基于程序升温试验的自燃气体产生规律及临界氧浓度指标研究

谢承莹 杨建武 卫 伟

（1.晋能控股煤业集团煤峪口矿，山西 大同 037041；2.山西煤炭运销集团科学技术研究有限公司，山西 太原 030000）

煤峪口矿现采煤层为3-5#煤层，煤种为1/3焦煤，煤的自燃倾向性属容易自燃。由于上覆有不可采的山4 煤，平均间距为25 m，厚度平均为0.82 m，在工作面开采过程中，采空区遗煤量较大，存在自然发火的危险性较大。

为了提高防灭火措施的针对性和有效性，对采空区自燃“三带”进行划分。目前，工作面采空区自燃“三带”的划分，现场观测普遍采用采空区氧气浓度作为划分指标[1-5]。氧气指标并没有具体统一的标准和依据，推荐采用临界氧浓度指标法[6]。因煤种、煤质不同，煤的临界氧气浓度指标也不尽相同。基于此，通过煤样程序升温试验对煤峪口矿3-5#煤层的临界氧气浓度指标加以确定，可为3-5#煤层采煤工作面自燃“三带”的划分等提供技术依据。

1 试验条件

根据国家标准规定中的取样方法，从煤峪口矿3-5#煤8101 工作面回风顺槽采集煤样，并密封保存送至实验室内进行程序升温试验。

试验条件：煤样粒度100 目、质量1 g；供气流量为100 cm3/min；取样间隔时间为20 min/次；升温区间为常温25～500 ℃。升温速率见表1，程序升温试验装置流程图如图1。供氧浓度选取典型的三个温度点为20.9%（空气）、10.0%和7.0%。

图1 程序升温试验流程图

表1 程序升温试验升温速率表

2 程序升温煤自燃气体产物规律

2.1 CO、CO2 气体产生规律

1）CO 气体产生规律

试验中设定供氧量恒定，供氧浓度为20.9%时，CO 气体出现最早，并存在于整个试验过程中。从图2 中可以看出，CO 首次检测出的温度为61℃，对应的CO 气体浓度为1.72×10-6；61～210 ℃之间，CO 气体浓度呈单一递增指数的变化关系；210～402 ℃之间，CO 浓度从730.82×10-6激增到3 902.09×10-6，CO 气体浓度变化打破了之前的指数变化关系，呈现出更快的变化趋势；402 ℃之后，出现一段CO 气体浓度陡降，然后逐渐增大，直至煤温为513 ℃时，CO 浓度达到峰值。

图2 不同供氧浓度条件下CO 浓度随煤温变化规律图

从图2 可以看出，供氧浓度为10%、7%时，首次检出CO 气体后，气体浓度随煤温变化均为指数递增关系，直至浓度达到峰值。供氧浓度为10%，CO 气体浓度变化增长有所抑制，但仍然经历了陡峭增长区段，表明煤的自燃氧化受到了一定的抑制，还不足以减缓煤的氧化进程。供氧浓度为7%，CO 气体浓度变化受到了更大的抑制，基本减缓了煤氧化反应进程。

不同供氧条件下，首次检出CO 气体的温度及其浓度、峰值浓度及其温度见表2。供氧浓度为7%时，首次检出CO 气体的温度更高，对应的气体浓度也基本相当，CO 气体浓度峰值更低，对应的煤温也更低；煤的氧化反应激烈程度更低，氧化过程不明显，反应进程已受到了极大的抑制。

表2 不同供氧浓度条件下CO 气体相关参数对比表

2）CO2气体产生规律

该矿1/3 焦煤的程序升温氧化气体，CO2和CO气体浓度随煤温的变化规律基本一致。

供氧浓度为20.9%时，CO2气体从程序升温25℃开始一直贯穿于整个氧化过程中，156 ℃之前，CO2气体浓度变化不大；156～210 ℃之间，CO2气体浓度与煤温基本表现为指数变化关系；210 ℃之后，变化趋势基本和CO 气体一致，经历一段剧烈的波动变化后，最后达到浓度峰值。

供氧浓度为10%、7%时，CO2气体首次检出温度分别为49 ℃、59 ℃。之后，CO2气体浓度与煤温之间也基本表现为指数递增的变化关系，直至浓度达到峰值，变化趋势和CO 气体基本一致。随着供氧浓度的降低，检出CO2气体的温度也在逐渐升高，说明煤的自然发火氧化进程受到了极大抑制。

