煤自燃预测预报多参数指标体系研究*

王福生，王建涛，顾 亮，刘 鹏，孙 超，王 川

(1.华北理工大学 矿业工程学院，河北 唐山 063210；2.河北省矿业开发与安全技术重点实验室，河北 唐山 063210；3.开滦(集团)有限责任公司 东欢坨矿业分公司，河北 唐山 063018)

0 引言

煤炭自然发火是矿井的主要灾害之一[1-2]。矿井火灾分为内因火灾和外因火灾，其中内因火灾占矿井火灾总数的90%，因此对矿井煤自燃进行准确预测预报极为重要。

煤自燃过程实际上是煤结构中各种基团的复杂反应过程，该过程表现出了良好的分段特征[3]，因此对煤自燃进行分阶段预测预报可提高其结果的准确性。目前，主要根据CO，C2H4等标志性气体的产生温度点及其浓度随温度变化的特征温度点对煤自燃阶段进行划分[4-7]。煤炭自然发火早期预报主要采用气体分析法，大多以O2，CO，CO2和其派生指标以及烯烷比和链烷比作为指标对单个煤层煤自燃预测预报进行研究[8-12]。经测算，在自燃氧化初期，空气中所含的CO2占实验测得的CO2总量的比重很大，这就会使得以CO2作为指标因素时，风量变化对预测结果造成极大的影响，故本文引入N2浓度值，推导出煤自燃氧化实际反应产生的CO2含量，提出了可以将CO生成量与CO2生成量之和作为煤自燃预报指标，该指标不仅能够有效地消除风量变化的影响，而且贯穿煤自燃氧化过程始终。

煤矿一般由多个煤层组成，同一煤矿不同煤层的煤种所具有的自燃氧化特性不同，因此对于整个矿井的火灾防治，应根据各煤层煤种的自燃氧化特性，对各煤层分别建立预测预报指标体系。本文以东欢坨矿5煤层、7煤层、8煤层、9煤层、11煤层和12煤层煤样为研究对象，采用程序升温-气相色谱联用实验，通过对各指标气体随温度的变化情况进行分析，以探究同一煤矿不同煤层煤自燃的共性规律，划分其自燃氧化阶段，并确定各阶段适用的预测指标及其范围，建立整个煤矿煤自燃预测预报多参数指标综合体系，进而运用灰色关联分析法对各煤层煤自燃不同阶段预测指标优先级加以确定，最终设计全矿井煤自燃预报指示方案。研究成果不仅可以提高煤矿自燃预测预报结果的准确性，而且具有良好的可操作性，为煤矿防灭火工作提供了一定的理论指导和参考。

1 煤自燃程序升温氧化实验

1.1 实验设备和样品采集

实验装置是由自制的程序升温箱和KSS-5690A型号气相色谱仪组成，如图1所示。分别从东欢坨矿的5煤层(1#)、7煤层(2#)、8煤层(3#)、9煤层(4#)、11煤层(5#)、12煤层(6#)采集6种煤样。煤样直接采自煤壁，采样前，剥去煤层表面的氧化层，力求新鲜。将采好的煤样放入多层塑料防水密封袋内，在煤样袋的标签上做好采集地点记录，整理好后运回实验室，以备分析使用。

图1 实验装置Fig.1 Experimentalsetup diagram

1.2 实验流程

1)将东欢坨矿采集的6个煤层的新鲜煤样破碎筛分出粒径为60～80目的煤粒密封保存，隔绝空气与水分。

2)将煤样置于室温、真空条件下干燥24 h后，利用电子天平称量80 g干燥煤样装入煤样罐中，以100 mL/min的稳定流量向程序升温反应炉内通入高纯氮气，维持该运行状态大于5 min，以尽量脱除设备中存留的气体。

3)将程序升温炉温度设置成27℃，并在此温度下恒温运行，维持该状态至煤样温度稳定在27℃且分布均匀。

4)将通入的氮气流切换为100 mL/min的压缩空气，程序升温箱设为0.5℃/min的程序升温模式，当煤体温度达到30℃时开始测定，160℃之前用气相色谱仪每隔10℃对气样组分和浓度进行分析一次，之后每隔20℃分析一次。煤温达到260℃后，终止实验。

