張 群姚海飛徐長富吳海軍鄭忠亞

（1.煤炭科學技術研究院有限公司安全分院，北京市朝陽區(qū)，100013；2.煤炭資源高效開采與潔凈利用國家重點試驗室（煤炭科學研究總院），北京市朝陽區(qū)，100013；3.北京市煤礦安全工程技術研究中心，北京市朝陽區(qū)，100013）

晉城礦區(qū)整合礦井煤程序升溫特性試驗研究?

張 群1，2，3姚海飛1，2，3徐長富1，2，3吳海軍1，2，3鄭忠亞1，2，3

（1.煤炭科學技術研究院有限公司安全分院，北京市朝陽區(qū)，100013；2.煤炭資源高效開采與潔凈利用國家重點試驗室（煤炭科學研究總院），北京市朝陽區(qū)，100013；3.北京市煤礦安全工程技術研究中心，北京市朝陽區(qū)，100013）

針對晉城礦區(qū)整合礦井集中存在的破壞區(qū)塊多、采空區(qū)漏風嚴重等問題，選取大峪15#、仙泉15#、晉平10#3個煤層開展了程序升溫特性試驗，分析了CO及烴類氣體產生量隨煤溫的變化規(guī)律，測算了自燃臨界溫度，優(yōu)選了自燃標志氣體指標。結果表明，計算得出大峪、仙泉、晉平3個煤層的自燃臨界溫度分別為85℃、74℃、55℃，其大小反映了煤初期氧化能力的強弱；根據煤自燃標志氣體優(yōu)選原則，建議將CO和C2H4作為煤自燃預測預報的主要指標，輔以規(guī)律性良好的其它非吸附烴類氣體、鏈烷比和烯烷比。研究結果對提高晉城礦區(qū)類似整合礦井煤自燃預測預報準確度和火災防治水平具有指導意義。

整合礦井 程序升溫特性 標志氣體 臨界溫度 煤自燃預測預報

煤自燃火災是制約煤礦安全生產的主要災害之一，嚴重威脅井下的生命和財產安全。煤的自燃過程可分為緩慢氧化、加速氧化和劇烈氧化3個不同的發(fā)展階段，隨著氧化過程的推進，每個階段對應著不同的氣體產物種類和濃度，這些氣體的出現及產生量能間接反映煤的自燃氧化程度。程序升溫試驗是模擬煤自燃過程最直接的方法，即在一定的起始溫度條件下，控制環(huán)境溫度以勻速速率升高，通過不斷傳熱促使目標對象升溫的一種測試方法。程序升溫法由于測試過程連續(xù)性好且操作簡單、快捷，被廣泛應用于煤自燃過程的多種指標測試中，如標志氣體優(yōu)選、交叉點溫度測試等。梁運濤、嚴榮林和許延輝等通過大量煤氧化模擬試驗，創(chuàng)新性地提出了以CO、C2H4、C2H2、鏈烷比和烯烷比等為主指標的綜合指標體系，并以典型煤種為例，提出了褐煤、氣煤、長焰煤、肥煤、焦煤、貧煤、瘦煤、無煙煤八大煤種的自燃標志氣體優(yōu)選原則；李金帥等通過與恒溫測試法對比煤氧化升溫過程中CO的生成量，研究了低溫階段程序升溫法對煤氧化過程的影響；仲曉星等建立了利用CO濃度與溫度的變化求解臨界溫度的計算模型，提出了基于程序升溫條件下的煤自燃臨界溫度測試方法；朱紅青等基于絕熱氧化試驗和程序升溫試驗，研究了多因素下煤自燃低溫氧化臨界溫度指標及其關聯性。

煤炭資源整合是淘汰落后、優(yōu)化布局、提高產業(yè)集中度的重要手段，是提高礦井安全保障能力的有效途徑。晉城礦區(qū)整合礦井前身大多為小煤礦及小煤窯，其開采方式通常為短壁式或掘巷開采，在掘空巷道和采空區(qū)內產生大量的遺煤和松散煤柱，長期無規(guī)劃開采造成巷道相互貫通，漏風通道多或裂隙嚴重，極易形成煤自燃火災。因此，實現煤自燃火災的預測預報是晉城礦區(qū)整合礦井煤炭資源安全開采的迫切需要，而研究煤的程序升溫特性是有效防治煤自燃火災的基礎。

