信湖8煤层自然发火标志气体分析

高世强

（安徽理工大学，安徽 淮南 232001）

一、煤低温氧化标志气体理论

煤自燃是一个相对复杂的物理和化学共同作用的过程，是多变的自动加速的放热过程，这个过程主要发生的是煤氧附和反应。煤自燃指标气体是指，由于煤自燃而产生其体积分数发生变化的，并对煤自然发火状态和发展趋势的火灾气体可以进行一定的表征，又称为指标气体。自燃指标气体主要分为三类：第一类最常用的是CO以及（Graham指数）等属于碳氧化合物的种类，它适用于长焰煤阶段，也在低变质褐煤有广泛应用；第二类主要是包括乙烷（C2H6）、丙烷（C3H8）、丁烷（C4H10）等在内的烷烃，以及链烷比，他们主要包括C2H6/CH4、C3H8/CH4、C4H10/CH4、C3H8/C2H6和C4H10/C2H6，还有就是一些不饱和烃，包括C2H4等烯烃和C2H2炔烃，以及一系列比值（C2H4/CH4、C3H6/CH4、C4H8/CH4等）。第二、三类指标气体广泛适用在高、中挥发分烟煤阶段。

早期预报是对于煤矿火灾十分必要的手段，预防得越早，就能尽可能地少产生气体；预报得越慢，就会产生更多的气体以至于采取措施不及时。检测到气体就应该及时快速地采取措施治理，这时候的气体指标我们就可以称之为预报临界值。目前常用的煤炭自燃预报指标有：指标气体的浓度、指标气体的发生量、火灾系数、链烷比等。

二、煤氧化指标气体试验系统

1.氧化热解试验装置

为了选择符合矿井实际的煤炭自燃指标气体，我们与山东鲁南瑞虹化工仪器有限公司最新联合研制了煤的自燃性测试仪，仪器外观示意图如图2-1所示，测试系统结构如图2-2所示。该装置主要包括：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、稳流等组成。

2.供氧系统

供氧系统由高压空气瓶和管路构成。氧化煤样用的空气由高压瓶供给，通过稳压阀、流量传感器和管路进入氧化炉。

3.气体分析系统

气体分析采用北京东西电子生产的GC4085型矿井气体多点参数色谱自动分析仪，它是国家“八五”科技攻关项目《矿井气体多点参数色谱自动分析仪》的主要单元，采用了组合式整体结构，主要由双柱箱专用气相色谱仪、自动取样器、色谱数据处理工作站组成。应用微机汉化操作，从取样→分析→检测→报告打印全过程自动化。色谱仪具有热导检测器（TCD）、双氢火焰离子化检测器（FID）、甲烷转化装置及柱预切换系统；气路控制系统；电气测量系统及三个自动进样阀。

三、818工作面煤样试验

1.试验煤样特点

自818综采工作面的新暴露表面采集煤样，采样后立即放入塑料袋中并加以密封，运至实验室。试验前，从装有原始煤样的密封袋中抽取一定的气体进行气相色谱分析，得到煤样在升温氧化前的气体情况。

2.试验操作程序

2.1 试验前，首先分析实验室内空气成分，以确保色谱气路内没有残留气样；在煤样装入氧化炉前，采集煤样袋中的气样，进行气体分析。煤样粉碎处理。打开煤样袋将煤样粉碎、过筛和称量，然后按不同的粒度和空气流量进行试验流量和粒度的考察。煤样低温氧化试验。把粉碎好的粒径为0.125mm～0.2mm的煤样，分别装入煤样罐内，打开高压空气瓶，调节空气稳压阀，直到用皂膜流量计测到出气口的空气流量为100ml/min，然后进行程序升温，升温速率为1℃/min，200℃前每升温10℃后进行恒温稳定5min，200℃后每升温10℃后进行恒温稳定5min，然后用抽气泵自动抽取煤罐气样进行色谱分析。

3.818试验结果及分析

根据实验结果数据，对煤样在实验过程O2和CO的体积分数随温度变化规律作图，如图4-1，4-2所示。

图4-1 氧气浓度随温度变化曲线

图4-2 一氧化碳浓度随温度变化曲线

根据实验数据与图4-1和图4-2可知，1、2号煤样出现CO的最早温度为50℃，说明818工作面出现一氧化碳的临界温度是为50℃。各煤样的CO产生浓度随煤温的增加整体上呈指数型增长，且煤温在40℃～120℃时，CO产生量基本变化不大，较为平缓，当温度达到120℃～140℃后，CO产生量开始有明显上升趋势，说明煤氧化反应开始加快，此后随着温度的增加，CO产生量开始指数增长。各煤样刚开始在煤温140℃以前，氧气浓度减少不太明显，超过这一阶段，氧气浓度明显下降，一氧化碳浓度也较大变化，说明氧化进程加快。

4.烷烃类气体分析

根据实验结果数据，还可得到C2H4、C2H6气体浓度随煤温增加的变化曲线，如图4-3，4-4所示。

图4-3 乙烯浓度随煤温的变化

图4-4 乙烷浓度随煤温的变化

随着煤温的不断升高，煤分子中的各种结构（如侧键、桥键）均会发生不同程度地断裂、裂解和裂化，并与氧发生反应，一般会释放出甲烷、乙烷、乙烯、乙炔、丙烷各种气体。从图4-3、4-4可知，乙烯检出温度比CO较晚许多，一般在临界温度左右，乙烯到140℃才开始被气相色谱仪检测出，乙炔只在2#煤样280出现过一次，此后未检出。

1、2号煤样出现乙烯最早温度都在140℃，且在170℃达到1ppm。此后，浓度随着温度的增加呈现指数变化，增长速度逐渐加快，乙烯气体的出现表明煤分子中的侧键及桥键开始发生裂解；1号煤样出现乙烷的温度为50℃、2号煤样出现乙烷的温度分别为30℃，且各个煤样乙烷浓度随温度增长皆出现波动现象。1号煤样出现丙烷的温度是170℃、2号煤样出现丙烷的温度是140℃，且随煤温的增加，产生量也较为明显增大，但随着温度到达300℃以后，2号煤样丙烷浓度趋于平缓。

根据实验结果结合信湖矿实际情况，818工作面可适合采用CO和C2H4两种气体作为煤自燃标志气体。

结语

通过对818工作面上部和下部煤样进行了煤低温氧化实验研究，得出以下结论。

第一，818工作面煤低温氧化出现一氧化碳的临界温度是为50℃，各煤样低温氧化产生的CO浓度随煤温的增加整体上呈指数规律增长。

第二，当煤低温氧化温度在120℃～140℃后，CO产生量开始有明显上升趋势，说明煤氧化反应开始加快，此后随着温度的增加，CO产生量开始呈指数增长趋势。

第三，氧气浓度在煤体温度140℃之前，下降较为平缓，当煤体温度高于140℃后，氧气浓度下降明显。

第四，当煤低温氧化温度到140℃时出现了乙烯（C2H4）气体，170℃时乙烯（C2H4）气体达到1ppm。

第五，在温度30℃～50℃时，有乙烷（C2H6）气体出现。且浓度随温度增长出现波动。

第六，30～300℃之间，1号煤样未出现乙炔（C2H2），2号煤样在280℃时出现微量乙炔（C2H2）。

第七，根据实验结果结合信湖矿实际情况，信湖煤矿8煤层适合采用CO和C2H4两种气体作为煤自燃标志气体。