2 各煤样自燃阶段划分及温度范围确定

通过各煤样程序升温氧化实验，测得在煤自燃氧化过程中有CO2，CO，CH4，C2H6，C2H4产生，并伴随O2消耗。利用Origin软件绘制了各气体组分浓度随温度变化的曲线，通过分析各气体浓度随温度的变化规律，结合煤自然发火程度量化识别指标[7]进而划分煤自燃阶段，并确定各煤层煤自燃不同阶段的温度范围。

2.1 非烃类气体浓度随温度的变化规律

1) O2，CO和CO2浓度随温度变化的曲线如图2所示。

在煤自燃初期，无CO产生，但CO2浓度随温度已呈现递增趋势，O2含量下降，说明该阶段已经发生了煤氧复合反应，当1#～6#煤样温度分别到达80，100，70，70，80，80℃时，开始产生CO气体。

图2 O2，CO和CO2浓度随温度变化的曲线Fig.2 The concentration of O2, CO and CO2 varying with temperature

2)随着温度的升高，CO浓度呈指数形式递增，当1#～6#煤样温度分别到达100，120，110，100，120，110℃时，CO产生速率发生突变，且O2含量急剧下降，则该温度为煤自燃的临界温度，之后各煤样自燃进入临界加速阶段。

2.2 烃类气体浓度随温度的变化规律

1)CH4，C2H6和C2H4浓度随温度变化的曲线如图3所示。

煤本身附存有少量的CH4和C2H6，由图3(a)、3(b)可知，各煤样受热解吸释放出CH4和C2H6的温度较高。随着温度的升高，CH4和C2H6浓度呈现递增趋势，但无明显的分段特征，无法分辨这2种气体的来源，故不能将其作为划分煤自燃阶段的标志气体。

图3 CH4，C2H6和C2H4浓度随温度变化的曲线Fig.3 The concentration of CH4, C2H6 and C2H4 varying with temperature

2)C2H4出现的温度点即为煤自燃的干裂温度点，当有C2H4出现时，则说明煤内部结构的侧链、桥键等小分子开始裂解[13]，可将其作为煤自燃进入热解裂变阶段的标志气体。由图3(c)可得，1#～6#煤样C2H4出现的温度分别为180，160，140，150，150，160℃，之后进入热解裂变阶段。

3)各煤样升温氧化过程中，均无C2H2等炔烃气体产生，说明煤内部的苯环结构未发生断裂，则260℃并未达到各煤样的裂变温度。

2.3 各煤样自燃阶段温度范围确定

由各标志气体浓度随温度的变化规律可知，同一煤矿不同煤层的煤种所具有的自燃氧化特性不同，由各煤样升温氧化过程中CO和C2H4出现温度点综合判定可得东欢坨矿各煤层煤自燃氧化优先级为：8煤层>9煤层>12煤层>11煤层>5煤层>7煤层；各煤样自燃过程中，各标志性气体产生的顺序基本一致，故可根据CO出现温度点、CO产生速率突变温度点和干裂温度点将各煤层煤自燃氧化过程划分为4个阶段：初期氧化阶段、缓慢自热阶段、临界加速阶段和热解裂变阶段，并根据各煤样程序升温氧化实验分析结果确定各煤层煤自燃不同阶段的温度范围，如表1所示。

表1 各煤层煤自燃不同阶段温度范围Table1 The different temperature range of each coal ℃

3 各阶段煤自燃预测指标分析

3.1 煤自燃CO2生成量计算

由煤自燃氧化过程中CO和CO2气体产生情况可知：在煤自燃氧化前期，尾气所含空气中的CO2占尾气中CO2总量的比重大，但无CO产生；在煤自燃氧化后期，CO含量呈指数升高，但尾气所含空气中的CO2占尾气中CO2总量的比重很小，故可排除煤与空气中的CO2发生还原反应生成CO的干扰。若去除空气中的CO2，不仅可消除风量变化对预测结果的影响，而且根据煤自燃氧化气相产物的生成途径[14]可知，得到的CO和CO2皆由煤中内在含氧官能团热分解和煤中活性位点与氧气氧化反应释放以及CO与CO2的相互转化反应产生，因此，CO生成量φCO与CO2生成量φCO2之和能够反映不同煤种在相同氧气环境下的自燃氧化能力，CO生成量φCO与CO2生成量φCO2比值能够反映煤种在不同温度时的自燃氧化特性。CO2生成量计算公式如式(1)所示：

