韩家湾煤矿煤自燃多级预警指标体系构建

白铭波，霍军鹏，冯泽伟，金 彦，李慧刚

(1.陕西陕北矿业韩家湾煤炭有限公司，陕西 神木 719000；2.西安科技大学 安全科学与工程学院，陕西 西安 710054)

0 引言

矿井煤自燃是井下主要煤火灾害之一，也是矿井瓦斯/煤尘爆炸等次生灾害的重要诱因，极大地威胁着煤炭的安全回采和人员生命安全[1-2]。近年来，随着科技的进步和装备的更新换代，煤自燃引起的事故逐年减少，但是，我国煤火灾害防治形势依然严峻，井下采煤人员的生命安全一直受到严重的威胁。井下煤自燃隐患防控的工作中，煤自燃预警是很重要的一环，预警指标的确定至关重要[3]。

煤自燃是复杂的氧化过程，不同的氧化阶段煤自燃释放的气体、产生的热量不同[4]。因此，通过煤自燃气体产生规律与温度特征的对应关系，针对煤氧复合反应过程当中的特征温度点位进行发火进程预测预报，国内外做了大量的研究。例如，王福生等[5]通过分析煤自燃氧化过程中各指标气体随温度的变化规律，基于灰色关联分析法，确定了煤自燃不同阶段指标预报优先级；王娅等[6]对比同一温度范围内气体指标产生浓度受煤种结构影响的因素，建立了煤自燃预测预报指标气体体系；安帮等[7]利用复合指标气体确定煤由快速氧化到自燃的关键时期；肖旸等[8]凭借15 t特大型煤自然发火试验平台研究煤自燃过程中相应的指标气体，确定了各级特征温度波动范围内的煤自燃指标气体参数特征规律；邓军等[9]通过分析煤自燃氧化、热解阶段内的气体指标产生规律，将多参数指标和气体指标优选结合，建立指标体系；费金彪[10]采用大型煤自然发火试验、程序升温试验和热重分析的研究手段优选了6个煤自燃指标，确定了煤自燃分级预警方法；谭波等[11]根据煤自燃过程的气体产物随温度的变化，将煤低温阶段划分为潜伏、储热、蒸发、活跃和乏氧5个阶段；文虎等[12-13]研究出煤温30～140 ℃对应的预测气体是CO2，煤温140～200 ℃对应的预测气体是CH4，煤温200～270 ℃对应的预测气体是CO；疏义国等[15]针对侏罗系及石炭二叠系煤层，将CO、O2、ΔCO/ΔO2、C2H6、C2H4作为自然发火的气体指标。可见，确定煤自燃预警指标的方法较为成熟，但针对煤自燃分级预警指标研究较少，煤自燃阶段划分温度和气体阈值不明确，且难以实现准确分级预警。

韩家湾煤矿主要开采2-2、3-1与4-2号煤层，各煤层开采冒落带高度基本影响上覆主要开采煤层，煤层间容易形成漏风通道，对煤自燃监测预警造成很大的障碍。为此，在确定煤自燃指标气体的过程中，需要考虑各煤层氧化过程中的气体，同时，综合分析试验过程中煤自燃指标气体随煤温的波动规律，建立相应的煤自燃过程分级预警，对浅埋煤层群开采的煤自燃预测预报具有重要意义。

1 煤自燃程序升温试验

通过采集现场新鲜煤样筛分组合为试验煤样，利用程序升温箱进行真实蓄热环境模拟，进一步研究韩家湾煤矿各煤层在实际自然发火过程当中的气体生成规律。

1.1 试验装置

试验装置如图1所示。设备主体为直径10 cm的钢管筛组煤，上下两端分别留有自由空间使通气均匀，然后将1 kg重组煤样置于油浴程序控温箱内加热试验，并送入预热空气，采集不同煤温时产生的特征指标气体浓度数据。在温度达到不同预设值后，加热系统停止，装置自动循环降温。

图1 程序升温试验装置Fig.1 Temperature programmed test device

1.2 试验过程

试验采用韩家湾2-2、3-1、4-2煤层煤样分别编号1#、2#、3#。每组中破碎并筛分出粒度为：0～0.9 mm、0.9～3 mm、3～5 mm、5～7 mm和7～10 mm的5种粒径，各200 g混合成1 kg试验煤样。试验时通入空气流量120 mL/min，将煤样放入程序升温箱的左右两边同时升温，升温速率0.3 ℃/min，空气气体流量120 mL/min，升温温度范围30～170 ℃，温度每升高10 ℃取一次气体，并使用气相色谱仪进行分析。

