十一矿己16-17煤自燃标志气体优选实验研究

崔 岩工程师 徐同震 骆大勇

(1.平煤股份十一矿，河南 平顶山 457047； 2.安徽理工大学，安徽 淮南 232001；3.重庆工程职业技术学院，重庆 402260)

0 引言

长期以来，煤自燃火灾是威胁井下设备和人员安全的最主要危害之一，严重影响煤矿安全生产。煤矿发生自燃因素除煤层自燃倾向性高等因素外，无法及时依据早期预测预报指标对煤自燃发展情况提前预测预防是另一原因。指标气体分析法作为预测煤矿井下煤早期自燃火灾发生的一种主要方式，一直以来被学者们广泛运用。文虎等以不同形式的数学模型，得出煤样在不同温度阶段分别以二氧化碳(CO)、甲烷(CH)、一氧化碳(CO)等为预测指标性气体；王月红等运用氧化升温实验系统，得出煤样在氧化升温过程中产生的CO、乙烯(CH)、乙烷(CH)等气体与温度呈正比关系；戴广龙在对煤低温氧化过程进行分段的基础上给出以CO、CH等气体为指标的预测指标体系；王怡等通过实验探究煤低温氧化过程中的气体变化规律，选择CO作为煤层自燃的主要指标气体，其他部分烃类气体作为辅助性参考指标气体。综上所述，煤样受热分解产物与煤样温度之间有着密切联系，其中主要代表性指标气体为CO，因此通过分析煤样各阶段产生的气体与温度之间的关系，找出能反映各温度阶段的指标性气体，对预防矿井火灾的发生具有重要作用。本文通过对十一矿己工作面不同煤层内的煤样进行程序升温实验，采集分析不同温度状况下煤样中气体产生变化的情况，优选出己工作面在不同温度阶段的指标性气体，以期得到煤自燃发展变化规律，进而提高十一矿煤自燃预报的可靠性，为预测十一矿煤层自燃发火提供参考依据。

1 煤自燃指标气体实验设计

1.1 实验样品

对十一矿己工作面上部、中部和下部3个不同位置处的煤样进行采集，密封处理后运至实验室，对采集的不同位置处煤样进行工业分析实验，具体测试结果，见表1。由测试结果可知，己工作面不同位置处煤样之间的整体差异不大，工业分析结果接近相同。因此选择这3处不同位置煤样进行实验分析，使得分析结果能够真实反应煤层的自燃特性。

表1 十一矿己16-17工作面煤样工业分析测试结果Tab.1 Industrial analysis and test results of coal samples came from Ji16-17 working face of No.11 Coal Mine

1.2 实验测试装置及流程

实验装置主要包括供气系统、程序升温系统和气样分析装置3部分。实验装置主要部件包括程序控温炉、煤样罐、温度测量、显示和控制系统、流量传感器及气路系统稳压、稳流等，如图1。

图1 实验装置系统结构图Fig.1 System structure diagram of experimental device

开始实验时，首先将现场采集密封的煤样快速取出，剥离煤样中的氧化表皮，利用碎煤机对煤样破碎处理，筛分粒径为0.15～0.25mm的煤样90g，将制作好的煤样放入煤样罐内，连接好实验装置放入控温炉膛，接下来将进、出气管路连接好后，检查装置气密性进行相应实验。实验开始后，装置内部通入空气，流量为80ml/min，氧气浓度为20.96%的干空气，选用高纯度氮气为装置的载气，程序升温装置升温速率为3℃/min，实验装置达到预设温度所需时间为2min。当装置达到预设温度后，将采集到的气体通入气象色谱仪(GC-4085型)进行色谱分析，根据检测出的不同气体含量优选出煤自燃指标气体。

2 煤自燃指标气体优选

煤在氧化进程中随着温度的变化，产生的气体不同，因此在不同温度阶段会出现不同气体，煤自燃发展变化过程中的指标气体的优选原则应符合敏感性、规律性和可检测性3个特点。实验时，对己工作面采集的3个煤样进行处理后，放入实验测试装置进行相应的实验检测，实验重复进行多次，对多次测得的实验测试结果进行总体分析，发现十一矿己工作面采集的不同位置处煤样的气体产生的最低温度，见表2。从表2可以看出，随着装置中煤样温度的升高， CO、CH、丙烷(CH)和CH4种气体逐渐出现，且气体浓度均在逐渐升高。因此，依据煤自燃指标气体的优选原则，并结合矿井下实际气体随温度发生的变化情况，选择实验测试所得的4种气体作为己工作面煤自燃预报的指标气体。

表2 各煤样指标气体出现的最低温度Tab.2 Minimum temperature of index gas of each coal sample

由表2可知，4种指标气体在己工作面不同煤层处出现的最低温度不同，但每种气体的出现整体满足一个区间：CO在70～90℃时开始出现，CH在110～140℃时开始出现，CH在110～150℃时开始出现，CH在150～160℃时开始出现。因此，通过实验结果分析，可以选择该4种气体作为己工作面煤早期自燃的预测气体。