φCO2=cCO2-cN2/k

(1)

式中：φCO2为CO2生成量，%；cCO2为尾气中的CO2浓度，%；cN2为尾气中的N2浓度，%；k为测定的空气中N2与CO2浓度的比值。

3.2 各阶段煤自燃预测指标确定

煤自燃预测预报应尽量消除风量变化的影响，故东欢坨矿煤自燃预测预报可选用的指标主要有φCO+φCO2(R1)，φCO/φCO2(R2)，ΔCO/ΔO2(Graham指数)，φC2H4/φC2H6(烯烷比)以及φC2H6/φCH4(链烷比)，利用Origin软件绘制出各指标随温度变化的曲线，如图4～5所示。

由图4可知，在各煤样自燃氧化过程中，指标R1(贯穿始终)，R2，Graham指数和烯烷比随温度升高呈单调递增趋势，符合煤自然发火预测预报指标气体优选原则[15]，故可将其作为各煤层煤自燃预测指标。由图5可知，链烷比随温度升高呈先增后减的趋势，虽无单调性，但其达到极大值的温度点稍晚于干裂温度点，故可将其作为煤自燃已处于热解裂变阶段的辅助预报指标。

依据升温氧化实验数据，分析东欢坨矿各煤层不同自燃阶段适用的预测指标：

1)在初期氧化阶段(30～100℃左右)，只有CO2生成，故适用于此阶段的预测指标为R1。

图4 R1，R2，Graham指数和烯烷比随温度变化的曲线Fig.4 R1,R2, Graham index and φC2H4/φC2H6varying with temperature

图5 链烷比随温度变化的曲线Fig.5 φC2H6/φCH4varying with temperature

2)在缓慢自热阶段(80～120℃左右)，生成的气体有CO(开始生成)，CO2，故适用于此阶段的预测指标为R1，R2和Graham指数。

3)在临界加速阶段(100～180℃左右)，主要生成的气体有CO，CO2，故适用于此阶段的预测指标为R1，R2和Graham指数。

4)在热解裂变阶段(140℃以上)，主要生成的气体有CO，CO2，CH4，C2H6，C2H4(开始生成)，故适用于此阶段的预测预报指标为R1，R2，Graham指数、烯烷比和链烷比。

4 各煤层煤自燃预测预报多参数指标体系建立

依据升温氧化实验数据确定了适用于东欢坨矿各煤层不同自燃阶段的预测指标，根据各煤层煤自燃不同阶段的温度范围可得出各阶段煤自燃预测指标的对应范围，进而建立东欢坨矿各煤层煤自燃预测预报多参数指标综合体系，如表2所示。

5 各煤层煤自燃指标预报指示方案设计

在缓慢自热阶段、临界加速阶段和热解裂变阶段，各标志性气体均已逐渐出现，但由多指标对煤自燃综合预测时，各指标的预报结果有可能产生矛盾，此时做出科学、准确的决策是关键所在。为避免煤自燃误报或漏报情况的发生，故应区分出各预测指标的主次关系。灰色关联分析法恰是确定各指标因素相对于预测对象的可信度的一种方法[16-17],该方法对于各煤层预测指标优先级研究十分适用。

5.1 灰色关联分析一般计算步骤

1)确定系统参考序列和系统比较序列

X0=[x0(1),x0(2),…,x0(k),…,x0(n)]

(2)

Xi=[xi(1),xi(2),…,xi(k),…,xi(n)]

(3)

式中：x0(k)，xi(k)分别为系统参考序列和第i个系统比较序列在第k次试验时的数据。

2)求各序列的均值象(即无量纲化处理)

(4)

(5)

3)求差序列

Δi(k)=x′0(k)-x′i(k)>
(k=1,2,…,n；i=1,2,…,n)