CO2气体浓度在供氧浓度为20.9%时，煤的氧化反应比较充分，煤温和气体浓度均很高；供氧浓度为10%时，煤的氧化反应已经受到很大抑制，煤温和气体浓度均降低了很多；供氧浓度为7%时，煤的氧化反应进程进一步得到了抑制。

2.2 烯烃气体（C2H4、C3H6）产生规律

C2H4和C3H6均为煤氧化产生的气体，供氧浓度为20.9%，首次检测出的温度分别为182 ℃和210 ℃，相对应的气体浓度分别为0.27×10-6和0.22×10-6。从图3 可以看出，C2H4气体随煤温的升高逐渐增大，煤温从210 ℃开始迅速达到402 ℃，气体浓度变化上表现为出现突起的陡峰，浓度由2.06×10-6激增到峰值55.85×10-6，之后气体浓度逐渐降低。由于C2H4气体不是吸附气体，而是煤氧化产生气体，因此，C2H4可作为煤进入加速氧化阶段的标志。从图3 和图4 对比可以看出，C3H6与C2H4气体总的变化趋势基本一致，从检出浓度激增到浓度峰值，之后气体浓度波动下降，C2H4和C3H6的检出时间和温度同CO 相比，有明显的时间差和温度差。因此，可用C2H4和C3H6的气体浓度作为该矿1/3 焦煤煤氧化进入加速氧化阶段的标志。

图3 不同供氧浓度条件下C2H4 浓度随煤温变化规律图

图4 不同供氧浓度条件下C3H6 浓度随煤温变化规律图

供氧浓度为10%、7%时，C2H4和C3H6气体首次检测出的温度均相同，分别为204 ℃、198 ℃，相对应的气体浓度分别为0.29×10-6和0.23×10-6、0.23×10-6和0.21×10-6。

从图3 和图4 可以看出，在不同供氧浓度条件下，C2H4和C3H6气体变化趋势基本一致，气体浓度逐渐升高到峰值，然后浓度数值回落至低位。供氧浓度为20.9%时，C2H4和C3H6气体出现后，浓度增长迅速；供氧浓度为10%时，气体浓度增长势头有所抑制，但仍有较陡增长的区段；供氧浓度为7%时，气体浓度增长趋势平缓了很多，煤的氧化反应进程得到了抑制，基本阻止了煤的氧化反应。

2.3 烷烃气体（CH4、C2H6、C3H8）产生规律

从程序升温试验数据可知，CH4气体浓度随着煤温的升高而逐渐增大；C2H6气体浓度总体变化趋势，随着煤温的逐渐升高而逐渐增大；C3H8气体在不同供氧浓度条件下，随煤温的变化趋势基本一致，呈现“低-高-低-高”的波浪形变化。

2.4 乙炔气体（C2H2）产生规律

一般矿井中，C2H2气体都作为煤自然发火的重要的标志气体，C2H2气体与CO、C2H4、C3H6气体的检出时间及对应温度相比，有明显的时间差和温度差，因此，C2H2气体可作为煤进入燃烧阶段的标志。从图5 可以看出，不同供氧条件下，C2H2气体首次检出的温度也不尽相同。供氧浓度为20.9%时，首次检出温度为402 ℃，对应气体浓度为1.45×10-6；供氧浓度为10%时，首次检出温度为386 ℃，对应气体浓度为0.53×10-6；供氧浓度为7%时，试验温度范围内已无法检出C2H2气体，表明此时供氧浓度条件下，该矿1/3 焦煤程序升温氧化进程受到了极大的抑制，阻止了煤的氧化还原反应。

图5 不同供氧浓度条件下C2H2 浓度随煤温变化规律图

3 结论

1）对不同供氧浓度下的气体产物变化规律进行分析，供氧浓度为7%时，煤的氧化反应进程受到了极大的抑制，经综合研判，确定煤峪口矿1/3焦煤试验煤样自然发火临界氧气浓度为7.0%左右。

2）CO 可以作为预测预报煤自然发火的指标气体，其出现温度在61 ℃左右，预测的温度范围应在210 ℃之前。

3）C2H4和C3H6气体出现的温度分别在182 ℃左右和210 ℃左右，C2H4气体和C3H6气体的出现均可以作为煤氧化进入加速氧化阶段的标志。

4）C2H2气体初始产生的煤温386 ℃左右，C2H2气体的出现表明煤已出现明火或阴燃，可作为煤氧化进入激烈氧化阶段的标志。