黄陵二矿煤自燃预测预报指标气体分析试验

黄兴利

(陕西黄陵二号煤矿有限公司，陕西 延安 727307)

0 引言

煤炭自然火灾是矿井安全生产的主要灾害之一[1]。矿井火灾不仅威胁矿井安全生产，同时也有可能导致煤尘、瓦斯爆炸等一系列矿井灾害，因此，矿井火灾预测预报研究尤为重要。目前，主要的煤自燃早期预测方法是指标气体分析法[2-3]。朱建国等[4]分析5种不同含水率长焰煤的自然氧化产生的气体种类及浓度变化，最后优选了煤自燃指标气体；疏义国等[5]采用自然发火试验方法研究侏罗纪及石炭二叠系含煤地层煤样，优选了CO、O2、C2H4、C2H6等作为自然发火的气体指标；王福生等[6]利用程序升温—气相色谱联用试验对东欢坨矿不同煤层进行研究，分析各煤样自然氧化过程中各指标气体随温度变化规律，优选出各煤层煤自燃不同阶段适用的预测指标；王凯等[7]以杭来湾煤矿3号煤层为研究对象，对不同粒径的煤样进行氧化升温试验，最终得出CCO/CCO2与ΔCO/ΔO2为煤自燃进入加速氧化与剧烈氧化的临界判别指标。为此，通过大型煤自然发火试验，检测分析黄陵二矿煤自然氧化过程中各时刻的气体种类及含量，进而确定黄陵二矿煤自燃预测预报指标性气体。

1 试验

1.1 试验装置

为营造实际开采过程中煤自燃所需条件，结合现场情况，采用XK-Ⅶ大型煤自然发火试验台[8]。该试验台由3部分组成，分别包括炉体、气路和控制检测。炉体最大装煤高度200 cm，内径120 cm，总装煤量约2 t，炉内布置了131个测温探头和40个气体采样点，试验装置的结构如图1所示。

图1 试验装置示意Fig.1 Schematic diagram of test device

1.2 试验过程

从黄陵二号煤矿采煤工作面采集煤样2 t，通过鄂式破碎机将煤破碎至合适粒径，装入试验炉，静置48 h后，预先通入干空气，然后开始试验。实时掌握炉内温度、风量等参数，定时从取气口取气，并检测气体成分。整个试验过程中，炉内煤温从30.2 ℃升至170 ℃，共历时54 d。

2 试验结果分析

2.1 试验温度分析

2.1.1 最高温度点温度

煤样在试验台内自然升温的过程中，煤体温度的影响因素很多，其中包括试验台的供风量、漏风强度，煤体自身的散热量以及煤的特性。煤温与各指标的关系如图2～4所示，其中利用Excel软件拟合了多项式曲线方程，拟合精度R2为0.981 5。

图2 煤样自燃过程中最高温度点温度随时间变化关系Fig.2 Relationship between maximum temperature and time during coal spontaneous combustion

图3 温度变化率与煤温和供风量的关系曲线Fig.3 Relationship of temperature change rate with coal temperature and air supply

图4 温度变化率与升温时间和供风量的关系曲线Fig.4 Relationship of temperature change rate with heating time and air supply

2.1.2 升温速率

试验初始阶段煤样氧化升温速度较慢，试验开始0～20 d，煤体温度以一缓慢速度上升，当试验超过22 d后，煤体温度达到69.3 ℃，由于前期煤体温度不断上升，致使煤样氧化速度加快，煤样温度不断上升，且温度上升速率有所加快，此时的煤体即为临界温度。随着煤体氧化速度加快，煤温上升随之加快，当试验进行34 d后，煤温达105.6 ℃，煤温变化率有了进一步的提升，煤体氧化速率随煤温升高而加速，此时的煤温即为干裂温度。试验进行至45 d时，煤温达到140.9 ℃，煤样升温速率上升了一个阶级，温度变化率出现骤增，此时的温度即为裂变温度。

2.1.3 供风量

根据试验台的测温探头监测结果可以看出，炉体内部的温度至高点的总体趋势为由中至下，即从炉内煤样的中部向下移动。由于试验炉内下部煤样的孔隙率相对较大，而中部煤样的孔隙率较小，从而可以得出煤温的移动规律是由孔隙率小处至孔隙率大处，试验炉下部为进风处，所以煤温升高点亦向进风侧移动。煤体温度上升至临界温度之前，煤温的增速随风量的增加而降低，这是由于前期煤温较低，氧化速度较慢，较大的风量会带走少量煤体温度，导致煤温增速缓慢；当煤体温度缓慢增加至某温度时，由于煤体温度较高，煤体氧化速度较快，所以所需风量较大，这时增加风量会使煤体氧化速度加快，煤温增速随风量的增加而变大。根据现场实例，一旦采空区发生自燃灾害，增加工作面的供风量将减短着火时间，减少风量，自燃趋势明显受到抑制。

2.2 单一指标气体分析

2.2.1 变化曲线

煤在自燃过程中会产生CO、CO2、CH4、C2H2、C2H4、C2H6、C3H8等气体[9]，考虑气体的灵敏性、规律性和易检测性[10]，目前有4种比较常用的指标性气体，分别为CO、CH4、C2H4、C2H6。黄陵二矿工作面煤自燃单一指标气体浓度随煤温变化曲线如图5、6所示。

图5 黄陵煤自然升温过程中气体浓度与煤温的关系曲线Fig.5 Relationship between gas concentration and coal temperature during natural heating of coal

