察哈素煤矿3号煤层自然发火标志性气体研究及其应用

芮国相，王玉怀，任建军，席晓斌

(1.内蒙古科技大学，矿业研究学院，内蒙古包头 014010;2.华北科技学院，北京东燕郊 101601;3.国电建投内蒙古能源有限公司察哈素煤矿，内蒙古鄂尔多斯 017209)

0 引言

察哈素煤矿位于鄂尔多斯东胜煤田新街矿区，井田南北走向长 13.83 km，东西倾斜宽12.02 km，面积157.95 km2。矿井设计可采储量1833.809 Mt，矿井设计生产能力10.0 Mt/a。矿井采用主斜井、副立井和回风立井的混合开拓方式。矿井主采煤层为3－1煤层，煤层厚度2.05～7.15 m，平均为5.25m;煤层倾角平缓，一般为1°。煤种属不粘煤和少量长焰煤。煤层自然倾向性为容易自燃，最短自然发火期为39天。31301工作面为该矿首采工作面，工作面开采过程中，由于煤层厚度赋存变化，煤层厚度个别地段最高达到6.7 m左右，在开采过程中采空区出现1.0 m～1.5 m左右的遗煤，工作面回采过程中出现了CO超标现象。

煤在低温氧化过程中产生多种气体，如CO、CH4、C2H6、C2H4等，但不同温度时各成分气体的浓度各不相同［1－3］。能反映煤炭自热或可燃物燃烧初期特征的、并可用来作为火灾早期预报的气体称之为标志性气体［4］。因此，按照一定的试验条件、通过试验优选适合各矿和各煤层的标志性气体，才能进行及时而准确的预报。选择合适的煤自燃标志性气体，通过测试标志性气体的方法，可以对煤自燃火灾进行早期预测预报［5－7］。为掌握该矿3号煤层的氧化特性，指导矿井安全生产，在31301工作面采集了五组煤样，进行了煤层自然发火标志性气体测试与分析。

1 煤样采集与实验过程

1.1 煤样的采取与制备

煤样采自察哈素煤矿31301工作面新暴露的煤层表面，在工作面不同地点采集了五个煤样。采样后立即放入采样罐，运至实验室。试验时打开采样罐，将块煤进行粉碎，并将破碎煤样筛分，取粒度为1.25～1.6 mm、1.6～2 mm、2～3.5 mm、3.5～5 mm、5～7 mm部分各20%混合，每个煤样取200 g，作为试验样品，密封于采样罐。

1.2 实验过程

在实验过程中，将准备好的试验煤样放入煤氧化模拟实验装置进行氧化升温试验。具体升温过程如下:先以约1℃/min的速度将煤温升高15℃，然后保持煤温恒定5 min左右后，再以约1℃/min的速度将煤温升高15℃，然后保持煤温恒定5 min左右，依次类推。为使实验结果更加精确，对五组煤样分别进行氧化升温试验，然后对五组实验结果进行对比、分析。

2 实验结果及其分析

2.1 CO与温度变化关系

第一组煤样的实验结果如图1所示，由图可见:

(1)CO的浓度随着温度的升高而升高。

(2)煤样在实验初始阶段(30℃以后)开始出现CO，随煤温升高其浓度呈上升趋势。

(3)从60℃开始，随温度的升高其浓度升高的幅度越来越大，表示煤已经进入了加速氧化阶段;在120℃以后，其随温度升高的幅度有所减缓但让逐渐变大。

图1 第一组煤样CO浓度随温度变化曲线

根据五组煤样的实验结果，分别得出五组煤样随温度变化释放出的CO浓度曲线及其CO平均浓度曲线，如图2所示。由此可知，煤样从低温开始，经过缓慢氧化，加速氧化阶段后均有CO的释放，并且随温度变化出现了一定的规律性，CO能够很好得表征煤的整个自燃氧化过程。对五组煤样测试产生的CO平均浓度随温度变化的曲线进行分段拟合，得到相应的拟合方程见表1。通过数据分析知当温度范围在40℃ ～90℃之间时，均值变化趋势能代表煤样产生的CO浓度变化趋势。

图2 五组煤样CO浓度及其平均值随温度的变化曲线

表1 不同温度范围内CO浓度随温度变化的拟合公式及相关系数

2.2 C2H4与温度变化关系

同样，根据五组煤样的实验结果，分别得出五组煤样随温度变化释放出的浓度C2H4曲线及其平均浓度曲线。由图3可知，当温度达到120℃时，C2H4开始出现，并随着温度的升高含量变化的幅度越来越大，因此，C2H4对于煤炭进入加速氧化阶段具有一定的表征。

图3 五组煤样C2H4浓度及其平均值随温度的变化曲线

根据C2H4浓度平均变化曲线，对C2H4浓度随温度变化曲线进行分段拟合，并得到相应的拟合公式见表2。通过数据分析知当温度范围在120℃ ～180℃之间时，均值变化趋势能代表煤样产生的C2H4浓度变化趋势。

