郭 杉 高宏燁

（1.山西煤炭運(yùn)銷集團(tuán)長(zhǎng)治有限公司，山西 長(zhǎng)治 046000；2.中煤科工集團(tuán)沈陽(yáng)研究院有限公司 煤礦安全技術(shù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，遼寧 撫順 113122）

我國(guó)大多將CO 在空氣中的含量作為預(yù)測(cè)煤自然發(fā)火的主要預(yù)測(cè)指標(biāo)，但由礦井地理位置的差異和不同煤質(zhì)帶來(lái)的差異，煤自燃產(chǎn)生標(biāo)志氣體的節(jié)點(diǎn)也不盡相同[1-2]。由此，為了更準(zhǔn)確地預(yù)測(cè)三元吉祥煤業(yè)15-3 號(hào)煤層自然發(fā)火情況，擬通過(guò)在15-3號(hào)煤層采集煤樣，根據(jù)煤升溫氧化過(guò)程模擬實(shí)驗(yàn)結(jié)果篩選出自然發(fā)火標(biāo)志氣體，從而對(duì)該煤層自然發(fā)火進(jìn)行預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)。

1 三元吉祥煤業(yè)內(nèi)因火災(zāi)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)

煤炭自燃是一個(gè)多元的綜合反應(yīng)過(guò)程，是由于煤在溫度較低的情況下與空氣中的氧不斷發(fā)生氧化作用（包括范德華吸附、化學(xué)吸附和化學(xué)反應(yīng)）而微弱放熱的過(guò)程[3]，單位體積破碎煤體散發(fā)的熱量小于反應(yīng)散熱量時(shí)，煤巖體及周圍溫度就會(huì)上升，煤體的溫度緩慢而持續(xù)上升以至于達(dá)到煤的著火點(diǎn)而自發(fā)燃燒起來(lái)[4-5]。15-3 號(hào)煤層開采時(shí)冒落帶高度為11.87～16.27 m。15-3 號(hào)煤層開采后上覆的15-1號(hào)煤層會(huì)進(jìn)入15-3 號(hào)煤層工作面采空區(qū)。綜合礦井地質(zhì)資料及現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況，對(duì)三元吉祥煤業(yè)有限公司礦井在生產(chǎn)過(guò)程中可能出現(xiàn)的煤層自燃災(zāi)害進(jìn)行分析，該礦井在開采過(guò)程中存在自然發(fā)火危險(xiǎn)。

2 實(shí)驗(yàn)室實(shí)驗(yàn)及數(shù)據(jù)采集

大部分煤升溫氧化過(guò)程中，煤的自然發(fā)火可以分為三個(gè)不同的發(fā)展過(guò)程，即少量氣體初步析出緩慢反應(yīng)階段、氧化反應(yīng)相對(duì)較快的加速階段和最終產(chǎn)生大量易燃易爆氣體的劇烈反應(yīng)階段[6-8]，其產(chǎn)生的氣體產(chǎn)物種類與濃度受礦井地理位置的差異和不同煤質(zhì)帶來(lái)的差異影響。不同礦井可用于自然發(fā)火預(yù)測(cè)的標(biāo)志氣體如CO、CO2、烷烴、烯烴等與其臨界值需要具體分析[9-10]。

本文通過(guò)實(shí)驗(yàn)裝置對(duì)三元吉祥煤業(yè)15-3 號(hào)煤層進(jìn)行分析，其流程圖如圖1。

圖1 實(shí)驗(yàn)裝置流程圖

通過(guò)實(shí)驗(yàn)，三元吉祥煤業(yè)有限公司15-3 號(hào)煤層煤樣指標(biāo)氣體實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)見表1。

表1 15-3 號(hào)煤層自然發(fā)火標(biāo)志性氣體測(cè)試數(shù)據(jù)表 ×10-6

3 標(biāo)志性氣體分析及臨界值

對(duì)表1 中的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，并以溫度的變化為基準(zhǔn)，其濃度趨勢(shì)如圖2 ～圖6。

圖6 C3H8/C2H6 的比值隨溫度的變化趨勢(shì)圖

3.1 15-3 號(hào)煤層自燃標(biāo)志氣體

由圖2 可知CO2濃度隨溫度的變化趨勢(shì)，煤樣在30～300 ℃的氧化過(guò)程中有規(guī)律地出現(xiàn)CO2，隨著煤體溫度不斷升高，其濃度也呈上升趨勢(shì)。CO2的產(chǎn)生伴隨礦井生產(chǎn)的各個(gè)過(guò)程，且CO2吸附于煤體，其溶解性和吸附性常對(duì)測(cè)定結(jié)果的準(zhǔn)確性造成影響，故而，本煤的自然發(fā)火標(biāo)志氣體不能選用CO2。

圖2 CO、CO2 濃度隨溫度的變化趨勢(shì)圖

由圖2 可知CO 濃度隨溫度的變化趨勢(shì)，煤樣析出的CO 氣體在50～300 ℃的氧化過(guò)程具備一定的規(guī)律。CO 在50 ℃時(shí)初步析出，當(dāng)溫度較低時(shí)，其析出量也較?。坏?0～100 ℃時(shí)CO 溫升率逐漸上升，即煤的升溫氧化過(guò)程已逐步進(jìn)行，進(jìn)而化學(xué)吸附越來(lái)越強(qiáng)，代替范德華吸附占據(jù)了主要位置；當(dāng)溫度在100～141 ℃時(shí)，CO 的析出量不斷增大，說(shuō)明煤樣的氧化反應(yīng)進(jìn)入了加速階段。由此可知，煤體氧化升溫的各個(gè)階段中CO的產(chǎn)生均有明顯特點(diǎn)，即從出現(xiàn)預(yù)示煤體已經(jīng)開始氧化，大量出現(xiàn)則煤溫超過(guò)100 ℃，反之還在100 ℃以下。