3 煤自燃指标气体随温度变化规律分析

根据实验数据结果，绘制出不同煤层处煤样的标志性气体产生量随温度变化曲线，各气体具体变化情况，如图2。

煤温在200℃变化范围内，由图2(a)可知，3种煤样CO浓度变化趋势基本一致，在70～120℃，CO增加量比较平缓，120℃以后CO浓度开始快速增加，说明120℃以后煤样的煤氧复合作用加快，煤自燃发展变化进程加快。对比不同煤样的CO浓度变化趋势发现，煤中CO产生量与温度之间呈指数规律变化，并且所有不同位置处的煤样具有相同的变化趋势，即CO气体产生速率随煤中温度的升高而增大。同时，随着实验中煤样温度不断升高，不同煤层处煤样CO生成量会出现一定差异，十一矿己中部煤样的CO生成量小于工作面上部和下部的CO生成量，说明此时中部煤样的煤氧复合作用较为微弱，其他不同位置处煤样的煤氧复合作用较强，因此，能够根据CO含量的变化确定煤样所处的温度阶段，CO气体产生量符合指标气体优选原则。

图2 各气体产生量与温度关系Fig.2 Relationship between gas production and temperature

煤温在200℃变化范围内，CH生成量随温度的变化规律图，如图2(b)。CH是一种不饱和烯烃，在温度达到150℃以后开始出现，且随着温度逐渐升高，CH含量开始快速升高，说明此时煤样已经进入加速氧化阶段，虽然各煤层煤样出现CH的最低温度不同，但CH产生量与温度之间呈指数规律变化的趋势是一致的，即CH产生速率随煤样中实验温度的升高而快速增大，规律性明显。温度越高，CH产生的速率就越大，因此CH能够作为预测煤自燃过程中的指标性气体。

当煤温处于200℃变化范围内，CH浓度随温度的变化规律图，如图2(c)。不同位置处煤样CH出现的最低温度整体上不同，但CH产生量与温度之间呈指数规律变化的趋势基本相同，即其产生的速率随煤温的升高而增大，在160℃以后，CH含量开始剧烈增加，说明此时煤自燃已经达到剧烈的反应阶段，此时应尽快采取防范措施，因此CH也可以作为判断煤自燃的一种指标性气体。

当煤温处于200℃变化范围内，CH浓度随温度的变化规律图，如图2(d)。不同位置的煤样在达到一定温度时，均会出现CH气体，虽然CH气体产生的最低温度有所不同，但气体生成规律均与温度的变化呈指数变化规律，可以发现所有不同煤样当温度升高到110～150℃时，煤样中开始出现CH气体产物。与此同时，对煤样进行3个月的常温氧化实验所得到的实验结果进行色谱分析，并未检测到CH气体，说明常温下十一矿己工作面煤样自然氧化时是不会产生CH气体。因此，在正常工作状况下，一旦在十一矿矿井内部检测发现CH气体，则表明此时煤层中的煤炭氧化自燃温度达到了110℃以上，需要及时对煤层采取防火措施。由此得出，CH是作为预测煤自燃最适合的指标性气体之一。

结合不同的实验结果分析后发现，在成煤过程中CH气体是始终存在的，且其含量在各煤层处分布不均匀，无明显变化规律，不符合指标气体的优选原则。在煤样常温氧化3个月后，通过气象色谱实验抽取煤样中的气体进行检验，最终检测出常温氧化后的煤样气体中含有CH和CH气体。结合上述实验分析结果最终优选出CO和CH2种气体作为十一矿己工作面煤自燃早期预报的主要指标气体，同时选择CH和CH作为煤自燃预测的辅助指标气体。

综上所述，CO、CH、CH和CH4种气体均为煤自燃氧化过程的产物，不同煤层处气体产物随着煤温升高产量是不同的。不同位置处煤样中的温度升高后依次出现的气体是：CO(70℃)→CH或CH(110℃)→CH(150℃)；实验中可以发现煤样中CO开始出现的温度较低并且极为接近；煤样中开始出现CH、CH和CH的温度相对较高，因此可根据煤层中气体出现的种类对煤层所处的温度范围和煤自燃发展过程所处的阶段进行准确判断。

4 结论

对比十一矿己工作面不同位置处的煤样低温氧化实验能够发现，当煤样的温度在200℃范围内变化时，随着煤样中温度升高，煤样中发生氧化气体产物会出现不同变化，在不同温度阶段会出现不同的气体产物，CO、CH、CH和CH4种气体随着温度的升高会依次出现。因此，可将实验得到的4种气体作为判断十一矿己工作面煤样氧化的标志。

结合煤样常温氧化的实验结果，最终选择CO和CH2种气体作为判断煤自燃的主要指标性气体，其他2种不同气体作为辅助性指标气体。通过利用CO产生量判断煤层的自燃发展变化情况，当检测出CO，说明煤中温度已经达到70℃；利用CH判断煤炭加速氧化的过程，当煤层中检测出CH气体时，说明煤样中温度已经达到了110℃以上。