不同煤种自燃指标气体优化研究

王月红，周宁，张九零，朱壮

(华北理工大学 矿业工程学院，河北 唐山 063009)

0 引 言

煤自燃是近年来煤矿安全领域中的重要研究内容，煤层即将燃烧前能够及时发出预警是研究煤炭自然发火规律的关键，预警不仅保证了安全管理人员有时间去采取有效的措施将火灾事故消灭在发生之前，而且还能更好地保护矿业资源及井下工作人员的生命安全。其中，选取正确的自燃预测指标气体成为最关键的问题。从目前的研究看，赵婧昱等[1]、武福生[2]、许崇帮等[3]、刘宝志[4]、秦红星等[5]注重运用控制试验变量来改变对煤自燃试验的环境条件，其中升温速率、干空气流量和氧气体积分数等试验变量则被用来确定煤在外界环境影响下的自燃指标气体。指标气体的研究结果显示，多数煤种以CO，C2H6，CH4，C2H4等气体体积分数作为现场火灾预警的辅助参考指标[6-9]。为了排除环境条件的影响因素，一些学者应用复合指标气体预测法判断矿井下的煤层是否发生自燃。骆大勇[10]，杨朔等[11]、任江朋[12]、安帮等[13]、宁政权[14]研究煤样在氧化过程中的不同温度阶段复合指标气体释放规律，其中O2/(CO+CO2)、C2H6/C2H4、CO2/CO与O2/CO2等复合指标气体在特定温度条件下受试验条件影响较小。众多学者通过试验得到了各煤种相对应的自燃指标气体，却忽略了因选择预测指标气体过多，在现实操作当中会偶尔出现预测结果出现较大偏差的问题。为了更好地应用指标体系，就需要判断各指标气体与温度的关联程度。本文应用灰色关联法，对各自燃指标气体体积分数随温度的变化规律进行探讨，依据所得关联度值大小对各指标气体由大到小依次排序，关联度越大，证明此指标气体预测预报结果就越接近真实情况。最后通过一系列计算优化，使整个体系具有更佳的实用性和更好的准确性。

1 试 验

1.1 煤样制备

按照《煤层煤样采取方法》(GB/T 482-2008)，在山西常村、范各庄、东欢坨、内蒙古以及崔矿采取试验所需煤样。选取大块煤，剥去表面氧化层，然后用颚式破碎机将其破碎，筛分，得到煤粉均径为0.097 5 mm的煤样，将制备好的煤样用量杯测量其体积后用电子天平称取80 g，立即装入样品袋中，保证煤样新鲜，尽量减少空气氧化影响。

1.2 工业分析

工业分析试验是探究煤质特点的基础性试验。利用煤样工业分析试验结果，可得出煤种的基本参数。通过对试验结果分析，为煤自然发火预防工作以及采空区自然发火预报体系提供依据。本文利用5E-MAG6700全自动工业分析仪对试验煤样进行工业分析试验，其结果如表1所示。

表1 各煤样工业分析结果

由表1可以得出，伴随煤种变质程度逐渐降低，其水分含量依次增加，其中山西常村无烟煤水分质量分数为0.98%，崔矿褐煤水分质量分数为13.70%；煤种中挥发分随煤种变质程度降低不断增加，山西常村无烟煤中挥发分最低为12.25%，崔矿褐煤挥发分最高为29.09%；煤种中固定碳含量随煤种变质程度的降低不断减少。山西常村无烟煤中固定碳质量分数最高为74.88%，崔矿褐煤固定碳质量分数为48.23%。试验中各煤样均呈现良好的变质程度差异性。

1.3 氧化升温试验

本次氧化升温试验的主要设备是KSS-5690A型气相色谱仪和升温氧化炉，具体的试验操作过程：取出用电子秤精确称量的80 g煤样，均匀装入煤样反应罐，将装好的反应罐与装置的进出气路接好，并用气泡水对各个管路口进行气密性检测，打开控温装置，运用程序升温软件进行试验。试验过程中，为了保证试验的精密度，要时刻关注煤样的温度变化，电脑系统记录煤样从反应罐产生的气体组分及质量分数，每升高10 ℃测量1次，煤样在炉中氧化升温到280 ℃时结束试验。

