平朔井東煤業9號煤層自然發火指標氣體優選實驗研究★

張鵬飛，吳玉國，楊 凱

（1.太原理工大學 礦業工程學院，太原 030024；2.中煤平朔集團有限公司 井東煤業，山西 朔州 036006）

1 課題背景簡況

煤炭自燃是個動態復雜的發展過程，在特定環境條件時煤吸附氧，經過氧化自熱，熱量積聚到一定程度，產熱量大于放熱量，便會引起煤炭自燃。煤炭自燃后其周圍煤巖及空氣溫度升高，熱解并釋放出一系列的氣體產物，這些氣體的出現和產生量隨著溫度的上升會呈現出規律性的變化。利用這種變化來預測預報煤是否發生自燃及自燃的發展情況，這些能預測并反映煤自然發火狀態的氣體稱為煤自燃性指標氣體。不同的礦井、煤質、煤賦存條件、開采情況都會影響到氣體產物的臨界溫度。因此，筆者以平朔井東煤業9號煤為研究對象，通過實驗研究優選出適合9號煤的指標氣體。

2 實驗設計概況

1）煤樣的選取：實驗選用平朔井東煤業9號煤，其工業分析結果，如表1所示。

2）實驗裝置：利用太原理工大學的煤自燃綜合特性測試裝置，對平朔井東煤業9號煤樣進行程序升溫氧化實驗。煤自燃綜合特性測試裝置系統圖，見圖1，由預熱氣路、傳熱煤樣罐、程序控溫箱、溫度控制系統、數據采集系統組成，能實現恒溫、程序升溫、跟蹤升溫三種溫控方式，可經跟蹤溫度絕熱、預熱氣路絕熱、絕熱煤樣罐絕熱，最大限度地實現煤自燃絕熱條件。

表1 工業分析結果

圖1 煤自燃綜合特性測試裝置系統圖

3）實驗條件及過程：選用井東煤業9號煤層煤樣，對現場采集的新鮮大煤塊剝除表面的氧化層，保留煤芯部分，用真空袋封裝運至實驗室。利用顎式破碎機對煤芯粉碎研磨，篩選出0.20～0.28 mm（60～80目）的顆粒煤40 g作為實驗煤樣，用廣口瓶封裝待用。實驗前，將制備好的煤樣置于銅質煤樣罐內，煤樣罐密閉后放于程序控制箱中，連接好進、出氣路及溫度探頭（探頭水平垂直置于罐體幾何中心），并檢查系統氣密性。實驗時，向反應器內通入80 mL/min的干空氣，以1℃/min的升溫速率對煤樣進行加熱，標志性氣體分析溫度設為30℃～220℃（煤自然發火理論表明：150℃左右時，即煤進入加速升溫階段，煤溫上升迅速，在良好的外部條件下，可以很快達到燃燒階段，此時對于早期預報已沒有意義）。

3 實驗結果分析

經過實驗，得到井東煤業9號煤樣在通入空氣后程序升溫氧化過程中，氣體產物隨煤溫變化的實驗數據，經整理和分析，研究了 CO、H2、C2H4、CO/CO2、C2H4/C2H6等氣體濃度（比值）隨煤溫升高的演化規律。

1）CO濃度（比值）隨煤溫升高的演化規律：從圖2看出，井東煤業9號煤產生CO的臨界溫度30℃～50℃（煤氧化過程中可檢測到CO急劇變化的溫度），CO氣體貫穿整個氧化過程中，其在低溫氧化階段產生量較小，濃度變化會隨著溫度的升高大致呈指數上升趨勢。但在70℃～80℃時，CO生成量隨煤溫的升高也會變得迅速，說明從該溫度段開始，煤進入迅速氧化階段，煤氧復合作用加劇。對于井東煤業9號煤層，若檢測到CO存在，需持續加強檢測，在對煤體溫度進行測定時，如果溫度接近70℃左右，說明CO的溫升率變得更加靈敏，應及時采取措施，以防止煤自燃擴大。參照煤炭自然發火指標氣體優選的原則，30℃～50℃時已可加強監測，因此CO可作為井東煤業9號煤層檢測自然發火的主要指標氣體。

