采空区煤炭自然发火标志性气体实验研究及确定

贾文东

（同煤集团挖金湾虎龙沟煤业有限公司，山西 大同037042）

1 引言

采空区煤炭自然发火是煤矿开采的主要危害之一，在煤炭自燃灾害发生的早期阶段对其进行预警是矿工生产中井下防灭火工作的基础[1-3]，只有做到了准确、适时地对煤层火灾进行预报，才能及时采取预防煤层火灾措施[4,5]。煤的燃烧是一个化学变化的过程，期间会放出多种气体。所以在进行煤炭自然发火预测的时候，可以利用这个原理对气体变化进行监测，去推测自燃煤所处阶段，这个技术中，最重要的是指标性气体的确定，这关乎着整个防灭火工作的成败[6,7]。

为了解某矿5#煤自然发火标志性气体，选取5#煤层81503工作面煤样进行自然发火标志性气体指标实验研究。

2 实验方案及结果

煤自燃过程伴随热量释放与积聚，从分子化学的角度来看，其内部的煤基质受外部环境影响，发生了化学反映。分子的桥键发生断裂，并与存在的自由基分子发生化学合成作用，重新组合形成了多种产物，其中最主要的气体产物是CO、CH4、C2H4以及C2H6。

2.1 实验方案

煤样采于该矿5#煤层，粉碎、筛分后，选取粒径为0～80 目的煤粒80 g，运用实验室中的智能煤升温氧化实验装置，如图1 所示，对所取煤样进行程序升温-气象色谱实验研究。根据以往经验和防灭火要求，指标性气体的监测主要为CO、CH4、C2H4以及C2H6。

图1 智能煤升温氧化实验装置示意图

该矿井下温度一年中时常稳定于25℃左右，并且按照煤体自燃氧化过程发展客观趋势以及该煤矿特定的防灭火要求，进行30℃常温条件及连续升温条件下煤炭自燃氧化规律实验，明确自燃标志性气体。

2.2 煤升温氧化实验结果

2.2.1 30℃温度条件下的煤样氧化实验

实验中，维持温度为30℃，以供风量为变量，将供风量设置为50 mL/min、80 mL/min、125 mL/min 以及165 mL/min，相当于实时风速为0.1 m/min～0.32 m/min，并且设置通风时间270 min，通过改变供风量进行煤样氧化实验。图2为整个不同漏风强度下CO变化。

图2 30℃不同漏风强度下CO变化曲线

从图2可以看出：在保持温度为30℃，改变供风量的实验情况下，CO产生量在相应供风量条件下变化不大，除空气流量在80 mL/min 时CO气体浓度略有上升外，其余实验条件下，CO 产生量变化趋势均与供风量的增大呈现反比，并且不同条件下，CO 产生量浓度差较小，没有出现大的变化，趋于稳定。在相应的供风量情况下，实验过程中CO释放量差距变化不大，差距最大仅为10 ppm。

通过实验分析可以看出，当该矿煤样供风量在50 mL/min，相当于采空区实时风速达到0.10 mL/min 时，煤样CO产生量最大，达到了平均每分钟产生15.0 mL，但是随着时间的变化，煤样氧化程度在呈现着逐渐降低的趋势。这个现象说明该矿所取煤层煤样在此实验情况下，氧化自燃能力最强。所以应进行供风量为50 mL/min的程序升温煤样氧化分析。

图3 30℃氧化实验风速与CO浓度关系表

图3 可看出，随着供风量的增强，实验中煤样的CO 释放量在呈现着逐渐减少趋势。说明此矿5#煤层煤样在供风量条件为50 mL/min～80 mL/min，相当于采空区实时风速达到0.1 mL/min～0.17 mL/min的情况下，氧化自然发火能力达到了最强。这个阶段的时候，发生煤炭自燃的危险性较高。当供风量是156 mL/min，就是说，采空区风速为0.34 mL/min 的时候，该矿煤样氧化能力较弱，CO最大释放量仅为8 ppm左右。

2.2.2 煤样程序升温实验结果及分析

从试验装置供风系统向程序升温箱进行新鲜风流的供应，当设置供风量是的时候，进行正常氧浓度下实验，对该矿所取煤样的氧化速度和指标性气体的变化情况的温度极限进行研究。下图描述了在实验进行的全过程中所产生的CO 的变化趋势，能够反映温度的提升与CO生成量之间的相关关系。