2 试验结果及煤自燃指标气体分析

根据煤氧复合理论，不同阶段内的煤自燃主体反应不同，可根据各类指标气体产生、波动趋势，将指标气体分为氧化气体和热解气体2类，即氧化气体CO和CO2，热解气体CH4、C2H6、C3H8、C2H4。氧化产物比热解产物更易受风量和环境因素的影响。考虑到煤自燃预警的指标气体应具有灵敏性、规律性、可测性的特点[16]，重点分析CO浓度、C2H6、C2H4浓度以及ΔCO/ΔO2来预测煤自燃阶段。

2.1 CO体积分数

1#、2#和3#煤样在煤自燃过程中CO随温度的变化规律，如图2所示。CO是煤氧化产生的气体，煤温升高过程中其浓度灵敏上升，CO浓度随温度的变化均呈现指数增长的趋势，煤样前期(煤温小于70 ℃)CO浓度增大速率均较慢，在65 ℃之前煤样处于低温阶段时CO浓度曲线趋势平缓其生成量较小，在高温阶段即温度大于65 ℃时曲线显著上升，CO浓度明显增大，据此可认为煤样复合反应的临界温度为65 ℃。

图2 CO体积分数曲线Fig.2 CO volume fraction curve

2.2 C2H4、C2H6及C2H4/C2H6值

C2H4和C2H6体积分数变化曲线，如图3、4所示。可以看出，在煤温达到100 ℃之前煤样无C2H6和C2H4气体，煤温100 ℃左右时出现并随着煤温升高逐渐增多。说明煤样不含低浓度的C2H6和C2H4气体，而随后在高温阶段产生的C2H6和C2H4气体主要是煤分子键断裂产生的气体，煤温达到120 ℃时C2H6和C2H4气体增速加快，可认为煤样的热解温度为110 ℃。煤样的粒径越小温度越高，气体的产生量越多、产生率越高。C2H4/C2H6值变化曲线，如图5所示，可以看出，C2H4/C2H6值随煤温升高上下波动，在煤温约为130 ℃以后，各煤样的C2H4/C2H6值出现极大值。

图3 C2H6体积分数曲线Fig.3 C2H6 volume fraction curve

图4 C2H4体积分数曲线 Fig.4 C2H4 volume fraction curve

图5 C2H4/C2H6值变化曲线Fig.5 C2H4/C2H6 change curve

2.3 ΔCO/ΔO2

ΔCO/ΔO2值变化规律曲线，如图6所示。由图可知，各煤样温度在70 ℃左右时，ΔCO/ΔO2值达到极大值。由于煤样温度较低，煤温从30 ℃升至70 ℃时，比值上升缓慢，煤与氧气不完全氧化产生CO较少，ΔCO/ΔO2值在0.020左右。煤温在70～120 ℃时，ΔCO/ΔO2值曲线比较平缓增速较低。当煤温达到70 ℃时，已经超过了临界温度，煤氧反应充分，CO产生量也增加，ΔCO/ΔO2值大概在0.030左右。当煤温大于120 ℃，此时已经超过热解温度。煤样复合反应加快，ΔCO/ΔO2值增加速度极快，呈指数函数增加。因此，当ΔCO/ΔO2值大于0.020时，煤温已经达到或高于临界温度；当ΔCO/ΔO2值大于0.030左右时，煤温超过热解温度，达到煤氧复合反应活性温度。

图6 ΔCO/ΔO2值变化曲线Fig.6 ΔCO/ΔO2 change curve

2.4 煤自燃分级预警

根据韩家湾煤矿煤自燃程序升温试验数据和指标气体研究成果，量化指标气体参数与煤温的对应关系，为指导韩家湾煤矿煤自燃防控工作，考虑现场实际情况，将煤自燃隐患分为三级预警，其中一级最低，预警煤温为常温至50 ℃，二级预警煤温为50～130 ℃，三级预警煤温为大于130 ℃，具体见表1。

表1 煤自燃分级预警模型Table 1 Hierarchical early warning model of coal spontaneous combustion

3 结论

(1)韩家湾煤矿煤样在低温阶段产生的氧化产物和热解产物较多，CO、C2H6、C2H4、C2H4/C2H6、ΔCO/ΔO2随着煤温而呈现规律性变化。

(2)以CO、ΔCO/ΔO2、C2H4作为煤自燃预警的主要指标，以C2H6、C2H4/C2H6作为辅助指标，预警3个温度段：常温～50 ℃，50～130 ℃，高于130 ℃。

(3)通过建立韩家湾煤矿煤自燃的分级预警，完善了矿井的煤自燃防控体系，为煤自燃预防工作和煤自燃治理工作及时作出正确的决策提供了理论指导。