德盛煤矿煤自燃标志性气体的实验与确定

王瑞林

（山西宁武德盛煤业有限公司，山西 宁武 036700）

据统计，煤炭自燃火灾约占煤矿火灾事故的90%，而井下采空区由于具有极其复杂的动态变化，成为了煤自燃火灾的主要发生地点[1]。由于煤的标志性气体具有生成物中独有的特点，最能表现生成量占比与相应温度，因此，如何科学地选取标志性气体对矿井进行防灭火工作的预测预报非常重要[2-3]。

1 煤自燃标志气体的实验与选择

不同煤质的煤炭在氧化自燃热解中所释放的气体产物不尽相同，且这些气体的热解温度同样差别较大，因此，可以利用其作为标志气体对煤炭自然发火进行监测，及时上报数据，做到火灾的有效预报[4]。

1.1 煤样的选择

德盛矿目前开采2#与5#煤层，分别选取煤样进行升温热解实验和升温氧化实验，观察该两种煤样在不同温度下氧化过程中所释放气体的变化规律与产物温度。

1.2 实验设备

煤样升温热解和升温氧化将利用“煤自燃特性综合测试系统”进行实验，该系统主要由预热气路、传热罐、控温箱组成，集成了温度控制系统、数据采集系统和色谱分析系统，具有需煤样少、实验耗时短、体积小巧、便于操作等优点。煤自燃特性实验系统原理图如图1。

1.3 实验流程

德盛煤矿从井下取得煤样后，需要运至实验室进行破碎工作，筛分出50 g 粒度为60～80 的煤样，再将煤样放入铜质存储罐内，随后煤样置于程序控温箱内，再对各气路管道进行气密性的检测，校准无误后开始实验。

图1 煤自燃特性实验系统原理图

实验过程中，以80 cm3/min 的速度向煤样内充入干空气，将控温箱初始温度调整为30 ℃，以1℃/min 的速度对煤样进行升温加热至220 ℃，加热过程中每间隔10 ℃对所释放的气体进行成分分析和浓度测定。

1.4 实验数据

进行实验时，煤自然发火期间主要经历三个不同阶段，所释放出来的气体一部分是由于煤自身氧化产生的气体产物，即煤自燃氧化气体，另一部分是成煤过程中吸附在其孔隙内的气体，由于煤体温度升高而解吸出来的，称煤吸附气体。2#煤样与5#煤样释放的气体成分与浓度见表1、表2。

2 实验结果分析

德盛煤矿2#、5#煤样升温氧化试验所释放的气体主要以CO2和CO为主，其中CO变化规律性更强，随着温度的升高而升高；高温情况下含有少量的H2和CH4，C2H4和C2H6含量极少，C2H2则并无发现，如表1、表2 所示。主要监测气体产物变化规律如图2、图3，分析如下。

2.1 CO 浓度随温度变化规律

CO 气体的出现贯穿于2#煤样与5#煤样的全部实验过程中，从30～220 ℃都可监测。2#煤样方面，当温度低于110 ℃时，CO 浓度的涨幅随温度上升变化较小；温度超过110 ℃后，CO 浓度大幅上升，其释放量与温度呈指数式增长。5#煤样方面：当温度低于100 ℃时，CO 浓度的涨幅随温度上升变化较小；温度超过100 ℃后，CO 浓度大幅上升，其释放量与温度呈指数式增长。当CO 浓度快速升高时，表明煤样内部已经迅速氧化。

2.2 CO2 气体产生规律

无论在2#煤样还是5#煤样的热解实验中，CO2气体随温度升高呈先波动、再上升的变化规律。分析认为，这主要是因为CO2的产生一部分来自煤的升温解析，另一部分来自于受热氧化，由于变化规律稳定性差，因此不采用此CO2作为标志性气体。

2.3 H2 浓度随温度变化规律

2#煤样方面：温度低于170 ℃时，并未检测到H2；温度超过170 ℃时，H2开始释放并随温度上升缓慢增加，认为该煤样进入快速氧化期。

5#煤样方面：温度低于140 ℃时，并未检测到H2；温度超过140 ℃时，H2开始释放并随温度上升缓慢增加，认为该煤样进入快速氧化期。

表1 德盛煤业2 号煤层煤样升温氧化实验数据

表2 德盛煤业5 号煤层煤样升温氧化实验数据

图2 德盛煤矿2#煤样升温氧化气体随温度变化图

2.4 C2H4 浓度随温度变化规律

无论在2#煤样还是5#煤样的热解实验中，当温度低于170 ℃时均未检测到C2H4的出现，超过该温度后，C2H4随温度的上升而缓慢增加。

2.5 C2H6 浓度随温度变化规律

无论在2#煤样还是5#煤样的热解试验中，C2H6浓度随温度上升的变化较为规律。当温度低于150 ℃并未监测有C2H6的释放，高于此温度后，C2H6含量随温度的升高缓慢增加。

图3 德盛煤矿5#煤样升温氧化气体随温度变化图

2.6 C2H2 浓度随温度变化规律

在两个煤样的氧化升温实验中，并未检测到C2H2，参考相关资料和实际经验表明，C2H2是煤的氧化进入激烈氧化燃烧阶段的标志，分析认为这是由于其出现的温度高于220 ℃所致[5]。

3 标志性气体的选择

根据实验结果分析判断，将选用CO 的相对量和变化率作为2#、5#煤层自燃倾向的预测指标，配合观测H2、C2H4、C2H6的相对量进行自燃状态预测预报。具体操作如下：（1）当监测出现CO 气体时，说明煤已经开始发生氧化，需继续观察CO 的释放量同时绘制该测点的CO 变化曲线。当监测数据稳定上升时说明CO 浓度在规律增加，此时煤处于快速氧化阶段，必须发出预警。（2）H2、C2H4和C2H6可以作为高温（140～170 ℃）条件下预测煤自然发火加速氧化阶段的标志气体。如果已经监测到CO，一经发现H2、C2H4或C2H6气体逸出，即可判断为煤的氧化已进入自热加速阶段，必须及时发出警报并采取措施。（3）值得注意的是，在对煤样进行实验时并无发现C2H2，但根据长久以来煤层自燃的经验判断，C2H2同样是可作为高温时煤自燃的标志性气体。建议现场当检测到C2H2，同样可以判断监测区内煤炭已经有燃烧的明火，需采取积极措施，以免诱发其他事故发生。

4 结 语

煤炭自燃是制约煤矿安全生产的重要灾害之一，标志性气体分析法因其具有分析技术准确成熟、配套监测系统完善的特点被广泛用于井下火灾预测预报工作中。德盛煤矿通过“煤自燃特性综合测试系统”对正在开采的2#、5#煤层煤样进行实验，旨在确定两层煤层自然发火的标志气体。最终确定了以监测CO 作为煤炭自燃早期预测预报的指标，配合监测H2、C2H4或C2H6的浓度变化以反映煤自燃所处程度，实现了井下煤炭自燃的监测监控，对提高煤矿安全生产效率和预防自然发火有积极的作用。