高地温矿井煤自燃特性及极限参数试验研究

李国芳 牛红杰 王冬冬

（山东新巨龙能源有限责任公司，山东 菏泽 274918）

煤自燃火灾一直是困扰我国煤炭开采的主要灾害之一[1]。它不仅会烧毁和冻结资源，甚至导致次生灾害造成严重的财产和人员伤亡[2,3]。在我国的煤炭资源开发以及利用的整个过程中，开采深度超过800m已有200多处，超过1000m已有47处，仅山东省就占21处[4]。深井开采由于地温高，煤自燃起始温度高，发火期短。围岩温度升高改变了煤体蓄热条件，煤氧化放热性增强，其中向采空区漏风现象的加重，是由于煤体、工作面风流这两者产生的热风压引起，由此带来了较大的危险性[5]。本文以山东省巨野矿区3煤层煤样为研究对象，采用大型煤自然发火试验测试煤从30℃自燃氧化升温到170℃过程，测定煤自燃过程以及指标气体变化规律。通过计算得到高地温环境中煤自燃特性和自燃极限参数，为采空区自然发火防治提供了指导依据。

1 试验条件及装置

1.1 试验装置

采用新型煤自然发火试验装置研究高地温矿井煤样自燃过程特征及指标性气体变化规律。试验装置如图1所示。

1.2 试验过程

试验使用的煤样为块煤，2t，使用破碎机破碎后装入试验装置，煤样工业分析如表1所示。煤自然发火期为煤样从原始地温升高至发火温度所需实际时间。试验中，炉内煤体最高温度从试验开始29.7℃升至167.9℃，历时69d，除去因停电、降温、维护等客观因素而造成煤自然发火试验时间延长，按原始地温为37.82℃计算，得出煤样自然发火期为46d。

图1 煤自然发火试验装置

表1 煤样工业分析及真密度

2 煤自燃过程及自然发火期

煤样在自然发火试验过程中煤样温度与时间之间的关系如图2所示。

图2 煤样温度与时间之间的关系

由此可以得到，在初期阶段，煤样氧化具有相对较慢的增速，当达到42d以上的通风时间，氧化升温速率开始明显加快，对应临界温度50℃～65℃。试验进行48d之后，煤样氧化升温速率加快，对应为干裂温度105℃～115℃。进行到50.6d时，煤氧化温度对应为活性温度℃140～150℃。当煤体温度超过170℃之后，升温速率急剧升高，在保持较好的通风供氧条件下，煤氧化温度急剧升高，一天左右即可超过350℃，超过燃点。

表2 不同地温时煤自然发火期

煤样自然发火期受到地温的影响，由表2可得，通过试验得到在采空区环境的温度为20℃时，煤样发生自燃的最短自然发火期为59d，随着地温的升高，逐渐减小。当地温升高到42℃时，煤样试验最短自然发火期减少为34d。地温升高22℃，试验最短自然发火期减少了25d。因此，高地温矿井煤自然发火期会显著地缩短，增加了煤出现自燃火灾的危险程度。

3 煤自燃指标气体

随着煤温升高以及氧化程度增加，反应产生气种类和产生量会出现显著变化。因此，确定合适煤自燃特征参数对预测煤自燃程度、对煤自燃预警与防治意义重大。针对新巨龙公司煤样选取CO、C2H6、C2H4等分析，进一步确定合适的煤自燃预报指标气体。

3.1 单一指标气体选择

CO浓度在低温阶段（20℃～80℃）随煤氧化温度升高变化规律如图3，煤自燃全过程中产生气体浓度和供风量与温度关系如图4，C2H4和C2H6产生量与温度的关系如图5。

图3可以得出，在低温阶段，CO气体浓度随温度的增加而不断增加。随着煤温升高，CO气体逐渐增加，超过煤自燃临界温度之后，CO气体产量增长速度明显加快。温度超过110℃以后，CO增长率突然降低，增大供风量稀释了CO气体。由图4可以看出，在煤的氧化过程低温阶段，CO2气体产生量较大，随着煤的氧化温度的升高呈先下降后升高的趋势，在煤的氧化温度为56.5℃时达到最小值。说明煤在低温阶段氧化过程中产生的CO2主要是煤中原有的CO2脱附。

