三元吉祥煤业煤自燃标志气体测试及优选研究

郭 杉 高宏烨

（1.山西煤炭运销集团长治有限公司，山西 长治 046000；2.中煤科工集团沈阳研究院有限公司 煤矿安全技术国家重点实验室，辽宁 抚顺 113122）

我国大多将CO 在空气中的含量作为预测煤自然发火的主要预测指标，但由矿井地理位置的差异和不同煤质带来的差异，煤自燃产生标志气体的节点也不尽相同[1-2]。由此，为了更准确地预测三元吉祥煤业15-3 号煤层自然发火情况，拟通过在15-3号煤层采集煤样，根据煤升温氧化过程模拟实验结果筛选出自然发火标志气体，从而对该煤层自然发火进行预测预报。

1 三元吉祥煤业内因火灾风险评价

煤炭自燃是一个多元的综合反应过程，是由于煤在温度较低的情况下与空气中的氧不断发生氧化作用（包括范德华吸附、化学吸附和化学反应）而微弱放热的过程[3]，单位体积破碎煤体散发的热量小于反应散热量时，煤岩体及周围温度就会上升，煤体的温度缓慢而持续上升以至于达到煤的着火点而自发燃烧起来[4-5]。15-3 号煤层开采时冒落带高度为11.87～16.27 m。15-3 号煤层开采后上覆的15-1号煤层会进入15-3 号煤层工作面采空区。综合矿井地质资料及现场实际情况，对三元吉祥煤业有限公司矿井在生产过程中可能出现的煤层自燃灾害进行分析，该矿井在开采过程中存在自然发火危险。

2 实验室实验及数据采集

大部分煤升温氧化过程中，煤的自然发火可以分为三个不同的发展过程，即少量气体初步析出缓慢反应阶段、氧化反应相对较快的加速阶段和最终产生大量易燃易爆气体的剧烈反应阶段[6-8]，其产生的气体产物种类与浓度受矿井地理位置的差异和不同煤质带来的差异影响。不同矿井可用于自然发火预测的标志气体如CO、CO2、烷烃、烯烃等与其临界值需要具体分析[9-10]。

本文通过实验装置对三元吉祥煤业15-3 号煤层进行分析，其流程图如图1。

图1 实验装置流程图

通过实验，三元吉祥煤业有限公司15-3 号煤层煤样指标气体实验数据见表1。

表1 15-3 号煤层自然发火标志性气体测试数据表 ×10-6

3 标志性气体分析及临界值

对表1 中的数据进行分析，并以温度的变化为基准，其浓度趋势如图2 ～图6。

图6 C3H8/C2H6 的比值随温度的变化趋势图

3.1 15-3 号煤层自燃标志气体

由图2 可知CO2浓度随温度的变化趋势，煤样在30～300 ℃的氧化过程中有规律地出现CO2，随着煤体温度不断升高，其浓度也呈上升趋势。CO2的产生伴随矿井生产的各个过程，且CO2吸附于煤体，其溶解性和吸附性常对测定结果的准确性造成影响，故而，本煤的自然发火标志气体不能选用CO2。

图2 CO、CO2 浓度随温度的变化趋势图

由图2 可知CO 浓度随温度的变化趋势，煤样析出的CO 气体在50～300 ℃的氧化过程具备一定的规律。CO 在50 ℃时初步析出，当温度较低时，其析出量也较小；但在50～100 ℃时CO 温升率逐渐上升，即煤的升温氧化过程已逐步进行，进而化学吸附越来越强，代替范德华吸附占据了主要位置；当温度在100～141 ℃时，CO 的析出量不断增大，说明煤样的氧化反应进入了加速阶段。由此可知，煤体氧化升温的各个阶段中CO的产生均有明显特点，即从出现预示煤体已经开始氧化，大量出现则煤温超过100 ℃，反之还在100 ℃以下。

