甘庄煤矿煤自燃特征及分级预警体系研究

杨五五

（山西中新甘庄煤业有限责任公司，山西大同 037000）

煤的自燃过程相当复杂[1-6]，一直是国内外学者研究和讨论的热点和难点。文虎[7]研究了煤自燃高温点的发展规律，提出了煤自燃与煤的氧化、放热以及漏风和供氧等条件是相关的；张玉涛[8]分析了煤温度与氧化气体的相互作用关系，验证了温度与氧化产物的非线性特性；晋树清[9]利用“煤自燃特性综合测试系统”得到了凤凰山煤矿煤自燃的特征气体CO为主，C2H4和C2H2为辅。诸多研究表明[10-11]，研究煤炭自燃特征和确定煤炭自燃分级预警指标对防治煤层自燃具有较为深远的意义。

甘庄煤矿11#煤层位于大同煤田大同组下部，煤层平均厚度3.51 m。该煤层8507 工作面，由于部分采空区遗留煤较多，在开采活动和大气压力变化的影响下，易发生“呼吸”，从而造成煤炭自燃隐患，所以急需研究煤炭火灾预警系统。

1 自然发火实验装置

针对甘庄煤矿11#煤的自燃实验，利用煤低温自燃实验平台，模拟了实验条件下煤自燃氧化的升温过程，通过对煤的温度、耗氧量以及一氧化碳生成量等气体含量变化过程的监测和分析，获得了煤自燃的特征参数。

XK-IV型煤低温自燃实验平台由炉体、气体回路和控制检测系统3部分组成，整体结构见图1（a）。炉体见图1（b），呈圆形，高度为195 cm，内径为120 cm，总装煤量约为1 950 kg，炉内设置了测温探头和气体采样点。气路系统见图1（c），气体通过压缩机、空气包、稳流阀以及紫铜管等进入炉内。气样分析系统见图1（d），采用气相色谱仪，监测的气体主要有O2、CO、CO2、CH4、C2H6、C2H4、CH2、N2等8种气体。

图1 实验平台

2 实验结果分析

2.1 煤自然升温过程

低温自然发火实验历时55 d，炉体内最高煤温由26.3 ℃升至170 ℃。实验可知，甘庄煤矿11#煤层煤在自然氧化条件充分时的实验自然发火期为55 d，以该矿井生产现场实际围岩温度20 ℃计算出煤样实验自然发火期为62 d。在实验自然升温过程当中，随自然升温时间不断增长，炉体内的温度也随之发生变化，见图2。

图2 中心轴测点温度与炉体高度位置关系

由图2可知，11号煤层煤样氧化升温在实验初期较慢，而随着供风时间超过34 d，煤样的氧化升温开始加速，临界温度为61.6 ℃；49 d后，氧化升温迅速进一步加快，干裂温度为107.6 ℃；在53 d 时，升温速度再次加快，裂变温度为140 ℃，而根据煤自然发火规律，24 h 后煤的温度可以超过380 ℃的燃点。同时，炉内中心轴测点温度随氧化天数的增大，高温点的位置逐渐降低，在氧化天数超过40 d 后，高温点降低至25 cm位置。

2.2 煤自燃气体数据分析

煤样在自然升温过程当中，实验炉顶部气体采集点各种指标气体浓度及炉内相对应的最高温度，见图3（a）和（b）；气体比值与炉体内相对应的最高温度，见图3（c）。

从图3（a）可得，在11#煤层煤样自燃过程中，气体CO 较为敏感，在实验初期煤样中就出现了一定量的CO，随着煤样温度的升高，CO 浓度近似呈指数增加；CO2和O2随煤样自然温升稳定。由图3（b）可以看出，在煤样加热氧化过程中，气体CH4和C2H6不仅出现在自然升温初期，而且在整个实验过程中都会出现，指数气体C2H4在107.6 ℃后开始出现，浓度相对较小。由图3（c）可以看出，气体CO2/CO 比值在实验开始时就出现了，随着温度的升高逐渐升高。当温度为61.6 ℃时且比值达到最大值时，CO2/CO 值在温度逐渐升高后逐渐降低。随温度不断的升高，煤烷烯比(C2H4/C2H6)在107.6 ℃逐渐呈指数规律增加。甘庄煤矿煤11#煤层煤自然发火过程中的特征温度及其气体表征，见表1。

