环境条件对煤自燃复合指标气体分析的影响＊

张玉龙 王俊峰 王涌宇 常丽萍 李争峰

（太原理工大学，山西省太原市，030024）

环境条件对煤自燃复合指标气体分析的影响＊

张玉龙 王俊峰 王涌宇 常丽萍 李争峰

（太原理工大学，山西省太原市，030024）

为探讨环境条件对煤自燃复合指标气体分析法的影响，实验研究了气体流量、升温速率、煤样粒径及氧气浓度对煤自燃过程的影响。研究结果表明，实验条件对复合指标气体仍表现出一定的影响，与单一指标气体分析法相比较，复合指标气体分析法受环境条件波动较小，在煤自燃预测中表现出明显的优势。不同的影响因素对不同的复合指标气体表现出不同的影响，但在整个实验过程中，O2／CO与O2／CO2受实验条件影响较小，并在煤自燃过程中表现出明显的指示作用。

煤自燃 复合指标气体分析法 影响因素 环境条件

煤自燃对煤矿安全生产威胁很大，是煤矿安全领域的重要研究课题之一。为了能有效预防和控制煤炭自燃火灾，需要对煤自燃进行预报。目前最常用的方法是煤自燃指标气体预测法，即根据煤炭氧化后随着氧化进程的不同将依次释放出各种气体，依据这些气体的出现温度及释放量来判断煤炭自燃状态。准确地分析煤炭氧化自燃所放出的气体及其浓度，能够及时预测预报煤炭自燃情况，为煤炭自燃的防治工作提供科学指导。煤自燃是在特定环境条件下的煤低温氧化的最终结果，环境条件对煤自燃起着决定性的作用。同时指标气体浓度容易受到复杂的环境条件的影响，给准确预测预报煤自燃状态带来困难。因此很有必要研究环境条件对目前煤自燃预测预报方法的影响。在实验室条件下研究煤自燃指标性气体释放规律的环境影响因素主要包括气体流量、升温速率、煤样粒径及氧气浓度等。单一指标气体预测法对矿井下煤自燃程度判定具有很大的不确定性，而复合指标气体体系预测煤层自燃状态具有明显的优势。目前还没有文献报道过实验条件对复合指标气体预测法的影响，即复合指标气体在不同的环境条件下的稳定性还不太清楚。研究环境条件对复合指标气体的影响，实验结果为优化煤自燃指标气体预测体系和及时准确预测预报煤自燃状态具有重要的指导意义。1 实验部分

1.1 煤样选取

选取易自燃的神东补连塔矿长焰煤作为实验用煤。现场取刚开采的新鲜煤样，装在真空袋内，运至实验室。实验前先剥去煤样表面氧化层，然后对其进行破碎并筛分出不同粒径的煤样作为实验煤样。

1.2 综合指标气体检测实验

实验采用本实验室研发的煤自燃过程模拟系统，其流程如图1所示。该系统由反应器、保温设备、气路通道以及相应的监测设备等组成。实验气体为N2和O2的混合气，由气瓶供给，其流量通过相应的质量流量计控制，在进入反应器前会被加热线圈预热到实验稳定状态，反应生成的气相产物通过气相色谱仪进行检测。实验前将煤样置于铜质反应器内，将其置于程序控温箱内，然后连接好进气气路、出气气路和温度探头 （探头置于煤体几何中心），检查气路的气密性。在程序控温箱控制下以不同的升温速率对煤样进行加热，升温至200℃。