1　程序升溫試驗

1.1 試驗設備

本次程序升溫試驗采用自主研發(fā)的煤自然發(fā)火模擬系統(tǒng)，其結構如圖1所示。該系統(tǒng)主要包括程序升溫爐、氣相色譜儀、煤樣罐、溫度測控系統(tǒng)、預熱管路、流量計等部件。程序升溫爐內置石棉保溫層，通過溫度測控系統(tǒng)實現恒溫、程序升溫和跟蹤升溫功能；圓柱型煤樣罐采用純銅材質，內置鉑絲溫度探頭；空氣通過預熱管路進入煤樣罐內與煤體發(fā)生反應；氣相色譜儀可對O2、CO、CO2、CH4、C2H4、C2H6及C3H8等氣體進行常量及微量分析。

圖1　煤自然發(fā)火模擬裝置

1.2 試驗煤樣

大峪、仙泉和晉平煤礦是晉城礦區(qū)內三座典型整合礦井。本次試驗煤樣取自大峪15#、仙泉15#和晉平10#煤層，煤質為煙煤，主要指標見表1。

表1　試驗煤樣主要煤質指標

試驗時取新鮮的大塊煤樣，將外殼被氧化部分去掉，取芯粉碎，篩分出粒徑為0～1 mm、1～3 mm、3～5 mm、5～10 mm的4種煤粒，為了綜合反映不同粒徑對煤程序升溫特性的影響，選用4種粒徑質量比1∶1∶1∶1的混合煤樣1000 g進行程序升溫試驗。

1.3 試驗過程

將稱量好的煤樣緩慢裝入煤樣罐，再放入程序升溫爐內；在煤樣罐和程序升溫爐的幾何中心分別布置一個溫度傳感器；連接好氣路后檢查整個裝置的氣密性。試驗時以130 ml/min的流量向煤樣罐內通入干空氣，升溫速率設置為0.5℃/min。試驗過程溫度范圍為30～240℃，每隔10℃在煤樣罐出口用針管取一次氣體，立即使用氣相色譜儀對其進行分析。

2　試驗結果分析

2.1 氣體產生量

（1）CO產生規(guī)律。CO是煤自燃過程中最早出現的氧化氣體產物，并貫穿始終。3種煤樣CO產生量隨煤溫的變化規(guī)律如圖2所示。由圖2可知，室溫30℃時即存在緩慢的煤氧復合反應，伴隨微量的CO產生；煤溫低于110～120℃時，CO產生量呈線性緩慢增加；110～120℃之后，CO產生量出現一個飛躍，此后急速增長，逐步進入劇烈氧化階段。整個過程中，煤體活性基團與氧氣反應生成CO的規(guī)律呈近似指數形態(tài)的單調遞增特征。CO可以作為煤自燃預測預報的主要指標。

圖2　CO產生量隨煤溫的變化規(guī)律

（2）烴類氣體產生規(guī)律。3種煤樣C2H4、C2H6和C3H8產生量隨煤溫的變化規(guī)律如圖3所示。由圖3可知，3種煤樣烴類氣體產生的初始溫度相同，分別為150℃、110℃、110℃。由圖3 （a）可知，3種煤樣C2H4產生量隨煤溫升高單調增大，C2H4的出現表明煤自燃已進入加速氧化階段，可以作為預測預報的主要指標；由圖3（b）可知，C2H6產生量隨煤溫升高基本呈線性增大，規(guī)律性較好，可以作為輔助指標；由圖3（c）可知，除大峪15#煤在200℃之前規(guī)律性較差外，仙泉15#煤和晉平10#煤C3H8產生量隨煤溫升高基本呈線性增大，可以作為輔助指標。