(6)

4)求关联系数

(k=1,2,…,n；i=1,2,…,n)

(7)

5)计算关联度(可信度)

(k=1,2,…,n；i=1,2,…,n) (8)

注：当链烷比达到或超过表中的值时，说明该煤层煤自燃已处于热解裂变阶段。

5.2 各煤层不同阶段预测指标可信度计算

运用灰色关联分析法，通过计算各煤层不同阶段各预测指标与煤温之间的关联度进而可对其可信度进行排序。以各自燃阶段煤温为参考序列，对应各预测指标为比较序列，各煤层煤自燃不同阶段预测指标可信度计算结果如表3所示。由表3可得，同一煤矿的不同煤层煤自燃预测指标预报优先级相同。

表3 各煤层煤自燃预测指标预报优先级及对应可信度Table3 The priority and credibility of prediction of coal spontaneous combustion in each coal seam

5.3 煤自燃预报指示方案

经分析，各煤层煤自燃缓慢自热阶段、临界加速阶段和热解裂变阶段可信度最高的预测指标皆为R2，其次是Graham指数。基于同一矿井各煤层煤自燃标志性气体产生的顺序一致的特点，其煤自燃预报指示方案如下：①若未检测到CO气体出现，但经计算发现已有CO2生成，说明煤自燃处于初期氧化阶段(Ⅰ)。②当检测到CO气体出现且未发现C2H4气体时，则说明该煤层煤自燃可能处于缓慢自热阶段(Ⅱ)或临界加速阶段(Ⅲ)，若用于此阶段的各指标值均处于表2中所列的Ⅱ(Ⅲ)阶段范围内，则可以确定其煤自燃已处于Ⅱ(Ⅲ)阶段；若指标R2值处于Ⅱ(Ⅲ)阶段范围而其他指标的预报结果与其产生矛盾，则优先选择相信指标R2的预报结果，判定此时煤自燃处于Ⅱ(Ⅲ)阶段；若指标R2值处于本应检测到C2H4气体才能达到的热解裂变阶段(Ⅳ)范围内，则应综合考虑Graham指数：若G值也处于Ⅳ阶段范围内，则煤自燃可能处于热解裂变阶段初期，由于C2H4气体生成量很小且被风流稀释而未被检测识别，为避免后续煤自燃无法控制，此时应立即寻找高温点防患于未然；若G值处于Ⅱ(Ⅲ)阶段范围，则说明指标R2异常，此时判定煤自燃处于Ⅱ(Ⅲ)阶段。③当检测到C2H4气体出现时，应立即寻找高温点，并根据表3中的预测指标优先级结合表1和表2综合判定煤自燃程度，进而采取相应防灭火处理措施。

6 结论

1)同一煤矿不同煤层的煤种所具有的自燃氧化特性不同，东欢坨矿各煤层煤自燃氧化优先级为：8煤层>9煤层>12煤层>11煤层>5煤层>7煤层。

2)同一煤矿不同煤层煤的自燃氧化过程中，各标志性气体产生的顺序基本一致，根据CO出现温度点、CO产生速率突变温度点和干裂温度点可将煤自燃划分为4个阶段：初期氧化阶段、缓慢自热阶段、临界加速阶段和热解裂变阶段，并确定了各煤层煤自燃不同阶段的温度范围。

3)初期氧化阶段的预测指标为R1，缓慢自热阶段的预测指标为R1，R2和Graham指数；临界加速阶段的预测指标为R1，R2和Graham指数；热解裂变阶段的预测指标为R1，R2，Graham指数、烯烷比和链烷比。同一煤矿的不同煤层煤自燃预测指标预报优先级相同，各煤层煤自燃缓慢自热阶段、临界加速阶段和热解裂变阶段可信度最高的预测指标皆为R2，其次是Graham指数。

4)根据各煤层煤自燃不同阶段的温度范围得出了各阶段煤自燃预测指标的对应范围，进而建立了东欢坨矿各煤层煤自燃预测预报多参数指标综合体系，根据煤自燃预报指示方案各指标联合运用，相互对照，极大程度地提高了煤矿煤自燃预测预报结果的准确性。

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