界值规律的研究，所确定出的煤自燃分级预警指标对易自燃和自燃煤层的煤自燃火灾防治具有相当深远的意义。

为此，针对顾北煤矿煤自燃问题，利用XK-Ⅶ型煤自然发火试验台开展试验，模拟顾北煤矿煤自燃的全过程，构建煤自燃指标气体及临界值模型，确立专用于顾北煤矿煤自燃多级预警体系，以期对顾北煤矿煤自燃预报预警系统的完善及防灭火工作的实施提供理论依据。

1 试验装置及试验条件

1.1 煤自然发火试验台

为模拟顾北煤矿煤样的煤自燃全过程，利用XK-Ⅶ型煤自然发火试验台开展这一试验。该试验台由炉体、气路及控制检测3部分组成。试验台示意图、气体检测分析系统图、供风系统流程图分别如图1～3所示。

图1 煤自然发火试验台结构示意Fig.1 Schematic diagram of coal spontaneous combustion test-bed

1.2 试验条件

破碎煤样的粒度频度和试验条件分别见表1、2。

表1 顾北煤粒度筛分析结果Table 1 Results of coal particle size screening

2 试验结果分析

2.1 特征温度与气体表征

自燃升温过程中，气体浓度与煤温关系如图4所示，各指标气体比值与温度关系如图5所示。由图4、5可知，顾北煤矿煤在升温氧化过程中，CH4在升温初始阶段就出现大量气体，而且在整个试验过程中都存在。C2H6在升温到48.6 ℃的时候出现。在煤层自燃过程中，CO是比较灵敏的指标气体，顾北煤矿煤在试验开始阶段就有一定量CO出现，并且随着温度升高近似呈指数规律增加。

图2 气体检测分析系统Fig.2 Gas detection and analysis system diagram

图3 供风系统流程示意Fig.3 Flow diagram of air supply system

表2 试验条件Table 2 Test conditions

图4 煤自燃升温过程气体浓度与煤温关系曲线Fig.4 Relationship between gas concentration and coal temperature during coal spontaneous combustion

图5 煤自燃升温过程各指标气体比值与煤温关系曲线Fig.5 Relationship between index gas value and coal temperature during coal spontaneous combustion

CO2/CO值试验开始阶段就出现并随着温度升高逐渐上升，当33 ℃时值达到最大，随后温度逐渐上升CO2/CO值逐渐减少。链烷比是研究指标气体浓度与温度关系的重要依据之一，其可以消除因单一指标气体由于井下风流及其它条件影响而无法准确判断等因素，顾北煤矿煤烷烯比(C2H6/C2H4)在100 ℃达到极值后随温度的升高而近线性增大。在煤自燃过程中，各种气体指标在一些温度段会发生突变，其范围及表征见表3。

表3 煤自然发火过程中的特征温度及其气体表征Table 3 Characteristic temperature and gas characterization during coal spontaneous combustion

2.2 煤自燃指标气体及临界值

2.2.1 顾北煤矿煤自燃指标气体分析

CO气体：CO是煤氧化过程中出现最早的氧化气体产物，并且贯穿于整个氧化过程中。CO产生的绝对量是所有标志气体产物中最大的，CO的产生量随着煤温的升高而上升，这种变化表现为单一递增关系，并基本符合指数关系。因此，CO可以作为标志气体。但在现场生产环境下，还应考虑风流大小、检测仪器误差、取样地点等特定因素的影响。

CH4气体：在试验初期便存在，并一直存在于整个阶段，同时CH4是煤层气的主要成分，因此不适合作为煤自燃标志气体。

C2H4、C2H6气体：试验初期无C2H4气体，产生的临界温度在120℃。相比CO的出现相对明显。一旦发现C2H4，说明煤温基本在干裂温度左右。试验中的C2H6气体有相当一部分是煤样脱附来的；而随后在高温阶段产生的C2H6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，因此，C2H6不能作为指标气体。

C2H4/C2H6比率：煤氧化过程中，产生C2H4气体之后的煤自然发火状态预报，可以将C2H4/C2H6比率作为判断指标。在使用该指标之前，应当着重将C2H4临界温度之前的自然发火状态考虑清楚。

综上，结合顾北煤矿煤自然发火试验数据，选取CO、C2H4、C2H4/C2H6作为主要指标气体。

2.2.2 顾北煤矿煤自燃指标气体及临界值

根据煤自然发火试验测试结果，分析得到了20%氧浓度条件下顾北煤矿13121工作面煤样自燃指标气体及临界值，可为现场煤自燃预报提供支撑，具体指标气体及临界值见表4。

表4 煤样自燃指标气体及临界值Table 4 Index gas and critical value of coal spontaneous combustion

3 顾北煤矿煤自燃分级预警体系

对于煤自燃的危险程度，最直接的表征参数就是煤温，然而准确直接地获取煤温一直是一个业界难题，因此常辅以指标气体进行判定。大量现场实践表明，煤在自然升温过程中，一些特征参数的突变点可以清楚地表征煤自燃的进程，从而为煤自燃的现场防治工作提供理论指导。依据《煤矿安全规程》关于煤自燃监测、标志气体、临界值、发火征兆及火灾的管理规定，基于顾北煤矿煤自然发火试验，提出了适用于该矿的煤自燃分级预警指标体系，该指标体系主要包含可以表征煤自燃温度的5个气体指标(CO、O2、ΔCO/ΔO2、C2H4、C2H4/C2H6)，确定了易自燃煤层分级预警的温度范围和气体指标临界值，实现了矿井煤自燃5级预警，见表5。

表5 顾北煤矿煤自燃分级预警体系及指标临界值Table 5 Hierarchical early-warning system and index critical value of coal spontaneous combustion in Gubei coal mine

4 结论

(1)顾北煤矿煤自然发火试验的数据分析，确定了煤自然发火过程中的特征温度及其气体表征，以及分析选取CO、C2H4、C2H4/C2H6作为煤自燃指标气体。明确了瓦斯脱附温度、临界温度、干裂温度、裂变温度4个特征温度对应的气体表征、温度范围和极值温度。

(2)根据顾北煤矿煤自然发火试验研究，得到20%氧浓度下煤自燃指标气体及临界值，为现场煤自燃预报提供依据。

(3)提出适用于顾北煤矿的“灰色、黄色、橙色、红色、黑色”5个预警级别的煤自燃分级预警指标体系，并明确各预警级别的主要判定依据，可以为顾北煤矿的煤自燃早期预测预报体系建立和现场防治工作提供指导。