综上所述，CO 的析出昭示着煤已经开始缓慢氧化，可以作为本煤的自然发火标志气体。

3.2 烷烃浓度随温度的变化趋势

由图3 可知CH4浓度随温度的变化趋势，CH4在100 ℃时开始出现，其生成量以214 ℃为节点，未达到节点温度前微量产生，在达到节点温度以后其升温速率与温度的升高成正比。CH4等瓦斯气体以在吸附状态和游离状态两种赋存状态在煤体中赋存，伴随着煤层开采煤体中游离瓦斯大部分被释放，随着瓦斯压力的降低进而吸附状态的瓦斯也随着瓦斯压力的下降而逐步脱附释放。CH4大量存在于井下气体中，无法用作标志气体。

图3 烷烃浓度变化趋势图

由图3 可知C2H6浓度随温度的变化趋势，C2H6气体以151 ℃为节点，达到节点温度开始出现，其生成量在237 ℃以后迅速增加。

由图3 可知C3H8浓度随温度的变化趋势，C3H8气体开始出现的温度为162 ℃，在259 ℃以后C3H8生成量迅速增加。

由此可知，煤体氧化升温的部分阶段中，C2H6、C3H8的产生均有明显特点，可以作为本煤的自然发火标志气体。

3.3 烯烃浓度随温度的变化趋势

由图4 可知C2H4和C3H6气体浓度变化与温度上升的关系，C2H4气体开始出现的温度为162 ℃，在237 ℃以后C2H4生成量迅速增加。C3H6气体开始出现的温度为162 ℃，在237 ℃以后C3H6生成量迅速增加。

图4 烯烃浓度变化趋势图

煤的自燃特性与C3H6的生成规律能够互相映照，而C2H4的产生也预示了煤体开始加速氧化，故本煤自然发火标志气体可以选用C2H4和C3H6。

3.4 炔烃浓度随温度的变化趋势

由图5C2H2浓度随温度的变化趋势，C2H2气体开始出现的温度为280 ℃。当煤体温度为280 ℃，代表着已经有较剧烈的氧化反应在煤体中产生，故本煤自然发火标志气体可以选用C2H2。

图5 炔烃浓度变化趋势图

3.5 链烷比随温度的变化趋势

链烷比指火灾气体中位于Cl～C4 范围内的烷烃气体，某一长链烷烃单一组分的浓度与甲烷或乙烷浓度之比值。

煤样升温氧化实验过程中C3H8/C2H6的比值随温度变化见表2。

表2 C3H8/C2H6 的比值随温度变化表

煤样升温氧化实验过程中C3H8/C2H6的比值随温度的变化趋势如图6。

由图6 可知，C3H8/C2H6的比值与温度的变化趋势不一致，无法作为本煤自然发火指标。

4 结论

（1）通过收集实验数据，并根据需要绘制趋势图，综合分析可知，在30～300 ℃温度范围内，C2H2、C2H6、C3H6、C3H8、C2H4、CH4、CO 和CO2气体在15-3 号煤层煤样的氧化过程中有规律的出现。

（2）煤样在50 ℃时大量析出CO，其析出速度随煤温升高呈递增趋势；煤样在151 ℃时析出C2H6，162 ℃时析出C2H4、C3H8和C3H6，且析出量都呈指数增加趋势，与温度的上升效率息息相关。CO 在50 ℃时初步析出，当温度较低时，其析出量也较小；在50～100 ℃时CO 温升率逐渐上升，即煤的升温氧化过程已逐步进行，进而化学吸附越来越强，代替范德华吸附占据了主要位置。C2H4在162℃时析出，说明煤的氧化速度开始提升，此时较强的化学反应开始在煤与氧之间发生。C2H2在280 ℃析出，一旦有C2H2则代表着已经有较剧烈的氧化反应在煤体中产生。CH4在100 ℃时析出，表示煤中原赋存少量的CH4。因此，该煤样应以CO、C2H2、C2H4、C2H6、C3H6和C3H8作为煤自然发火的标志性气体，并辅以CO、C2H4和C2H2来掌握煤炭自燃情况。