2.2 氣體比值

CO和C2H4是目前中變質程度煤種最常使用的煤自燃預測預報標志氣體，但在現場應用過程中，不能忽略復雜環(huán)境和條件的影響，特別是大部分煤自燃發(fā)生在煤柱或采空區(qū)，影響氣體產物涌出量的因素極多，且井下煤的自熱或氧化是在貧氧條件下進行的，這使現場實際檢測到的標志氣體產生量與試驗條件下所得標志氣體產生量之間沒有明確關系。假設氣體產物涌出穩(wěn)定，其檢測濃度僅受風量變化的影響，為消除井下風量的影響，除了單一氣體指標外，還需分析鏈烷比、烯烷比等復合指標來預測預報煤自燃情況。

圖3　烴類氣體產生量隨煤溫的變化規(guī)律

（1）鏈烷比。鏈烷比主要指長鏈烷烴與甲烷和乙烷的濃度比值。由于煤自燃過程中絕大部分CH4來源于煤體原始賦存CH4的脫附，氧化產生的僅占極小部分，實際生產過程中容易受到采掘工作、落煤時間等因素影響，所以φ（C2H6）/φ （CH4）、φ（C3H8）/φ（CH4）通常不能反應煤真實的自燃程度。3種煤樣φ（C3H8）/φ（C2H6）的規(guī)律如圖4所示。由圖4可知，仙泉15#煤φ （C3H8）/φ（C2H6）規(guī)律性良好，可以作為煤自燃預測預報的輔助指標；其余兩個煤層該指標不滿足單調變化性，且沒有能夠判定煤程序升溫過程中特征溫度段的極值出現。

圖4　φ（C3H8）/φ（C2H6）隨煤溫的變化規(guī)律

（2）烯烷比。烯烷比是指烯烴氣體濃度與某一碳鏈大于或等于該烯烴的烷烴濃度的比值。3種煤樣φ（C2H4）/φ（C2H6）和φ（C2H4）/φ（C3H8）的規(guī)律如圖5所示。由圖5可知，仙泉15#煤φ（C2H4）/φ（C3H8）隨煤溫升高單調增大，規(guī)律性良好；晉平10#煤φ（C2H4）/φ（C2H6）在煤溫200℃之前雖然不具有單調變化性，但在200℃之后迅速增大，能夠在一定程度上反映煤在高溫階段的狀態(tài)，所以這兩個指標可以作為煤自燃預測預報輔助指標。

3　煤自燃臨界溫度

（1）基于CO生成量的煤自燃臨界溫度計算模型。

根據反應速率公式和阿倫尼烏斯方程，得出CO的產生率為：

式中：v（CO）——CO產生率，mol/（m3·s）；

m——煤與1 mol O2反應生成CO的摩爾數；

v（O2）——耗氧速率，mol/（m3·s）；

A——前因子；

CnO2——氧氣含量，mol/m3；

n——反應級數；

E——活化能，J/mol；

Ti——絕對溫度，K；

R——氣體常數，取8.314 J/（mol·K）。

圖5　φ（C2H4）/φ（C2H6）和φ（C2H4）/φ（C3H8）產生量隨煤溫的變化規(guī)律

在模擬煤氧化過程中，假設反應前后煤樣質量不變；煤氧反應時氧氣的初始反應濃度不變；風流僅沿煤樣罐的軸向流動；煤樣罐內煤溫均勻。則沿煤樣罐軸向d z處煤樣的CO標準生成速率為：

式中：S——煤樣罐的底面積，m2；

k——單位換算系數，取22.4×109；

vg——氣體流速，m3/s；

c——煤氧化過程中CO產生量，%。

將式（2）帶入式（1）得：

對式（3）兩端積分得：

式中：L——煤樣罐的高度，m；

Cout——煤樣罐出口的CO濃度，%。

對式（4）兩邊取自然對數得：

由式（5）知，當供氣流量一定時，ln Cout與1/Ti是一條直線。通過計算擬合曲線斜率-E/R，可得煤氧化不同反應階段的活化能，而活化能發(fā)生突變的溫度即為煤自燃臨界溫度。