图6 黄陵煤自然升温过程中气体浓度与煤温的关系曲线Fig.6 Relationship between gas concentration and coal temperature during natural heating of coal

2.2.2 CO变化分析

从图5中可以看出，在煤样氧化过程中，CO是表现比较灵敏的指标性气体，在试验开始阶段就有一定量CO出现，CO浓度随煤温升高呈增长趋势，且增长速率有明显的变化节点。煤温在60～70 ℃(即临界温度)时，CO的增长速率明显加快，此时的煤正处于加速氧化阶段，所以产生的CO明显变多；煤温在100～110 ℃(即干裂温度)时，由于煤与氧气发生强烈的氧化作用，同时产生大量的CO，使得CO变化曲线变陡。在现场，当发现CO浓度达到6×10-5～7×10-5时，说明煤与氧气正加速进行氧化作用，煤温已达到临界温度；当检测到CO浓度达到1.2×10-4～1.3×10-4且CO产生速率明显加快时，说明煤与氧气正处于强烈氧化阶段，煤温已达到干裂温度。因CO的规律性及敏感性，可选用CO作为黄陵二矿煤自然发火预测指标性气体。

2.2.3 CH4变化分析

由于黄陵二矿属于高瓦斯矿井，CH4在煤体升温初始阶段就出现，而且在整个试验过程中都存在。在试验起初，CH4随煤温的上升稍有增长，后呈下降趋势，原因是起初煤体中的大量游离CH4释放，致使试验开始时CH4浓度较高，随温度升高，游离CH4脱附殆尽，导致CH4浓度降低，煤体温度升高至干裂温度后，开始进入快速氧化阶段，此时煤体中大分子支链发生断裂产生CH4，所以试验后期仍有CH4的存在。由于黄陵二矿属于高瓦斯矿井，CH4在整个过程中总体呈现下降趋势，无法根据CH4浓度变化而判定煤体温度，也很难确定现场产生CH4的具体来源，因此CH4不可作为黄陵二矿煤自燃指标性气体。

2.2.4 C2H4及C2H6变化分析

在试验进行至煤温100 ℃之前没有产生C2H4气体，当煤温达110 ℃左右时，即达到干裂温度，煤体氧化过程中产生了一定量的C2H4气体，随着煤样温度不断上升，C2H4浓度总体呈指数上升趋势，且上升过程呈阶段性变化。由C2H4气体产生机理可知，产生C2H4是因为氧分子攻击煤分子苯环侧链上的丙烯基团[11]，说明煤氧化反应处于快速氧化阶段。虽然C2H4气体含量随煤温变化具有一定的规律性，但其仅产生在煤温达到临界温度或干裂温度时，故可将C2H4作为辅助指标气体，用于预测黄陵二矿煤自燃。

试验结果显示，C2H6含量随煤温的升高呈下降趋势，且下降过程中出现较多的波动，所以在现场检测过程中，可能会出现同一C2H6浓度对应不同的煤温。因此C2H6不可作为黄陵二矿煤自燃指标性气体。

2.3 复合指标气体分析

2.3.1 复合指标变化曲线

矿井正常生产过程中，井下实际情况复杂多变，气体浓度检测容易受到干扰，因此仅靠单一气体作为煤自燃预测预报指标气体是不准确的[12]。为确保煤自燃预测预报的准确性，选择对复合气体进行分析，结果如图7所示。

图7 煤自然升温中各种指标气体比值与煤温的关系曲线Fig.7 Relationship between various index gas ratios and coal temperature in coal natural temperature rise

2.3.2 CO2/CO值

试验初始阶段即有CO2/CO值出现，其值随煤温升高上下波动，整体呈现下降的趋势。煤体升温的整个过程中，CO2/CO值均存在波动现象，即同一比值存在多个煤温与之对应，所以CO2/CO值不可作为黄陵二矿煤自燃预测预报指标性气体。

2.3.3 CH4/C2H6值

CH4/C2H6值随煤温的升高整体呈先变小后增大的趋势。煤体温度上升至105℃(即干裂温度)之前，CH4/C2H6值随煤体温度的升高而呈减小趋势，从试验开始时的2.7降低至0.4。煤温超过105 ℃后，CH4/C2H6值随煤体温度的升高而呈增大趋势，从0.4增至0.8。虽然CH4/C2H6值先变小后增大，但其转折点煤温在干裂温度附近，所以可以作为黄陵二矿煤自燃预测预报辅助指标气体。

2.3.4 烷烯比

链烷比是研究煤体自燃标志性气体的重要依据之一。烷烯比(C2H4/C2H6)在110.4 ℃后随温度呈指数规律迅速增加，由0.04增至0.28。由于烷烯比出现是在110.4 ℃，即干裂温度时，所以当出现烷烯比时，表明煤温已达到干裂温度。所以烷烯比可作为黄陵二矿煤自燃预测预报辅助指标气体。

2.4 特征温度及气体表征

在煤炭自燃过程中，各种指标性气体在一些温度段会发生突变，其范围及表征见表1。

表1 黄陵煤自然发火过程中的特征温度及其气体表征

3 结论

(1)黄陵二号煤矿工作面煤层自燃临界温度为65～75 ℃，干裂温度为95～115 ℃，裂变温度为130～150 ℃。

(2)黄陵二号煤矿煤层自燃预测预报可选用CO作为指标性气体，C2H4、CH4/C2H6、烷烯比(C2H4/C2H6)可选作辅助指标气体。

(3)利用指标性气体进行煤自燃预测预报时，要综合各类指标性气体，结合现场实际情况，方可保证预测结果的准确性。