由图5可知，煤样在试验的初始阶段未产生C2H4，C2H4在煤样温度超过80℃后产生，据此可判断C2H4是煤裂解产生的气体。在试验的初始阶段就出现了C2H6，可判断为煤解吸脱附产生的，在超过裂解温度后，裂解产生的C2H6大幅增加。

图3 低温阶段（20℃～80℃）CO的浓度

图4 气体浓度和供风量与温度的关系

图5 C2H4和C2H6产生量与温度的关系

3.2 气体比值

（1）CO2/CO

CO2和CO气体的比值可以用来排除风流变化对煤自燃产生气体的影响，能够更准确地反应煤自燃的程度。在50℃之前，CO2与CO的比值随煤温升高呈现先上升后下降的趋势，在煤温达到50℃左右时比值最大，随后呈下降趋势，煤氧化温度超过100℃之后CO2/CO的比值趋于稳定。

3.3 烯烷比

烯烷比是判定煤自燃程度的重要依据之一，其比值与温度的关系如图7。单一指标气体受井下环境因素影响不能准确判断井下自然发火情况，烯烷比配合其他指标气体能够准确预测煤自燃发展程度。烯烷比随煤的氧化温度升高总体呈现先上升后下降的趋势，烯烷比在120℃左右达到最大值。

图6 CO2/CO比值与温度之间的关系

图7 C2H4/C2H6比值与温度的关系

4 煤自燃极限参数

煤自燃极限参数主要指的是使其实现自燃的外界极限条件，具体分为极限氧浓度、下限漏风强度以及最小浮煤厚度。松散煤体自燃发生的可能有：氧浓度的下限值同环境相比较较大，同上限漏风强度相比较小以及最小煤体厚度小于松散煤体厚度[5]。

式中：

Cmin-松散煤体的下限氧浓度，%；

C1-空气中的氧浓度，%；

Qmax-松散煤体的上限漏风强度，cm/s；

λe- 松散煤体的等效导热系数，J/(cm·s·K)；

hmin-松散煤体的最小浮煤厚度，cm；

q-煤体温度为T时的放热强度，J/(cm3·s)；

T-煤体温度，℃；

Ty-煤体围岩体温度，℃；

Tg-风流温度，℃；

h-松散煤体的煤厚，cm；

Q-漏风强度，cm/s；

Cg- 空气比热容，J/(kg·K)；

ρg-空气的密度，kg/m3。

根据公式（1）到（3）计算得出，同条件下煤样的自燃极限参数呈如下变化规律：

（1）煤样的极限参数中最小浮煤厚度和下限氧浓度随着煤样温度的升高，数值体现为先上升后下降的变化趋势，在达到最大值后迅速减少。

（2）上限漏风强度同煤温之间具有一定关系，温度的不断升高，会使上限漏风强度先下降后上升；当煤的氧化温度高于100℃以后，上限漏风强度迅速上升。煤自燃极限参数在50℃～60℃达到极值。

（3）煤样的临界温度与煤自燃极值点温度基本上相似。根本的原因就是煤温升高的过程中，同环境温度的差值就会增大，因此需要大量的散热；处于临界点之前的氧化放热具有相对较小的增加幅度，对氧化放热量、散热量的增长率两者相比较，前者相对较小，达到临界点时，氧化速率就会出现明显的增加，同时带来其放热量的上升，带来增长率的翻转。

（4）煤的极限参数极值点的温度同煤化程度具有正相关关系，根本原因就是氧化程度的不断升高，带来临界点温度的增加，相反处于低温环境下，氧化性也就相应的比较低。

5 结论

（1）采用煤自然发火试验研究得到高地温环境煤自燃特性，得到随着地温的升高煤的上限漏风强度自然发火期显著缩短，在地温为42℃时，煤自然发火期相比地温为20℃时，煤样上限漏风强度自然发火期减少25d。

（2）利用煤自然发火试验装置得出煤自燃指标气体（CO、C2H4、C2H4/C2H6）及其对应特征温度，测定了煤自燃特征参数，为煤自燃火灾的监测预警提供依据。

（3）煤的下限氧浓度及最小浮煤厚度随着煤温升高，呈现先上升后下降的趋势；煤的上限漏风强度随着煤温升高，表现为先下降后上升的趋势，煤的自燃极限参数的极值出现温度与煤的临界温度相近。