（2）煤自燃臨界溫度分析。3種煤樣的ln Cout與1/Ti函數變化關系如圖6所示。由圖6可知，隨著煤溫的不斷升高，ln Cout與1/Ti函數的斜率會在某點發(fā)生突變，突變點所對應的溫度即為煤自燃臨界溫度。通過計算不同反應階段的擬合曲線，選取相關系數（R2）最高的分段擬合方式判斷突變點，最終得到大峪15#煤、仙泉15#煤和晉平10#煤的表觀活化能發(fā)生突變的1/Ti分別為0.002796、0.002878、0.003051，對應的臨界溫度分別為85℃、74℃、55℃，與煤樣的吸氧量大小呈反比關系。臨界溫度是衡量煤從緩慢氧化發(fā)展到加速氧化難易程度的指標，其高低反映了煤初期氧化能力的強弱，臨界溫度越低，則煤的初期氧化能力越強。

4　結論

（1）通過分析3種煤樣在程序升溫過程中CO、C2H4、C2H6、C3H8氣體的產生量及比值，參照煤自燃標志氣體需具有靈敏性、規(guī)律性、可測性、早期顯現性、唯一性及單調變化性的特點，結合中變質程度煤種標志氣體優(yōu)選原則，建議選取CO、C2H4作為3個煤層自燃預測預報的主要指標，C2H6作為輔助指標，此外，C3H8、φ（C3H8）/φ（C2H6）和φ（C2H4）/φ（C3H8）可作為仙泉15#煤的輔助指標，C3H8和φ（C2H4）/ φ（C2H6）可作為晉平10#煤的輔助指標。

（2）基于CO生成量的煤自燃臨界溫度計算模型，計算得出大峪15#煤、仙泉15#煤和晉平10#煤自燃臨界溫度分別為85℃、74℃、55℃。

圖6　3種煤樣的ln Cout與1/Ti函數變化關系

（3）在煤自燃標志氣體指標體系建立過程中，應盡量摒棄單純使用CO等單一指標的片面觀念，考慮綜合使用規(guī)律性良好的鏈烷比、烯烷比等復合指標共同判定煤自燃狀態(tài)，提高煤自燃預測預報的科學性和準確性。研究結果可以有效避免因采掘活動和地質構造等對煤自燃標志氣體單一指標的影響，指導礦方針對煤的不同自燃階段采取高效、經濟的防治措施，可以為晉城礦區(qū)類似整合礦井的煤自燃預測預報提供重要參考。

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（責任編輯 張艷華）

Coal temperature program characteristics experiment research of integrated mines in Jincheng mining area

Zhang Qun1，2，3，Yao Haifei1，2，3，Xu Changfu1，2，3，Wu Haijun1，2，3，Zheng Zhongya1，2，3
（1.Mine Safety Technology Branch of China Coal Research Institute，Chaoyang，Beijing 100013，China；2.State Key Laboratory of Efficient Exploitation and Utilization of Coal Resources （China Coal Research Institute），Chaoyang，Beijing 100013，China；3.Beijing Coal Mine Safety Engineering Technology Research Center，Chaoyang，Beijing 100013，China）

Temperature program characteristics experiment was taken with Dayu 15#，Xianquan 15#and Jinping 10#coal seams to solve existing problems at integrated mines in Jincheng mining area，such as many broken blocks and severe air leakage in goaf.The experiment analyzed the variation law of carbon monoxide and hydrocarbon gas production with coal temperature，calculated critical temperature of spontaneous combustion and chose spontaneous combustion sign gas index.The result indicated：critical temperature of spontaneous temperature at Dayu，Xianquan，and Jinping is 85℃，74℃，55℃，respectively.The magnitude of this temperature reflects the oxidation ability of coal during early stage；according to optimization principle of coal spontaneous combustion sign gas，it is suggested to choose CO and CH4as main forecast index of coal spontaneous combustion，associated with other well-regularitybehaved non-adsorbed hydrocarbon gas，chain-alkane ratio and olefin ratio.The experiment was proven that could increase accuracy of coal spontaneous combustion prediction at similar integrated mines in Jincheng mining area and improve fire accident prevention.

integrated mine，temperature program characteristics，sign gas index，critical temperature，coal spontaneous combustion prediction

TD752

A

中國煤炭科工集團有限公司科技項目青年基金項目（2016QN002），中國煤炭科工集團科技創(chuàng)新基金資助項目（2012MS001）

張群（1988-），男，陜西咸陽人，助理工程師，從事礦井火災防治理論與技術方面的研究。