綜上所述，CO 的析出昭示著煤已經(jīng)開始緩慢氧化，可以作為本煤的自然發(fā)火標(biāo)志氣體。

3.2 烷烴濃度隨溫度的變化趨勢(shì)

由圖3 可知CH4濃度隨溫度的變化趨勢(shì)，CH4在100 ℃時(shí)開始出現(xiàn)，其生成量以214 ℃為節(jié)點(diǎn)，未達(dá)到節(jié)點(diǎn)溫度前微量產(chǎn)生，在達(dá)到節(jié)點(diǎn)溫度以后其升溫速率與溫度的升高成正比。CH4等瓦斯氣體以在吸附狀態(tài)和游離狀態(tài)兩種賦存狀態(tài)在煤體中賦存，伴隨著煤層開采煤體中游離瓦斯大部分被釋放，隨著瓦斯壓力的降低進(jìn)而吸附狀態(tài)的瓦斯也隨著瓦斯壓力的下降而逐步脫附釋放。CH4大量存在于井下氣體中，無(wú)法用作標(biāo)志氣體。

圖3 烷烴濃度變化趨勢(shì)圖

由圖3 可知C2H6濃度隨溫度的變化趨勢(shì)，C2H6氣體以151 ℃為節(jié)點(diǎn)，達(dá)到節(jié)點(diǎn)溫度開始出現(xiàn)，其生成量在237 ℃以后迅速增加。

由圖3 可知C3H8濃度隨溫度的變化趨勢(shì)，C3H8氣體開始出現(xiàn)的溫度為162 ℃，在259 ℃以后C3H8生成量迅速增加。

由此可知，煤體氧化升溫的部分階段中，C2H6、C3H8的產(chǎn)生均有明顯特點(diǎn)，可以作為本煤的自然發(fā)火標(biāo)志氣體。

3.3 烯烴濃度隨溫度的變化趨勢(shì)

由圖4 可知C2H4和C3H6氣體濃度變化與溫度上升的關(guān)系，C2H4氣體開始出現(xiàn)的溫度為162 ℃，在237 ℃以后C2H4生成量迅速增加。C3H6氣體開始出現(xiàn)的溫度為162 ℃，在237 ℃以后C3H6生成量迅速增加。

圖4 烯烴濃度變化趨勢(shì)圖

煤的自燃特性與C3H6的生成規(guī)律能夠互相映照，而C2H4的產(chǎn)生也預(yù)示了煤體開始加速氧化，故本煤自然發(fā)火標(biāo)志氣體可以選用C2H4和C3H6。

3.4 炔烴濃度隨溫度的變化趨勢(shì)

由圖5C2H2濃度隨溫度的變化趨勢(shì)，C2H2氣體開始出現(xiàn)的溫度為280 ℃。當(dāng)煤體溫度為280 ℃，代表著已經(jīng)有較劇烈的氧化反應(yīng)在煤體中產(chǎn)生，故本煤自然發(fā)火標(biāo)志氣體可以選用C2H2。

圖5 炔烴濃度變化趨勢(shì)圖

3.5 鏈烷比隨溫度的變化趨勢(shì)

鏈烷比指火災(zāi)氣體中位于Cl～C4 范圍內(nèi)的烷烴氣體，某一長(zhǎng)鏈烷烴單一組分的濃度與甲烷或乙烷濃度之比值。

煤樣升溫氧化實(shí)驗(yàn)過(guò)程中C3H8/C2H6的比值隨溫度變化見表2。

表2 C3H8/C2H6 的比值隨溫度變化表

煤樣升溫氧化實(shí)驗(yàn)過(guò)程中C3H8/C2H6的比值隨溫度的變化趨勢(shì)如圖6。

由圖6 可知，C3H8/C2H6的比值與溫度的變化趨勢(shì)不一致，無(wú)法作為本煤自然發(fā)火指標(biāo)。

4 結(jié)論

（1）通過(guò)收集實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，并根據(jù)需要繪制趨勢(shì)圖，綜合分析可知，在30～300 ℃溫度范圍內(nèi)，C2H2、C2H6、C3H6、C3H8、C2H4、CH4、CO 和CO2氣體在15-3 號(hào)煤層煤樣的氧化過(guò)程中有規(guī)律的出現(xiàn)。

（2）煤樣在50 ℃時(shí)大量析出CO，其析出速度隨煤溫升高呈遞增趨勢(shì)；煤樣在151 ℃時(shí)析出C2H6，162 ℃時(shí)析出C2H4、C3H8和C3H6，且析出量都呈指數(shù)增加趨勢(shì)，與溫度的上升效率息息相關(guān)。CO 在50 ℃時(shí)初步析出，當(dāng)溫度較低時(shí)，其析出量也較小；在50～100 ℃時(shí)CO 溫升率逐漸上升，即煤的升溫氧化過(guò)程已逐步進(jìn)行，進(jìn)而化學(xué)吸附越來(lái)越強(qiáng)，代替范德華吸附占據(jù)了主要位置。C2H4在162℃時(shí)析出，說(shuō)明煤的氧化速度開始提升，此時(shí)較強(qiáng)的化學(xué)反應(yīng)開始在煤與氧之間發(fā)生。C2H2在280 ℃析出，一旦有C2H2則代表著已經(jīng)有較劇烈的氧化反應(yīng)在煤體中產(chǎn)生。CH4在100 ℃時(shí)析出，表示煤中原賦存少量的CH4。因此，該煤樣應(yīng)以CO、C2H2、C2H4、C2H6、C3H6和C3H8作為煤自然發(fā)火的標(biāo)志性氣體，并輔以CO、C2H4和C2H2來(lái)掌握煤炭自燃情況。