2 结果与分析

通过氧化升温试验以及气相色谱分析，整理出不同变质程度煤样升温氧化试验产生的不同气体体积分数与温度变化的规律，结合煤自燃指标气体选取原则[15]筛选煤的自燃预测指标气体。

2.1 非烃类气体体积分数变化规律

(1)CO气体。由图1可知，最早出现CO气体的煤样为崔矿褐煤，最晚出现CO气体的煤样为山西常村无烟煤。随着煤种变质程度加深，CO出现的时间逐渐延长。在相同升温速率、通风等试验条件下，煤样变质程度越浅，其释放的CO体积分数在同一温度下越高。

图1 CO，CO2，和O2体积分数随温度变化曲线

(2)CO2气体。CO2在各种煤样中都有附着情况，30 ℃时均有CO2气体释放出来。在试验中监测到的CO2气体，一部分来自于煤样升温时释放出来附着的CO2，另一部分则来自于温度升高，煤样开始发生氧化反应产生的CO2。由于自身附着的CO2含量高，则无法单独准确表征煤自燃的状态。

(3)O2气体。在本次升温氧化试验中，是将空气通入煤样罐内使煤样发生氧化反应，所以，开始监测时(30 ℃)O2就已经出现，由于煤样升温氧化时，煤中含碳有机物和O2发生反应，所以O2含量的变化呈现出很好的规律性。煤样随着温度升高，氧气消耗量持续增长；煤种变质程度越浅，其耗氧量就越高。因此，O2可以作为本次试验的自燃指标气体进行研究。

2.2 烃类气体体积分数变化规律

(1)CH4气体。由于山西常村无烟煤以及东欢坨气煤都附着CH4且该气体出现最大体积分数的时间较晚(图2)，不能单一作为各煤种自燃指标气体。

(2)C2H4气体。作为不饱和烯烃，是煤样在升温氧化过程中得到的一种产物，且在原始煤层中不存在附着现象。C2H4出现的温度以及释放量随着温度升高不断加大；随着变质程度的降低，该气体出现的温度也随之降低，释放量也越大，具有很好的规律性。可以作为本次试验的自燃指标气体。

图2 CH4，C2H4和C2H6体积分数随温度变化曲线

(3)C2H6气体。5种煤样中都可以监测到C2H6气体，特别是山西常村无烟煤最为明显，如图3所示。山西常村无烟煤在试验刚刚进行监测即30 ℃时，就已经监测到C2H6存在，这说明山西常村无烟煤中附着有C2H6，随着温度升高，C2H6释放出来。剩余4种煤样均呈现出相同趋势，只是由于变质程度不同，内部结构差异，气体出现的温度以及释放量有所差别，但不影响整体趋势。所以C2H6可以作为本次试验中除山西常村无烟煤以外的崔矿褐煤、内蒙古长焰煤、东欢坨气煤、范各庄3551肥煤的自燃指标气体。

2.3 气体体积分数比值规律分析

(1)烷烯比φ(C2H6)/φ(C2H4)。山西常村无烟煤在升温氧化前阶段有大量自身附着的C2H6释放，所以C2H6不适合作为山西常村无烟煤自燃的指标气体。但如果应用烷烯比，就可以避免前期附着的C2H6干扰。因为当出现C2H4气体时，附着在煤样上的C2H6已经迅速降低。

图3 烷烯比与链烷比随温度变化曲线

事实证明，对于各煤种煤样而言，烷烯比数值和煤样升温均具有很好的规律性，可以作为本次试验煤的自燃指标气体。

(2)链烷比φ((C2H6)/φ(CH4)。山西常村无烟煤、东欢坨气煤等在升温氧化前阶段有大量自身附着的CH4释放；同时，山西常村无烟煤还附着大量的C2H6，这些原因导致各煤种煤样的链烷比随着温度升高未呈现出稳定的规律，所以本次试验不以链烷比作为煤自燃的指标气体。

依据煤自燃指标气体选取原则，初步筛选出的指标气体如表2所示。表2中“√”表示该种气体为选定的煤自燃指标气体；“×”表示该种气体不作为本次煤自燃指标气体的研究对象。

