华胜矿3 号煤的自燃指标气体确定

何溢聪

（山西蒲县华胜煤业有限公司，山西 临汾 041206）

0 引 言

富煤、贫油、少气的能源赋存特点决定了煤炭长期以来是我国的主要能源，火灾煤矿主要灾害之一，而煤的自燃又是火灾的主要成因，其发生隐蔽不易察觉，很容易造成严重的火灾事故，威胁工作人员生命安全和企业安全生产[1,2]。由于煤的氧化升温而造成的煤炭自然发火伴随有二氧化碳（CO2）、甲烷（CH4）、一氧化碳（CO）、乙烯（C2H4）、乙烷（C2H6）等一系列气体产生，通过对这些气体浓度的测定可以预测煤的自然发火过程或所处阶段，这就是指标气体法，对煤矿自燃火灾防治具有重要的指导作用[3-5]。本文对华胜矿3 号煤进行了氧化升温实验，测定了不同温度条件下产生气体的浓度，确定煤炭自燃的指标气体，为预测该煤层自燃阶段提供指导。

1 矿井概况

山西蒲县华胜煤业有限公司为兼并重组整合矿井，位于山西省蒲县县城东部20 km 处，行政区划属乔家湾乡管辖，矿井生产能力0.90 Mt/a。矿井面积约9 km2。矿井的开拓方式为斜井开拓，3 号煤为目前的主采煤层，11 号煤层正在进行大巷开拓，采用走向长壁综采一次采全高以及后退式回采，管理顶板的方法采用全部冒落法。

2 号煤自燃风险分析

1）煤的炭化程度：煤的自燃性随煤炭的变质程度的增高而降低；煤的炭化程度越低，挥发份含量越高，煤层自然发火倾向越强[6]。3 号煤层原煤平均挥发分38.42 %，因此从煤的碳化程度分析，3 号煤层挥发分较高，增加了煤层自然发火倾向。

2）煤的含硫量：煤样的自燃倾向性和吸氧能力与含硫量成正比。3 号煤原煤全硫（St，d）为0.37 %～2.69%，平均0.91%，因此从煤层的原煤含硫量分析，3 号煤层有自燃的可能性。

3）煤的破碎程度：煤自燃的条件之一是有足够的表面和空气接触，被氧化的表面积随着煤的破碎程度变大而增加，最终导致氧化速度增加，利于自燃。3 号煤层裂隙和孔隙较为发育，利于煤层自燃。

4）煤层开采方法：矿井目前开采的3 号煤层采用一次采全高综采采煤法，回采率较高，采空区遗煤较少，有利于矿井防灭火；但由于采煤工作面均采用全部垮落法管理顶板，这将导致采空区漏风情况加剧大，增大采空区遗煤的自燃可能性。

5）主要开拓巷道布置：本矿井目前3 号煤主要巷道沿煤层顶底板岩层布置，虽然主要开拓巷道采用锚网喷支护从一定程度减少了煤壁的供氧量，但随着矿井的开采，主要开拓巷道将会长期处于较高的矿山压力下，容易造成巷道局部帮、顶破碎，更严重的会产生局部高冒区，煤体易于积聚热量发生自燃。

6）合理的工作面推进度：这是采空区自燃防治十分重要的关键一步，也是最经济有效的措施。但要保证工作面快速推进，单靠可靠的设备还远远不够，由于地质构造等不确定因素影响而引起的停产时常发生[7]。

综上所述，矿井开采的3 号煤层存在较大的自燃风险，因此需要对该煤层进行自燃指标气体确定，可以在开采过程中及时确定煤炭自燃所处阶段，及时制定、调整适用于自然发火防治的方案，对保障矿井3 号煤层安全回采十分必要。