图1 实验装置示意图

2 环境条件对气体产物释放的影响

2.1 空气流速的影响

空气流速对煤自热过程起到重要的作用。其作用主要体现在：高的气体流速能提供足够的氧气，从而保证煤自热过程对氧气的需求；过高的气体流量会带走氧化过程中所产生的热量，降低热量的富集作用，稀释煤氧化过程中生成的气相产物。为了研究空气流速对气体产物生成的影响，分别选取100 ml／min和200 ml／min的空气流速进行煤的氧化实验，空气流量对 H2／CH4、O2／CO2、O2／CO、CO2／CO和CH4／CO2的影响如图2所示。从图2（a）可以看出，在110℃以前没有检测到H2，因而H2／CH4为0；当温度高于120℃左右时，H2／CH4比值呈现最大值，随着温度的升高，比值呈现出一个降低的趋势，其半峰宽较大，在120～150℃之间；空气流速对H2／CH4比值影响不明显。从图2 （b）可以看出，O2／CO2和 O2／CO呈现不同的变化规律，O2／CO2比值处于0.3×104以下，当温度高于50℃时，其比值接近一条直线；O2／CO比值随着温度的增加先呈现出抛物线降低的趋势，当温度高于70℃时，其表现出缓慢降低的趋势，当温度达到120℃，其比值接近接近于水平线，说明O2／CO比值与煤自然发火状态有密切的相关性，可用于判断煤的自燃状态；同时也可以看到空气流速对其影响较小。从图2（c）可以看出，CO／CO2呈现出先增加后降低的趋势，在150℃左右呈现出最大值，表明此时煤体处于自热加速阶段；随着空气流速的增加，CO／CO2显著增大。从图2（d）可以看出，CH4／CO2和CH4／CO比值的变化规律分别与O2／CO2和 O2／CO相类似。

2.2 粒径的影响

粒径对煤氧化反应的影响主要体现在：一方面减小煤体的粒径会增加煤样的比表面积，从而增加煤的反应位点，加快煤的氧化反应；另一方面煤样粒径的减小会降低煤体之间的堆积空隙，不利于氧气在煤体之间的扩散，降低煤的氧化反应。为了研究煤样粒径对气体产物生成的影响，实验分别选取20～40目、40～80目和80～120目的不同粒径的煤样进行煤的氧化实验，煤样粒径对气体产物关联性的影响如图3所示。从图3（a）可以看出，不同粒径下的H2／CH4的变化趋势整体相同，都在130℃左右出现最大峰值；但是由于粒径对H2及CH4的释放量有很大的影响，因而随着粒径的增加，H2／CH4峰值呈现增加的趋势。从图3（b）可以看出，随着粒径增加，O2／CO2与O2／CO均呈现增加的趋势，然而二者变化规律是不同的。O2／CO2呈现缓慢的降低趋势，在温度接近70℃时基本上趋近于一条直线；而O2／CO在氧化初期阶段随着温度的增加其比值迅速降低，在100℃以后才逐渐趋近平缓；O2／CO2与O2／CO比值的变化对煤自燃状态具有很好的指示作用，粒径对两者的比值表现出明显的影响，随着粒径的增加，这种指示作用更加明显。从图3（c）可以看出，CO／CO2同样在180℃左右呈现出最大值，表明此时煤样已经接 近自燃状态。

2.3 升温速率的影响

升温速率对煤氧化过程的影响主要体现在：较高的升温速率会增大煤体与外部环境的温差，同时不同的加热速率会影响煤体的自热历程。为了研究升温速率对气体产物生成的影响，实验分别在0.5℃／min，1.0℃／min和2.0℃／min升温速率下进行煤的氧化实验，升温速率对气体产物关联性的影响如图4所示。从图4（a）可以看出，随着加热速率的增加，H2／CH4呈现降低的趋势，这说明较快的加热速率更有利于CH4的释放。从图4（b）、图4 （d）可以看出，升温速率对 O2／CO2，O2／CO，CH4／CO2和CH4／CO在较低温度下表现出一定的影响，随着温度的升高，这种影响逐渐降低。从图4（c）可以看出，升温速率对CO／CO2影响较为明显，随着升温速率的降低，CO／CO2迅速增加；当升温速率为0.5℃／min时，CO／CO2呈现出抛物线的趋势，在130℃左右表现出最大；升温速率对CO／CO2的影响主要体现在100～180℃；由于CO和CO2的生成途径上有本质的区别，温升速率对煤自燃过程中CO和CO2的生成途径也有很大的影响。

