某煤层标志性气体与最短自然发火期实验研究

魏 超，单文选，陈江龙，孙际宏

(1. 华北科技学院安全监管学院，北京 东燕郊 065201；2. 晋能控股集团挖金湾煤业有限公司，山西 大同 037001)

0 引言

相关研究表明，矿井火灾的起因大多归咎于采空区后方散碎煤炭自燃，就此引发的煤炭自燃火灾已经成为制约我国煤矿安全生产的重大安全隐患，其危险程度不容小觑，一旦发生，会燃烧大量的煤炭资源，造成巨大损失。同时，还有可能诱发瓦斯和煤尘爆炸，危及矿山安全生产[1]。鉴于传统方法通过自然发火倾向等级鉴定评价煤炭自然发火危险性在大量实践中表现出的理论与实际情况较大差异性问题，最短自然发火期作为下限指标，通过计算煤层的最短自然发火期这一基本参数可靠性程度明显更高，其数值直接决定了煤层自然发火判断标准的“木桶短板”[2]。

该煤层处在延安组第二段中部，与上部煤层的间距在52 m左右，煤层的底板标高变化在1035～1090 m之间，埋深0～150 m。煤层厚1.13～1.34 m，平均1.24 m，煤层总体为薄煤层，大部可采，结构较简单，煤层厚度由东北向西南逐渐变厚，无夹矸。本文根据该煤层工作面所取煤样进行自然发火氧化升温模拟实验，分析了实验过程中气体产生及浓度随温度的变化规律，确定了自然发火指标气体和最短自然发火期，为采空区自然发火预测和针对性技术防治提供了重要的参考依据。

1 标志性气体实验

1.1 原理分析

煤炭自燃的过程是一个以物理变化和化学变化为基础的自我促进的氧化升温反应，根据反应程度不同可分为缓慢氧化、加速氧化和激烈氧化三个阶段，煤氧复合学说认为散碎煤体吸附氧气散发热量，这些热量用来蒸发水分、释放瓦斯和加热煤体，促进煤体继续反应，达到着火温度造成煤层自燃[3]。我们习惯上把煤体暴露在空气中时算起，至煤体着火的时间间隔称为自然发火期。实际矿井中通过对比同一煤层发生自燃着火次数，确定其中最短的发生时间称为最短自然发火期[4]。在采煤工作面后方，煤的氧化升温不仅受通风等现场条件的影响，还受散热过程影响。综合考虑这些因素，实验时无法还原实际状况做到精确模拟。因此，在实验中只能模拟最佳自燃条件，忽略热量散失的影响，假定煤体吸附氧气散发的热量全部用于加热煤体。在绝热条件下，对所取煤样进行氧化升温实验，得到煤样氧化各个阶段产生的各类气体及浓度参数，进而解算煤层最短自然发火期[5-7]。

1.2 煤样的工业分析和比热容测定

现场对某煤层进行煤样采集，实验得到所取煤样工业性分析和元素分析结果见表1。

表1 实验煤样的工业分析与元素分析

选取少量煤样在不同温度下进行DSC实验分析，得到不同温度下的煤样比热容见表2。

表2 不同温度条件下的煤样比热

1.3 氧化升温实验

本次实验煤样取自某煤层的回采工作面，采用由升温实验箱、绝热罐、数据采集与处理系统和气相色谱仪等组成的绝热升温氧化实验装置进行实验，实验之前去除所取煤样的外部氧化部分避免实验误差，取芯后进行破碎处理，制成粒径0～10 mm不同粒度的混样1 kg放入升温箱，在一定空气流量条件下按照设定好的温度进行升温，最后利用气象色谱仪进行结果分析。实验条件见表3，实验结果见表4。

表3 程序升温煤箱煤样加热升温实验条件

表4 煤样氧化升温过程中气体浓度

根据实验结果可知，煤温超过65～75℃时，耗氧速率明显增加，可以得出该矿某煤层的临界温度范围为65～75℃；根据温度升高至105～115℃区间时各类气体的产生速率增长趋势推测干裂温度范围为105～115℃。