3 煤层自燃指标气体确定

3.1 煤氧化升温实验

作为复杂的物理化学变化过程，煤炭的自燃伴随着多变量的自加速放热，这一过程集中体现为样品内部化合物的氧化过程。物理变化包括了气体吸附和解吸、水蒸发和冷凝、传热、煤体升温和结构松弛；化学变化包括煤表面分子中各种反应结构与氧的化学吸附和化学反应，产生多种含氧基团和气体并且有热效应。煤的化学反应导致煤大分子交联键的重新分布，改变了理化性质和煤氧复合过程。对煤样进行加热和再加热生成一氧化碳、二氧化碳等气体。由于煤样种类的差异，不同气体的生成量和生成时的最低温度也有较明显的差异[8]。因此，本实验提取处的指标气体对预测煤的自燃阶段具有指导性作用。指标气体实验系统如图1 所示。

图1 煤自燃特性综合测试系统实物及原理结构图

根据GB482-2008《煤层煤样采取方法》在3 号煤层（3103 回采工作面）现场采取4 kg 煤样，装入事先准备好的密封袋密封防止氧化。

煤样的制备按照GB474《煤样的制备方法》执行，煤样经烘干、破碎、混匀、缩分、筛分等程序，制备出小于0.15 mm 的500 g 实验煤样。将5.0 g 粒度为小于0.15 mm 的煤样置于煤样氧化室内，将煤样氧化室置于加热炉内，检查气路的气密性。每分钟通入100 ml 干空气开始程序升温，根据实际实验需要可设置升温速率为：室温-100℃：0.5℃/min；100℃-200℃：1.0℃/min；200℃-300℃：2.0℃/min。每隔20 min 取样分析一次。

3.2 指标气体优选

一般来说，能够被选作为指标气体应该具有灵敏性、规律性、和可测性。如果一种气体在煤样温度增长到某一个特定值时就会生成，而且与煤样温度成稳定的正相关关系，即为灵敏性。当某种气体在一定范围内生成时的最低温度差异不大，而且生成速率和温度之间相关性较好时，即为规律性。此外，该气体还应比较容易被检测仪器检验出，即为可测性。除以上3 个基本特征外，作为适当的指标气体在煤中的吸附率也要较低，以避免气体在产生过程中被煤吸附住；同时原始含量也应较低，保证气体的产生基本是由于煤的氧化升温过程产生。

实验过程中对所采取3 号煤样进行升温氧化实验，实验所得的数据见表1，并对气体成分、浓度和标志性气体进行详细分析。

表1 3 号煤层煤样氧化升温气体产生浓度（单位ppm）

从表1 中可以发现，3 号煤层的煤样在氧化升温过程中中依次出现了一氧化碳、二氧化碳、甲烷、乙烷、丙烷、乙烯、乙炔等气体。各气体生成变化规律如图2 所示。初始温度见表2。

表2 3 号煤层煤样程序升温氧化实验过程中标志性气体及临界值

图2 3 号煤层煤样氧化升温中温度与气体浓度的关系

一氧化碳在60℃时开始产生随后浓度逐渐上升；C2H6、C3H8和C2H4分别在100℃、114℃和123℃时出现，并且随温度指数递增。CO 在60℃时出现时生成量较小，温升率逐渐增加阶段位于60 ℃～123℃，这时煤的缓慢氧化过程已经开始，对气体的化学吸附成为主要吸附作用。CH4在100℃时出现，说明煤中原赋存的CH4量很少。C2H4在123℃出现时煤已经开始发生强度较高且速度较快的氧化反应。而在205℃出现的C2H2表明煤正在经历十分剧烈的化学反应。因此，3 号煤层应以应主要利用一氧化碳（CO）作为煤自然发火的标志性气体，同时以乙烷、乙烯、丙烷、乙炔辅助检测煤炭自燃情况。

4 结 论

本文从煤的炭化程度、含硫量、开采方法、开拓巷道布置等方面分析了华胜矿3 号煤层的自燃风险性，认为其具有较大的自燃风险。利用煤的氧化升温实验进行煤炭自燃过程中产生的气体分析，结果表明随着温度升高，CO、CH4、C2H6、C3H8、C2H4依次析出，通过与煤的氧化阶段对比，认为应采用一氧化碳作为煤自然发火的标志性气体，同时以乙烷、乙烯、丙烷、乙炔辅助检测煤炭自燃情况。