表1 特征温度及其气体表征

图3 甘庄煤矿11号煤指标气体与煤温的关系曲线

2.3 煤自燃极限参数

浮煤厚度、煤温与氧浓度下限三者关系曲线，见图4。浮煤厚度为0.73 m、煤温为60 ℃时，氧浓度下限21.25%已超过新风。松散浮煤中的氧浓度不可能具有自燃条件。因此，在实际情况下，浮煤肯定不会自燃，即如果浮煤的厚度小于0.73 m，煤温不会超过其临界温度，就会发生自燃。

图4 下限氧浓度关系曲线图

上限漏风强度随着浮煤的厚度增加而增加，即实际生产的矿山浮煤厚度越大，生成更多的热量，同时上限漏风强度越大。由浮煤厚度、下限氧浓度以及煤温三者之间的关系（见图5）可以看出，当浮煤的厚度小于0.73 m，煤的温度是60 ℃，漏风强度上限将会是一个负值。这时，煤氧化产生的热量是通过热传导损失，和漂浮的煤自然不会加热，也表明浮煤的厚度小于0.73 m，煤的温度不会超过其临界温度，引起自燃。

图5 上限漏风强度关系曲线图

由图6煤样温度、漏风强度和极限浮煤厚度三者关系曲线可以看出，最大极限浮煤厚度在60 ℃左右时，只要浮煤厚度小于极限浮煤厚度，不会发生自燃。

图6 极限浮煤厚度关系曲线图

3 TG/DSC煤自燃特性参数研究

3.1 实验条件及分析方法

通过使用TG209C型热重实验仪采用氮氧混合气体的方式，分别采用5 种不同氧浓度为21%、17%、13%、9%、5%的混合气体以100 mL/min 的流量，在2.5、5、10、15 ℃/min的升温速率下通过样品，对煤自然特征温度以及煤在不同升温速率、不同氧浓度对实验结果的影响进行实验数据分析，结合诸多学者的研究成果[12-13]，得到煤的燃烧氧化特性，从而为煤自燃和煤发火倾向性提供参考依据。

3.2 特征温度分析

通过对热重实验所测数据的整理和分析，得到了甘庄11#煤煤样在不同升温速率和不同氧浓度下的燃烧特性参数，见图7。

由图7 可知，甘庄煤矿煤样的4 个自燃特征温度分别为：①着火温度T1反映了煤体内的官能团开始全面分解，煤表面的挥发分和气体开始燃烧。煤样的着火温度为370 ℃。②最大失重速率温度T2反映了在升温过程中，由于煤的氧化分解，煤体内官能团燃烧分解，在降低煤样重量的过程中，最大失重速率温度为571 ℃。③燃尽温度T3是煤体在燃烧末期，由于煤体内部的可燃烧物质全部消耗，煤体无法再进行燃烧，只留下有机物质（如灰分等），该温度表示煤的燃烧速度和在不同氧气浓度和升温速率下完全反应所需的条件。煤样的燃尽温度为668 ℃。④临界温度T4是升温实验中，失重第一次明显下降的温度。在这个温度点，煤体内的气体(CO2、CH4等)开始解吸，同时煤样内的少量水分也开始蒸发。煤样临界平均为温度为73 ℃。

图7 甘庄煤矿11#煤样自燃特征温度

随着氧浓度的逐渐增加，煤样的着火温度、最大失重速率温度和燃尽温度逐渐降低，且呈单调状态。这说明氧气浓度是直接决定反应速率的最直接参数，氧浓度越高，反应进行得越充分，煤-氧复合效果越好，反应速度越快，这就降低了达到点火温度所需的时间，从而增加了风险，导致了达到着火温度所需时间较低，故而危险性增大。

4 自燃分级预警指标体系建立

根据CO、O2、C2H4等气体浓度在自然升温过程中的变化规律，以及CO2/CO、C2H4/C2H6等气体浓度比值的变化规律，将曲线特性(起点、拐点、突变点、极端点)作为分类的基础，根据煤自燃阶段分类的方法，结合我国《煤矿安全规程》煤自燃监测的相关要求（标志气体、临界值、发火特征），通过实验和现场数据对接，采用煤自燃温度的5 个气体指标（CO、O2、ΔCO/ΔO2、C2H4、C2H4/C2H6）确定了甘庄煤矿11#煤层分级预警的温度范围和气体指标临界值（见表2），煤炭自燃6 级预警体系为煤矿自燃从被动管理向主动预防的转变提供了指导。

表2 甘庄煤矿11#煤煤层自燃倾向分级预警指标