2 标志性实验结果分析

(1) 随着煤样温度的升高，CO气体浓度呈指数关系单调递增，变化规律如图1(a)所示。氧化作用低温阶段也同样存在，初始阶段CO气体浓度较低且增长缓慢。在煤体温度升高的过程中，CO浓度随煤体温度的升高而逐渐升高。低温阶段趋势变化比较平缓，在煤温到达60℃时，煤氧复合反应开始加快，CO浓度开始快速增长。当煤温超过煤样的干裂温度时，CO浓度急剧升高，此时煤氧复合反应速率剧烈加快，CO气体的产生量也急剧增加。因此，可以作为煤炭自然发火标志性气体。

(2) 从如图1(b)中可以看出，煤样由常温升至高温阶段的过程中，CH4气体的浓度相对较小，并随着煤温的增长表现出指数增长的趋势，初始阶段增长较为平缓。随着温度升高，范德华力对CH4的吸附力逐渐减弱，煤层中吸附状态的CH4被释放，导致110℃后浓度呈现跳跃式增长。因此，CH4不宜作为煤炭自然发火标志性气体。

(3) 如图1(c)(d)，C2H4、C2H6气体浓度随煤样温度的变化趋势基本一致。从图中可以看出，在实验刚开始的初始阶段，并没有产生C2H4和C2H6气体，说明煤样中并不存在C2H4和C2H6。随着煤体温度升高至90℃时，才开始出现少量气体。随后与煤温呈现指数增长的趋势，但其气体总浓度很小。当现场检测出C2H4和C2H6气体时，表明煤体自热反应已经处于高温裂解阶段，C2H4和C2H6气体可以作为判断高温点的标志性气体。

图1 四种气体浓度变化趋势

3 煤层最短自然发火期

3.1 数学模型

一般通过统计方法得到煤的最短自然发火期的方法的局限性较大，准确性不高。煤氧复合理论的提出，很大程度上解决了这个问题。根据文献[8-9]，基于煤氧复合学说，假设采空区遗煤吸附氧气散发的热量全部用于加热自身，建立在绝热条件下计算模型，把煤样从常温低速氧化开始，至升温交叉点温度各阶段相关参数，代入公式(1)，通过叠加来解算实验煤样的最短自然发火期：

(1)

式中，τ为最短自然发火期，d；Cpi为煤在温度对应温度时的比热容，kJ/(mol·K)；ΔW为煤样在ti至ti+1时间的水分蒸发量，%；λ为水蒸发吸热量；Q′为瓦斯解析热，取1.26×107J/m3；Δμ为实验条件下ti至ti+1时间瓦斯解析量，m3/kg；q(ti)为温度为ti时放热速率，J/(kg·min)。

3.1.1 瓦斯吸附量

在不同温度下，煤样的瓦斯吸附含量解析式如公式(2)：

(2)

3.1.2 放热速率

在不同温度下，煤样的放热速率表达式(3)如下：

(3)

3.2 最短发火期计算结果

将煤样从常温低速氧化阶段升温至交叉点温度各阶段的参数代入式(1)，得到各反应阶段所需要的具体时间，并将时间进行叠加来计算实验中煤样的最短自然发火期。具体的解算过程及结果见表5。

表5 实验煤样最短自然发火期计算表

通过计算得出，某煤层煤的自然发火期为38.31天，最短自然发火期时间较短。这是由于该自然发火期模型是煤处于绝热状态的条件下进行计算的，并没有把煤体散热考虑在内，计算出的最短自然发火期时间要比实际的时间短一些，正是由于这是把实际情况严格考虑的结果，故用它来反映煤的自然发火严重程度更具代表性，根据它来制定的防灭火措施更具安全性。

4 结论

(1) 根据煤样升温各气体浓度分析，某煤层首选的指标性气体为CO。作为煤自燃预报性指标气体C2H4和C2H6，它们出现点可以作为高温点出现的标志。

(2) 通过对某煤层进行氧化升温实验，测定了煤样升温过程中的各气体浓度，基于数学模型计算了自然发火期为38.31天。根据煤自然发火实验规律，在氧气充足的情况下，从160℃到着火点升温所需时间不到1天。因此，判断煤样最短自然发火期时间较短，约为39天，自燃危险性高。日常开采过程中，需要加强矿井防灭火工作。