塔什店煤矿自燃发火实验及指标气体优选

蔡新胜，毛金峰，张崇礼，杨小龙

(新疆工程学院 矿业工程与地质学院, 新疆 乌鲁木齐 830000)

我国大多数煤矿目前以CO作为预测预报煤炭自然发火指标气体，但在应用过程中逐渐认识到CO的非唯一性[1]。使用CO还存在一些不足和问题，因此研究指标气体与煤温之间对应关系等新的研究方法慢慢成为预报煤炭自然发火更为可靠、准确的新方向[1-2]。

1 煤的升温氧化实验

1.1 交通位置

金川矿业有限公司塔什店煤矿区位于库尔勒市塔什店镇以西12 km处，本区8号煤层组在全区发育，倾角一般在8°～20°。8号煤层组埋深总趋势为：中部深四周浅，南部深北部浅，西部浅东部深，最浅位于测区的西北部煤层露头处，海拔标高为990 m左右，最深位于测区的中部盆地中心部位，海拔标高为410 m左右。井下煤层破碎或通风不良时，煤层有自燃现象，自燃发火期为76 d。

1.2 煤的升温氧化试验

采用智能煤升温氧化箱，对煤样进行加热升温和程序升温，如图1所示。

图1 程序升温装置示意图Fig.1 Schematic diagram of temperature programming device

将塔什店矿采集的8301工作面的新鲜煤样取出，进行破碎、筛分、缩分、混合等手段制样。将煤样放置于程序升温氧化箱内(图2)试验，开启色谱工作站并对数据进行分析处理，观察煤自燃产生的各类指标气体的规律[3]。

图2 程序升温加热系统Fig.2 Temperature programming heating system

2 结果分析

整理总结归纳试验结果，煤的自燃氧化可以分成三个大的阶段。在常温到45℃，该煤样未曾出现CO，45℃后CO开始出现，该阶段生成少量CO，CO2，H2O。在当温度达到110℃左右时，开始出现C2H6，140℃开始出现C2H4，煤处于加速氧化阶段，该阶段主要表现为随着温度的升高，开始出现一些其他指标气体，如C2H4等气态烃。当温度达到280℃以后，煤开始剧烈氧化，不同气体浓度增加，当温度再度升高后，就会导致煤的自燃。

2.1 煤的耗氧速率分析

从煤的耗氧速率分析来看，当温度低于45℃时，煤氧化耗氧速率低于0.4 m3/t，随着温度的升高，煤开始发生缓慢氧化，耗氧率逐步增大。此时出现两个反应速率变化点，即80℃和160℃，温度超过80℃后，氧化速率开始增大，当温度达到80℃时，耗氧率达到1.13 m3/t，160℃时开始出现乙烯，温度超过160℃后，煤温升速率极快，煤开始进入加速氧化阶段。整个阶段没有检出C2H2气体。

2.2 CO指标分析

在很多矿井预测预报煤自然发火时，CO作为主要的火灾标志气体得到广泛的应用[4]。低温氧化过程中CO生成量与煤温关系密切，详见图3。由图可以看出，CO浓度随温度的上升呈现单调上升的曲线，45℃～160℃呈缓慢变化态势，其中，45℃～80℃氧化速率较缓，80℃～160℃氧化速率增加，温度超过160℃后，CO生成量急剧增加，煤开始进入加速氧化阶段，可作为塔矿自然发火预报预测的早期指标气体，但无法定量分析出煤炭氧化过程中所处的准确阶段，加上现场风量稀释作用，对自燃判定往往出现误判的情况。在正常生产条件下，工作面的配风量发生变化不大，为了更好地预测煤自然发火，可采用⊿CO(一氧化碳增量)来进行预测[5]。

图3 CO随温度变化曲线Fig.3 Curve of the change of CO with temperature

图4 温度与CO浓度差Fig.4 Difference between temperature and CO concentration

连续统计采空区几天的CO浓度，计算每天的浓度差值，带入回归的数学模型，即可分析出温度与CO浓度差之间的关系。

通过数据回归分析，得到了回归数学模型：

y=y0+A1e-x/t

通过数据验证，得出了待定系数：

y0=-0.076 69，A1=0.023 18，t=-64.992 58，代入回归模型：

y=-0.076 69+0.023 18ex/64.992 58

其中，x为煤体温度，y为CO浓度差。

在煤温达到100℃前，⊿CO<100 PPm，煤温达到140℃前，⊿CO<500 PPm，即煤温超过100℃后，CO呈现快速增长趋势，出现第一次升温速率增加点，140℃后煤体进入加速氧化阶段。

2.3 CO2/CO、C2H6/C2H4指标研究

经试验CO2/CO比值如图5所示。当该比值大于50时，表明此时煤体温度在50℃左右，煤开始发热；比值小于10后，煤体温度为70℃以上，CO2/CO的比值随温度变化呈现指数形式下降，CO产生量剧增，温度达到160℃后，CO2/CO的比值开始小于2。C2H6/C2H4指标研究如图6所示。

图5 CO2/CO比值-变化曲线Fig.5 Changing curve of CO2/CO ratio

图6 C2H6/C2H4指标-变化曲线Fig.6 Changing curve of C2H6/C2H4 index

3 结论

通过分析实验获取的塔什店煤矿自然发火指标气体得知，确定采用CO、CO2/CO及C2H6/C2H4作为煤自然发火预报预测指标气体。由于煤矿井下条件复杂，受风量和注氮的影响，单纯采用CO指标对预报预测会产生较大影响。浓度比值法由于同比消除了风量和注氮的稀释作用影响，可优先采用浓度比值法进行预报预测，单气体作为辅助指标进行预报预测。

缓慢氧化阶段，由于CO、CO2出现较早，且塔什店煤矿煤层CO2中含量较低，可优先采用CO2/CO作为预测指标，当该比值大于50时，表明此时煤体温度在50℃以下，煤开始发热；当该比值开始小于10时，煤温处于70℃左右；当比值小于5时，煤温处于110℃；当温度达到140℃以后，CO2/CO的比值开始小于3，同时乙烷伴随着出现。

加速氧化阶段，煤的耗氧量大大增加，C2H6在130℃开始出现，160℃时开始出现C2H4。