新河煤矿煤自然发火规律实验研究

信长伟 高常华 王润武

（1.山东新河矿业有限公司，山东 济宁 272000；2.临沂矿业集团菏泽煤电有限公司彭庄煤矿，山东 菏泽 274700）

越早越准确地发现矿井煤层火灾，灭火所需的人力物力就越少，越容易灭火[1-3]。只要预报火灾方法够准确、及时，就可以采取有针对性的防灭火措施，防患于未然，提高防治措施的有效性，使煤矿防火工程更经济有效，同时提高矿井防灭火质量[4-6]。煤炭在自燃过程中会释放多种气体，而且气体具有很好的扩散性，所以，确定煤自燃时的指标性气体，通过其预报煤体自燃程度具有较大实用价值。

该文对新河煤矿3 煤层7312 工作面煤样进行了氧化升温实验，测定了不同温度条件下释放气体浓度，通过结果确定指标气体，为预测7312 工作面煤自燃提供理论指导，为新河煤矿3 煤层安全、高效开采提供保障。

1 新河煤矿3 煤层煤样升温氧化实验

1.1 煤自燃特征参数选取

根据煤氧复合规律，采用程序升温实验系统进行煤样氧化升温实验，优选指标气体，并选用耗氧速率、指标气体生成量、放热强度等参数定量表征煤的自燃氧化进程及特性。

1.2 煤样升温氧化实验设备及煤样制备

1）实验设备

煤样升温氧化实验台，主要由色谱分析系统、空气供应系统、恒温系统、数据采集系统和温度控制系统等5 个部分构成。

实验台供气系统由供气源、减压稳压装置、气体流量计和供气管路等组成。气体流量控制采用LY-25/10 型智能气体流量计，流量范围为22～4000 mL/min。本实验采用GC-4085B 型全自动煤矿专用气相色谱仪。

为了保证实验数据的准确性，设计了恒温系统使其与外界隔热，确保煤样在恒定的温度下。该实验设备的内部结构如下：内部炉膛为25 mm 的双层结构，两层之间均布电热丝，以保证实验时煤样受热均匀；中间为60 mm 厚的玻璃丝棉板，一方面起保温作用，另一方面起保护内部炉膛的作用；外部为5 mm 厚的钢板，用于连接实验装置的外盖。另外，在连接外盖时，在外盖和炉膛之间加装10 mm 厚的隔热板，进一步保证其绝热性。

箱体上下两端分别设有一个通气孔，用于连接煤样罐、供气系统和色谱分析系统。它的盒式密封结构可以将煤样氧化产生的气体与外界隔离开来，从而保证了测试的准确性。箱中装有1200 W 的加热器，其加热功率由计算机程序控制。

温度控制系统包括温度传感器、温度控制器、继电器、调节器，使箱温保持在计算机设定的温度。温敏元件监测环境中的温度变化，并将其温度值传回温控仪，以供控制开关。温度传感器采用Pt100BA1 铂电阻温度传感器，温度控制系统的控温精度为±0.1 ℃。

实验采用GC-4085B 型全自动煤矿专用气相色谱仪。本气象色谱仪为全自动化操作，它的优点是稳定性高，分析速度快，精度高。一次进样4～8 min 即可测定痕量一氧化碳，最低测定浓度不超过0.5×10-6。采用先进的煤矿专用数据处理工作站，与专用的A5085 数据处理软件相匹配。该软件采样精度高，操作简便，重复性好，能够提供多种采样控制及事后处理手段。

2）实验煤样

① 煤样采取

煤样采取按照《煤层煤样采取方法》（GB/T 482-2008）执行。

② 煤样制备

采集样品后，将样品装入密闭容器，邮寄到化验室。在制备样品之前，首先将样品表面的氧化层剥离，将样品粉碎，筛选出粒径小于0.15 mm的样品。

1.3 煤样常温30 ℃条件下的氧化实验结果

1.3.1 恒通气量条件下的氧化实验结果

在常温30 ℃，保持通风量为50.4 mL/min，即风速为0.12 m/min 时，实验进行270 min，测定数据如图1 所示。

图1 恒通气量条件下CO 浓度随时间变化曲线

1）在30 ℃、50.4 mL/min 的风量下，煤样可产生CO，并且一氧化碳含量基本保持不变，范围为9.7×10-6～12.7×10-6。

2）在氧化作用的初始阶段，煤样的吸氧率高，具有很好的氧化性。结果表明，随着反应时间的延长，催化剂的氧化率逐渐下降，最终达到稳定状态，CO 释放量约为10×10-6。