图4 升温速度对气体产物关联性的影响

2.4 氧气浓度的影响

氧气作为煤自热过程的反应剂，其浓度大小对煤的自热过程起着重要的作用。在相同的气体流速条件下，较高的氧气浓度会提供充足的氧气，从而保证煤自热过程的顺利进行。在煤自燃过程中，由于气体产物的生成途径的多样性，氧气参与了各个反应途径，不同的氧气浓度对不同的途径影响是不同的，会导致氧化产物释放的差异性，从而引起复合指标气体分析的差异性。为了研究氧气浓度对气体产物生成的影响，实验分别在氧气浓度为6.50%、12.60%、15.72%和20.82%下进行煤的氧化实验，气体流速为100 ml／min，氧气浓度对复合指标气体影响如图5所示。从图5（a）可以看出，随着氧气浓度的增加，H2／CH4呈现出增加的趋势，当氧气浓度为20.82%时，其峰值明显高于其他氧气浓度，并且所对应的峰温也明显提前。从图5（b）、图5（d）可以看出，在反应初期，氧气浓度对 O2／CO 和 CH4／CO 及 CH4／CO2影响较为明显；随着温度的增加，这种影响逐渐降低。从图5（c）可以看出，氧气浓度对CO／CO2影响较为复杂，这是由于CO和CO2的生成途径的不同，以及氧气浓度对不同途径的不同影响所造成的。而氧气浓度对O2／CO2几乎没有影响。

图5 氧气浓度对气体产物关联性的影响

3 结论

（1）环境条件对煤自燃单一指标气体的生成有很大影响。与单一指标气体分析法相比，复合指标气体分析法具有一定的稳定性。环境条件会对单一指标气体的释放时间及释放量上造成影响；而对复合指标气体的影响表现在峰值的大小。

（2）不同的环境条件对煤自燃复合指标气体的影响是不同的。增加空气流速会同等增加CH4和H2的释放速率，因而对H2／CH4影响不大；同时会增加CH4和CO2的释放速率，因而增加CO2／CO，CH4／CO的比值。增大煤样的粒径，会增加CH4／H2，CO／CO2，CH4／CO 的比值。增加升温速率，会增加 H2／CH4和CO／CO2的比值，而对O2／CO2、O2／CO以及CH4／CO影响很小。增加氧气浓度，会增加 H2／CH4和CH4／CO的比值，降低CO／CO2的比值。这些影响与煤自燃过程各种指标气体生成途径及生成机理有很大关联。

（3）在整个实验过程中，O2／CO2与 O2／CO受实验条件波动较小，并在煤自燃过程中表现出明显的指示作用。

［1］廖礼 .渝阳矿煤层自燃标志气体及临界值的研究［J］.中国煤炭，2012 （10）

［2］黄显华 .平朔矿区9＃煤程序升温氧化过程中指标气体变化规律研究 ［J］.中国煤炭，2012（2）

［3］牛光勇，邬剑明等 .平朔矿区煤自燃宏观特性的关联性研究 ［J］.中国煤炭，2012（9）

［4］陈汝豪，王德明等 .煤炭低温氧化自燃过程指标气体影响因素关联分析 ［J］.矿业工程研究，2012（1）

［5］寇砾文，蒋曙光等 .温庄煤自燃指标气体产生规律及影响因素分析 ［J］.煤矿安全，2012（3）

［6］李曼，李增华等 .运用多指标气体体系分析煤层自燃氧化性 ［J］.煤矿安全，2012（1）

Effect of experimental conditions on composite index method of gas analysis in spontaneous combustion

Zhang Yulong，Wang Junfeng，Wang Yongyu，Chang Liping，Li Zhengfeng
（Taiyuan University of Technology，Taiyuan，Shanxi 030024，China）

This study involved investigating the environmental conditions affecting the composite index method of gas analysis during coal spontaneous combustion including the effect of gas flow rates，heating rates，particle size and oxygen concentrations during spontaneous combustion.The results showed that experimental conditions still affect the gas composite index.However，the composite index method of gas analysis is less affected by environmental conditions compared with the single index method，which showed advantages in predicting spontaneous combustion.Different factors showed different effects on the composite gas index.In the experiment，O2／CO and O2／CO2were relatively stable and showed significant indicators for spontaneous combustion.

spontaneous combustion，composite index method of gas analysis，influencing factor，environment condition

TD752.2

A

国家自然基金 （51274146），国家国际科技合作项目 （2011DFA72310）

张玉龙 （1987-），男，河南南阳人，在读研究生。主要从事煤化工及煤自燃机理、预测及防治技术的研究。

（责任编辑 张艳华）