表2 不同温度范围内C2H4浓度随温度变化的拟合公式及相关系数

2.3 CO2与温度变化关系

根据五组煤样的实验结果，分别得出五组煤样随温度变化释放出的CO2浓度曲线及其平均浓度曲线。五组数据中第一、第四组偏差较大，在计算平均值时以其余三组为依据，得出CO2平均浓度曲线。由图4可知，CO2随温度变化也存在着比较强的规律性，但是它受外界因素的影响，不是一个很好的表征因素。

图4 五组煤样CO2浓度及其平均值随温度的变化曲线

2.4 C2H6与温度变化关系

根据五组煤样的实验结果，分别得出五组煤样随温度变化释放出的C2H6浓度曲线及其平均浓度曲线。五组数据中第四组偏差较大，在计算平均值时以其余四组为依据，得出C2H6平均浓度曲线。分析实验结果可知，C2H6从升温实验初始阶段没有出现，C2H6在温度达到120℃时才开始出现，然后随温度的升高C2H6浓度增加的幅度变大，而后其增加的幅度变小。C2H6对于煤炭进入加速氧化阶段具有一定的表征。

2.5 烯烷比(C2H4/C2H6)与温度变化关系

根据五组煤样的实验结果，得出五组煤样各自烯烷比(C2H4/C2H6)曲线。由图可知，在低温阶段烯烷比为0，当温度达到115℃时烯烷比由零开始突增，其后当温度达到140℃，其值增加幅度有所减小。烯烷比值的变化说明煤体开始进入加速氧化阶段。

图5 五组煤样C2H6浓度及其平均值度随温度的变化曲线

图6 五组煤样烯烷比(C2H4/C2H6)及其平均值随温度变化图

2.7 实验结论

五组煤样从低温开始，经过缓慢氧化、加速氧化阶段各种气体随温度变化出现了一定的变化，根据煤炭自燃标志性气体的选取原则，结合五组煤样程序升温气体浓度变化曲线及煤矿井下的实际条件，选择CO和C2H4作为3号煤层煤炭自燃氧化的标志性气体，C2H6、C2H4/C2H6值作为煤炭自燃辅助预警指标。

3 煤炭自燃分级预警CO指标

根据现场观测与分析并参考相邻矿区的经验，察哈素煤矿31301工作面的CO由以下原因产生:

(1)采空区浮煤氧化;

(2)井下防爆车辆尾气产生;

(3)工作面采煤机割煤过程中局部高温点生产。

其中浮煤氧化为产生CO的主要原因，如果工作面车辆集中，也将造成CO超限。根据相邻矿区的经验结合矿井的实际情况，确定回采工作面回风隅角CO管理按24 ppm管理，日常管理以50 ppm为限，自燃预警浓度按80 ppm进行管控，当CO浓度有升高趋势或大于80 ppm时，必须查明原因，采取措施，将 CO浓度控制不超过80 ppm。

当工作面上隅角的CO浓度大于50ppm时，O2浓度低于18%时，必须设专人监护，人员方可进入端头架和回风顺槽进行作业。当工作面端头架意外 O2浓度低于16%，CO浓度大于50 ppm时，应及时汇报，停止工作，撤出人员，进行处理。

在日常管理中，当上隅角CO达到50ppm时，应每天对上隅角进行抽样分析。当CO浓度连续升高大于5 ppm/天时，应加快工作面推进速度、实施注氮、注浆、均压等措施。

当井下CO浓度超过预警浓度80 ppm时，必须立即通知相关领导。相关人员接到井下CO浓度预警通知时，必须立即查明原因，按照车辆尾气和煤炭自燃等原因进行分别处理。

4 结论

(1)根据煤炭自燃氧化标志性气体的选取原则，结合煤样程序升温实验结果，选择CO和C2H4作为3号煤层煤炭自燃氧化的标志性气体;C2H6、C2H4/C2H6值作为该煤层煤炭自燃辅助预警指标。

(2)煤样在30℃以后开始出现CO，说明煤已经发生低温氧化反应。在115℃ ～120℃左右时开始出现C2H4，C2H4气体具有灵敏性、规律性和可测性。只要检测到C2H4气体，说明此时煤已进入加速氧化阶段。

(3)根据井下具体条件，31301回采工作面回风隅角CO按24 ppm管理，日常管理以50 ppm为限，自燃预警浓度按80 ppm进行管控。

［1］ 肖旸，王振平，马砺，等.煤自燃标志性气体与特征温度的对应关系［J］.煤炭科学技术，2008，36(6):47－51.

［2］ 胡新成，杨胜强，周秀红.煤层自然发火标志性气体研究［J］. 煤炭技术，2012，31(5):94 －96.

［3］ 罗海珠，钱国胤.各煤种自燃发火标志气体指标研究［J］.煤矿安全，2003，34(1):5 －10.

［4］ 张国枢.通风安全学［M］.徐州:中国矿业大学出版社，2007.

［5］ 谢振华，金龙哲，任宝宏.煤炭自燃特性与标志性气体的优选［J］. 煤矿安全，2004，35(2):10－12.

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