表2 不同煤样煤自燃指标气体

3 自燃发火指标气体灰色关联分析

由于指标体系中含有不同的指标气体，某些外界因素可能会导致某个指标气体与其他指标气体之间存在着矛盾。因此，就需要确定以哪一个指标气体为主，哪一个指标气体为辅，哪一个指标气体应该放弃。自燃前阶段是预防煤自燃的关键时期。所以有必要利用灰色关联分析确定这一阶段哪种指标气体具有更高的可靠度，从而使整个指标气体系统更加完善。

3.1 灰色关联分析的基本步骤

(1)确定反映系统行为特征的参考温度(t)数列和影响系统行为的煤升温氧化过程中的指标气体为比较序列。

Yi=[yi(1),yi(2),…,yi(n)]，

Xi=[xj(1),xj(2),…,xj(n)]，

(1)

式中,yi(n),xj(n),分别为第n次试验中第i个参考序列和第j个比较数列的数据。

(2)对参考数列和比较数列进行无量纲化处理。

(2)

(3)求参考数列与比较数列的灰色关联系数ξi(k)。

ξi(k)=min|imin|k‖t(k)|Xi(k)|+ξmax

|imax|k|t(k)|Xi(k)‖/(|t(k)|xi(k)|+

ξmax|imax|k|t(k)|Xi(k)|),

(3)

式中：ξi(k)为Xi对t在k时刻的灰色关联系数；ξ为分辨系数，一般在0～1间，通常取0.5。

(4)求关联度ri。

(5)关联度排序。

3.2 量化分析讨论

利用灰色关联分析，对各煤样的指标气体与温度依次进行灰色关联分析，得到本次试验不同煤种指标气体灰色关联度，通过计算，得到本次试验各变质程度煤样指标气体灰色关联度，如表3所示。表3中“×”表示该种气体不作为本次煤自燃指标气体的研究对象。

表3 不同煤样指标气体灰色关联度

由以上对灰色关联分析可知，当灰色关联度越大，则说明该指标气体与煤自燃氧化升温发展的程度越拟合，越能代表此时煤层(堆)的状态。

从表3可知：山西常村无烟煤在升温氧化中期，气体预测灰色关联度大小排序为rO2>rCO>r烷烯比>rC2H4。但由于O2一直存在于煤层(堆)周围的气体中，只能依靠其体积分数变化加以判断，这无疑使现场实际监测仪器和工作量增加，所以若井下满足监测条件，则选择O2作为指标气体，反之不予采用。因此，在山西常村无烟煤升温氧化的中期阶段首选预测指标为CO，第二预测指标为烷烯比，第三预测指标为C2H4。

同理，由表3可知，其他4种不同变质程度煤样在煤自燃升温氧化中期指标气体的灰色关联大小关系。范各庄3551肥煤气体预测灰色关联度排序依次为rC2H6>rCO>r烷烯比>rC2H4；东欢坨气煤依次为rC2H6>rC2H4>r烷烯比>rCO；内蒙古长焰煤依次为rC2H6>rCO>r烷烯比>rC2H4；崔矿褐煤依次为r烷烯比>rCO>rC2H4>rC2H6。

4 结 论

(1)参照指标气体的选取特征，排除气体附着在煤体导致的干扰现场火灾监测预警情况，过滤CO2，CH4和链烷比这3个参数指标。

(2)随着温度升高，除山西常村无烟煤外其他煤样均在升温过程中产生的气体体积分数(CO，C2H4，C2H6)均呈曲线上升趋势。随着变质程度加深，在同一温度下，煤在氧化升温过程中产生的指标气体体积分数(CO，C2H4)随之降低，气体出现的温度点也随之升高；C2H6的情况则正好相反。

(3)根据灰色关联结果可知，变质程度最深的无烟煤自燃预测的首选指标气体为CO，范各庄3551肥煤、东欢坨气煤、内蒙古长焰煤自燃预测的首选指标气体为C2H6，变质程度最浅的崔矿褐煤自燃预测的首选指标为烷烯比。