B2煤层自然发火标志气体及临界值确定

张立魁 陈梦乔 张乐

神华天电矿业有限公司宽沟煤矿，中国·新疆 昌吉 831215

1 引言

《煤矿安全规程》（2016）规定：“开采容易自燃和自燃煤层时，必须开展自然发火监测工作，建立自然发火监测系统，确定煤层自然发火标志气体及临界值，健全自然发火预测预报及管理制度。”目前，中国学者对煤自然发火研究主要集中在自然发火标志性气体优选，对煤发火临界值研究甚少。基于此，以宽沟煤矿B2 煤层实验研究和现场观测相结合的方法确定B2 煤自然发火标志气体及临界值，也为矿井自然发火标志气体及临界值确定提高一种方法。

2 自然发火标志气体优选

2.1 CO 气体生成规律

CO 是煤氧化最早出现的气体产物，并贯穿整个氧化过程中；煤温超过62℃后，CO 浓度开始加速增长，且超过62℃后煤温开始高于炉温，表明了62℃为B2 煤层自然发火的临界温度。在煤温超过62℃后，煤体的升温速度将快速增加，在215℃以前，CO 产生浓度与煤温之间表现为单一递增的变化规律。当煤温超过215℃后，呈现出一种增长更快的关系。C2H4出现以后，进入加速氧化阶段，C3H6产生后煤温进入激烈氧化阶段，之后煤温迅速达到燃点，并在短时间内煤温达到峰值。

2.2 烯烃气体生成规律

在煤的吸附气体中，没有烯烃气体。煤氧化产生C2H4和C3H6气体的临界温度分别在110℃和140℃左右，与CO气体相比，有一个明显的时间差和温度差。C2H4出现，标志着煤氧化进入加速氧化阶段，煤温在超过253℃后迅速升高至332℃。从气体浓度变化上表现为出现突起的陡峰，这是煤剧烈燃烧的表征。

2.3 C2H2 气体产生规律

C2H2气体在矿井中常作为煤自然发火的重要的标志气体，实验煤样产生C2H2气体初始温度为330℃左右，这与C3H6相比又有一个明显的温度差。C2H2是煤进入燃烧阶段的标志，因此，一旦出现C2H2气体，采取措施时一定要谨慎，避免采取直接剥挖火源的办法，以免高温煤体引发瓦斯或煤尘爆炸事故。

2.4 煤自然发火标志气体优选

①CO 作为预测预报煤自然发火的指标气体，其预测的温度范围为常温至215℃。CO 出现的临界温度较低，为27℃左右，并在整个自燃发火过程中都有CO 产生，应特别加强观测。

②烯烃气体 C2H4和 C3H6气体预测的温度初始温度分别在 110℃和 140℃左右，C2H4气体和C3H6气体的出现标志着煤氧化进入激烈氧化阶段的标志。在有CO 存在的前提下，只要出现C2H4或C3H6，必须采取切实有效的灭火措施。

③C2H2气体生成临界温度为330℃左右，C2H2气体出现标志着煤已完全处于燃烧或阴燃阶段。

④综上所述，选择CO、C2H4、C2H2作为B2 煤层自然发火的标志气体。

3 自然发火标志气体现场观测

3.1 采空区自然发火标志气体观测

3.1.1 采空区埋管方式

在B2 煤层I010203 工作面回风顺槽埋设3 趟束管，并用φ20mm 无缝钢管进行保护。在每个采样点位置设置一个取气三通，为防止被水或煤泥堵塞，每个取气三通需抬高至离底板1m 高位置，同时与每个采空区束管采样点同步设置测温热电偶，以对采空区内不同位置的温度进行持续监测。

3.1.2 观测结果及分析

通过3 个测点采集气样分析采空区气体变化规律。观测结果分析可知，I010203 采空区回风侧散热带范围为0～4m，氧化带范围为4～47.2m，超过47.2m 的区域则为窒熄带。

3.2 回风隅角自然发火标志气体观测

根据回风隅角CO 出现波动但未呈现持续增长趋势，均稳定在24×10-6以下。通过数理统计分析可得，回风隅角CO 平均浓度为11×10-6。

3.3 回风流自然发火标志气体观测

I010203 工作面割煤、放煤等生产阶段对回风流气体组分影响较小，几乎可以忽略不计，回风流CO 浓度平均为4×10-6。

4 自然发火标志气体临界值

C2H4、C2H2等气体在常温下并不产生，且一旦产生，该气体组分有无就可判断采空区遗煤所处的自燃状态。因此，确定B2 煤层自然发火标志气体临界值为CO 气体的临界值。采煤工作面CO 气体来源主要分为三个方面：①采空区遗煤氧化；②生产过程中煤体氧化；③支架顶煤氧化、放炮和无轨胶轮车等其他外部因素产生，据此可建立[CO]浓度计算数学模型：

式中，x——修正系数；Qg——目标区域风量，m3/s；——采空区遗煤氧化CO 生成速率，m3/s；Vc2o——推采时煤体氧化CO 生成速率，m3/s；Vc3o——放炮等其它生成CO 速率，m3/s。

根据采空区现场观测并采用数理统计法可得，散热带内遗煤平均温度为22.2 ℃，氧化带遗煤平均温度为24.41℃。工作面割煤期间对CO 产生可忽略不计，生成速度为0。工作面进风量为1064.61m3/min，回风量为1503.48m3/min，工艺巷进风量为237.38m3/min，回风隅角过风量为309.15m3/min，氧化带过风量为42.12～101.09m3/min，散热带过风量与隅角过风量相等。单位炸药导致CO产生速度为0.02×106m3/s。根据实验数据，B2 煤层CO 生成速率以氧气浓度10%（71℃）和氧气浓度20.9%（62℃）时的CO 平均生成速度，计算得4.57×10-6mol/(m3/s)。

综合上述，将各参数代入公式，得到表1内的理论计算结果。

将表1内数据代入公式，可分别计算出不同区域的修正系数，如表2所示。

在非预裂爆破影响时间段内，并利用表2修正系数和表1数据代入公式计算得到B2 煤层自然发火标志气体CO临界值如表3所示。

表1 工作面正常条件下不同区域CO 标志气体浓度

表2 修正系数计算结果

表3 不同煤温下工作面不同区域CO 气体临界值

5 结论

①CO、C2H4、C2H2、C3H6、C2H4/C2H6、C3H8/C2H6可以作为B2 煤层自然发火的标志气体或发火指标，选择CO、C2H4、C2H2作为B2 煤层自然发火的标志气体。

②CO 在常温25℃就可产生，CO 预测的温度范围从常温至215℃；C2H4气体产生时对应煤温为110℃，是煤进入激烈氧化阶段的标志气体；C2H2气体产生时对应煤温为332℃，是煤已经开始燃烧或阴燃的标志气体。

③采空区散热带CO 发火临界值为57×10-6，氧化带CO 发火临界值为287×10-6，回风隅角CO 发火临界值为23×10-6，回风流CO 发火临界值为5×10-6。在CO 存在前提下，只要C2H4和C2H2出现，必须采取切实有效的灭火措施。