1.3.2 变风量时实验结果

在恒温30 ℃时，改变风量大小进行煤氧化实验，风量大小取50.4、85.7、130.7、165.2 mL/min，即风速为0.12、0.17、0.27、0.34 m/min。测定结果如图2 所示。

图2 变通气量时CO 随空气流量和时间变化曲线

如图2，在30 ℃恒温、变通气量的条件下，CO 气体浓度在固定空气流量下基本保持不变，并且其浓度随着空气流量的增加而降低，但它们之间的 CO 浓度差异很小。当风量达到165.2 mL/min 时，一氧化碳的含量发生了轻微的改变，随着风量的增加，其含量逐渐趋于平稳。在温度30 ℃，空气流量50.4～85.7 mL/min，也就是风速0.12～0.17 m/min时，煤的氧化性最高，氧化性在空气流量为165.2 mL/min，也就是速度为0.34 m/min，氧化能力最小，CO 的最大浓度为7.3×10-6。

1.4 煤样常温70 ℃条件下的氧化实验结果

1.4.1 恒通气量条件下的氧化实验结果

温度调至70 ℃，风量仍为50.4 mL/min，进行中温70 ℃实验，时间为270 min，测定结果如图3所示。

图3 恒通气量条件下CO 浓度随时间变化曲线

从图3 中可以看出：

（4）酒店机电安装专业多、专业性强、整体协调质量管理难度大：酒店机电工程包括管道工程、通风工程、强电系统、弱电系统、给排水系统等，不同专业关联性、系统性极强，并与精装饰整体协调质量难度大。

1）新河煤矿7312 工作面煤样CO 的释放随着氧化时间的延长而降低，但并不显著，其变化速率在7×10-6左右，表明该煤样中 CO 的释放比较稳定。

2） 在同样的条件下，70 ℃与30 ℃相比，氧化释放的CO 量有显著的增长，增加约3～4 倍，煤炭氧化速率的增加为0.6×10-6～0.8×10-6/℃

3）与30 ℃时氧化实验相同，在实验过程中，CO 的释放量基本稳定。

70 ℃是煤从缓慢氧化到加速氧化的转折点，当温度高于70 ℃时，氧化速度会变得更快，并迅速达到着火温度。在70 ℃时CO 量较30 ℃时大3～4 倍左右，煤炭氧化速率的增加为0.6×10-6～0.8×10-6/℃。

1.4.2 变风量条件下的氧化实验结果

在70℃条件下，进行变通气量条件下的煤氧化实验。风量大小取50.4、85.7、130.7、165.2 mL/min，即风速为0.12、0.17、0.27、0.34 m/min。测定结果如图4 所示。

图4 CO 气体浓度随空气流量和时间变化曲线

从图4 中可以看出：与30 ℃相同条件下相比：在空气流量为50.4 mL/min 时CO 释放量增幅为38/10.8=3.4 倍；85.7 mL/min 时 为28.8/9.3=3.1 倍；130.7 mL/min 时为26.8/8.3=3.2 倍；165.2 mL/min 时为22.3 /6.7=3.3 倍。说明煤炭氧化的CO 释放量增幅与30 ℃相比增加了3～4 倍，在这一范围内，CO 释放量的增幅相近，即煤炭氧化的速度相近。

风速为0.12～0.17 m/s 时，是最易发生自燃的区域。在70 ℃时CO 量较30 ℃时CO 量大3～4倍，风速为0.12 m/min 时，煤炭氧化速率的增加为0.7×10-6/℃。

2 程序升温条件下的氧化实验结果

通过以上四个不同条件下的氧化实验，得到了新河煤矿煤样在不同温度和风速条件下的氧化性质。为了研究其在程序升温条件下煤样的氧化自燃过程，在100 mL/min 空气流量的条件下，进行了新河煤矿煤样的升温实验，升温范围为0～455 ℃，实验结果如表1 所示。

表1 新河煤样程序升温氧化实验气体浓度测试数据

1）CO 气体产生规律

由图5 可知：在32 ℃时，CO 气体开始产生，在54 ℃以下时，CO 产生速率较小，到69 ℃时CO产生量是32 ℃时的3.6 倍，表明煤的氧化速度已经很快，物理吸附的作用越来越弱，而化学吸附的作用越来越大。氧化程度加强；69～133 ℃，氧化速度开始平稳地向上增加，与常温30 ℃相比氧化的CO放出量增加了9.6 倍；133～183 ℃时，氧化速度迅速上升。