图4 煤样氧化升温过程CO的变化情况

由图4 可以看出，实验温度升至30℃的时候煤样开始释放CO 气体，且浓度只有5 ppm。在温度升至67℃之前，CO 浓度的增幅均是比较平缓的，仅在19 ppm～135 ppm 之间，当实验温度升至68℃时，气体浓度发生急剧增加，浓度达到了280 ppm，到73.5℃时CO浓度达到324 ppm；在温度为73.5℃～113.4℃的阶段，CO 释放量的变化出现了急剧上升的增长趋势，CO 的浓度从原来的200 ppm 左右直接上升到了1 300 ppm左右，达到了上个阶段浓度的6倍。

由此可以看出，CO气体的生成量随着温度是在逐渐增加的。但是在此过程中，CO增幅并不是均匀变化的，当达到某个温度值时会出现突变。从图中可以看到，在38℃时就出现了CO，浓度在几十个ppm左右，在70℃左右时CO 出现了第一次急剧增加的现象；在100℃左右时CO出现了第二次急剧上升的趋势。

图5 煤样氧化升温C2H2、C2H4变化情况

由图5 可以看出，温度为262.8℃时C2H2首次出现，此后逐步消失；C2H4在温度为101℃的时候第一次检测到，并且在温度为175℃之前，C2H4释放量的增长是较为缓慢的，在101℃～170℃时释放量浓度的增加幅度较小，在温度达到180℃以后增加幅度加快，当温度达到200℃左右的时候，C2H4释放量出现了急剧上升的变化趋势，到262.8℃时，C2H4释放量达到了188.38 ppm，在此之后阶段虽然释放量随温度的升高在继续增加，但幅度不大。C2H4最高浓度达到了330.61 ppm。

图6 煤样氧化升温过程C2H6的变化情况

由图6可以看出，C2H6在152.3℃开始出现，升温氧化过程中随着温度的升高增加，没有明显变化拐点。

3 自然发火标志性气体分析

结合实验室实验分析以及该煤矿实际开采条件，当煤样程序升温氧化试验到达了煤基质热裂分解反应时，该矿煤样所释放气体主要由以上分析的4 种。从上述分析中可以看出，在进行煤自燃灾害预报的时候选择指标性气体应该采用以CO 为主，C2H4为辅的指标预测体系。

3.1 CO气体

（1）当温度达到30℃的时候，开始出现了CO，但是，CO浓度较低，大约在十几ppm，此状况说明，所取煤样在这个温度的情况下就已经发生了低温氧化情况，开始释放CO气体。但是，如果随着时间的推移，CO浓度没有出现持续增加的现象，说明这个时候位于采空区内的遗煤,只是处于氧化升温的前期，没有火灾发展趋势，不需要采取防灭火措施；

（2）当以CO 气体为指标气体进行预报时，要在煤样氧化第一个阶段之前（70℃）进行。因为，当煤炭氧化程度到达一级氧化阶段后，其能力将迅速增强，氧化速度急剧增加，若此时才预报，为时已晚，已不能够准时对煤炭自燃进行防治；

（3）在该矿井煤炭防灭火实际工作中，当采用CO作为该矿煤层预测预报煤炭氧化自燃标志性气体时，相应的温度与CO 释放量、CO 释放速率等相关参数指标如表1所示。

表1 煤炭氧化自燃标志性气体参数

以CO 氧化速率增幅为标志：介于1.5～2 ppm/℃时，应进行预报，当增幅超过2 ppm/℃，要采取强制措施；以CO 气体浓度为标志：介于20 ppm～80 ppm，应进行预报，当度大于80 ppm～120 ppm时应采取措施。

3.2 C2H4 气体

C2H4可以当做辅助性的指标性气体在进行该矿煤炭自然发火预测时发挥作用。一句以上程序升温氧化实验结果可以看出，当实验温度达到100.9℃开始出现，随着实验温度的逐渐增大，C2H4的产生量逐渐增大，并且在180℃阶段出现了陡增。所以在以该气体进行预测预报的时候，若开始出现C2H4，且其浓度在逐渐增大，可以认为这是该矿煤炭开始出现自燃发火的征兆，并且采空区内温度已经达到了100℃以上的高温，应尽快采取措施，防止灾害的发生。

4 结论

结合实验室实验以及该煤矿实际开采现场分析，能够得到以下结论：

（1）当温度为30℃的时候，该矿井5#煤层煤样能够释放出CO气体。

（2）该矿煤层工作面，当采空区漏风强度达到每分钟0.1 mL～0.2 mL的时候，煤炭氧化程度较为强烈，采空区遗煤更倾向于自然发火。

（3）当采空区温度在30℃～50℃时，煤炭氧化时候的CO 释放量与温度呈现出了正相关的关系，且增幅较大。温度继续增加，当上升至70℃的时候，CO 释放量急剧增加。50℃～70℃时期是自燃预报与防治主要时期。

（4）该矿应采用以CO气体为主，以C2H4气体为辅的预测自燃气体指标。