图5 CO 与煤温之间关系曲线

2） 烯烃气体产生规律

由图6 可知，C2H4产生的临界温度为160 ℃，C3H6产生的临界温度为183 ℃。C2H4在133 ℃时开始释放，量较少，仅为1.5×10-6，在227 ℃时浓度为274.1×10-6，是133℃的182.7 倍，227 ℃以后乙烯释放量降低并趋于稳定；C3H6变化规律与C2H4相似。由此可见，新河煤矿的7312 煤样煤层如果发现C2H4和C3H6气体，采空区温度将在133 ℃以上，超过183℃以后，其氧化速度变化加快。

图6 煤烯烃气体浓度与煤温之间关系曲线

3）标志气体优选

CO、C2H4、C2H2等指标气体反映了天然火区缓慢氧化、加速氧化和剧烈氧化三个时期的特征，其性质的相对稳定性和适用性是我们在选择指标气体时需要考虑的重点。

通过试验，确定了CO 可作为新河矿区自然发火的指标性气体，其预报值范围应为72～188 ℃但CO 的发生临界温度极低，仅为66 ℃，且 CO 在火灾全过程均可生成。因此，这就要求在实际的生产中，对CO 衍生指标的规律进行持续的发现和总结，并根据这些指标对自燃氧化和自然发火初期的火灾情况进行综合判断。

碳氢化合物C2H4可以用来预测煤层自燃加速期，其预测温度范围为133～227 ℃。在煤层中，乙烯被认为是一种指示性气体，它被认为是煤的氧化作用进入了加速自燃期。在CO 存在的情况下，只要工作面通风系统中出现C2H4，且C2H4含量持续上升，就可以被认为是煤层氧化自燃的预兆，表明采空区内已经出现超过133 ℃的高温区，可以预测煤层已经发生自燃，需要及时进行防治，否则就会演变成严重的火灾，加大扑救工作的难度。

3 煤层二次氧化规律研究

1）耗氧速率分析

煤样程序升温实验一次氧化与二次氧化耗氧速率与温度之间存在着一定的关系，在煤样氧化升温过程中，耗氧速率随着温度的升高呈现出指数增长。在反应的前期，二次氧化的耗氧速率要高于一次氧化的耗氧速率，但随着反应的进行，二次氧化的耗氧速率逐渐低于一次氧化。

2）指标气体产生量分析

新河煤矿煤样一次、二次氧化时，一氧化碳的含量随温度的上升而上升，在一次氧化时一氧化碳含量增加较慢，二次氧化产生的CO 含量大于一次氧化释放的CO 含量，而到了100～110 ℃时，一氧化碳含量则呈指数上升，二次氧化产生的CO 含量比一次氧化放出的CO 含量低。所以，在100～200℃时，一氧化碳含量有一个相交点。程序升温时，C2H4仅在反应的后期才被检测到，且生成的C2H4浓度很小，一次氧化与二次氧化生成C2H4的规律相同，二次氧化释放C2H4的浓度低于一次氧化。

3）放热强度分析

通过对新河矿区煤样品的氧化放热量的计算，结果表明，在第一、二次氧化过程中，煤样的放热量均随着温度的升高而增大。在反应前阶段，其放热量的增长速度很慢，但在100～120 ℃时，放热量的增长速度很快，说明从这一温度起，煤样品就进入了一个快速的氧化期。在反应后期，由于在一次氧化反应中，二次氧化反应产生了较多的活性官能团，同时也产生了较多的能量，所以二次氧化反应的放热量比一次氧化低。

4 结论

1）新河煤矿煤样在30 ℃、空气流量为50.4 mL/min 的条件下，可以释放出CO，CO 量在9.7×10-6～12.7×10-6之间。

2）在自加热阶段，煤的氧化温度为70 ℃，从缓慢的氧化过渡到加快的氧化过程。在70 ℃时，煤样氧化所放出的CO 量比常温时高3～4 倍，煤炭氧化速率的增加为0.6×10-6～0.8×10-6/℃。

3）在一次氧化和二次氧化的过程中，煤样的CO、C2H4产生量、耗氧速率与放热强度随着温度的升高而增大，但是在反应的后期，二次氧化的特征参数都比一次氧化要低。