2）H2濃度（比值）隨煤溫升高的演化規律：從圖3看出，井東煤業9號煤中H2生成的臨界溫度120℃，其產生量隨煤溫升高呈先增大、后減小、再增大。在120℃～180℃時，H2隨溫度急劇增加，說明煤自燃已進入加速氧化階段；在180℃～210℃時，其產生量會略有下降。

3）C2H4濃度（比值）隨煤溫升高的演化規律：從圖4看出，井東煤業9號煤中C2H4出現的溫度110℃左右，其產生量會隨煤溫升高整體呈單一遞增關系。在110℃～160℃變化浮動較??；大于160℃后，表現出明顯上升趨勢。當檢測到C2H4濃度30 ppm時，說明煤溫已達160℃，氧化進入加速氧化階段，故可作為煤層自然發火的指標氣體。

圖2 井東煤業9號煤層煤樣C O隨溫度的變化趨勢圖

圖3 井東煤業9號煤層煤樣H2隨溫度的變化趨勢圖

圖4 井東煤業9號煤層煤樣C2H4隨溫度的變化趨勢圖

4）CO/CO2濃度（比值）隨煤溫升高的演化規律：由圖5可知，在30℃～50℃時，CO/CO2比值較平穩，CO和CO2生成速率相近，溫度較低時，煤氧化還不完全，CO濃度較小，所以比值增加緩慢。當70℃～150℃時，比值呈單調增長趨勢，此時煤進入迅速氧化階段，隨著煤溫升高CO生成速率明顯高于CO2。在大于150℃后，比值開始明顯下降，說明CO2生成速率開始高于CO。對于井東煤業9號煤層，若能檢測到CO/CO2濃度比增加迅速，則表明煤溫肯定已經超過70℃，煤體將進入加速氧化階段，應采取可行的預防措施。在70℃～80℃左右時，CO濃度會隨溫度變得靈敏，且CO/CO2比值增速也加快，因此，在以CO為主要指標氣體的同時，可將CO/CO2比值作為檢測井東煤業9號煤層自然發火的輔助指標。

圖5 井東煤業9號煤層煤樣C O/C O2隨溫度的變化趨勢圖

5）C2H4/C2H6：由圖 6 可知，C2H4/C2H6比值隨煤溫總體呈增長趨勢，溫度100℃～150℃時浮動較??；當溫度大于150℃后，比值開始出現明顯上升趨勢；當檢測到比值超過0.5時，可以認定煤層已劇烈氧化。因此在檢測儀器足夠靈敏時可作為東煤業9號煤層自然發火的輔助指標。

圖6 井東煤業9號煤層煤樣C2H4/C2H6勢圖

4 結論

（1）煤樣中出現CO的臨界溫度在30℃～50℃，產生量隨溫升呈指數上升趨勢。因此，CO可作為井東煤業9號煤層檢測自然發火的主要指標氣體，并輔以CO/CO2比值來檢測煤層自然發火的情況。

（2）C2H4在110℃左右出現，產生量隨溫升整體呈單一遞增關系，可作為煤層自然發火的主要指標氣體。由于H2出現的臨界溫度為120℃，生成量隨溫升先增大、后減小、再增大的趨勢變化，所以單一依靠H2來檢測煤層自然發火情況并不科學。

（3）C2H4/C2H6比值受環境因素影響較小，在檢測儀器足夠靈敏時可作為煤層自然發火的輔助指標。

[1] 肖劍儒.神東礦區石圪臺礦2-2號煤自燃特征溫度與指標氣體實驗研究[J].中國煤炭,2011(9）:94-96.

[2] 吳玉國,鄔劍明,王俊峰.煤層自燃指標氣體的試驗研究[J].中國煤炭,2007（4）:40-42.

[3] 鄔劍明,彭舉,吳玉國.平朔礦區煤自然發火指標氣體選擇的試驗研究[J].煤炭科學技術,2012（2）:67-69.

[4] 朱令起,周心權,謝建國.自然發火標志氣體實驗分析及優化選擇[J].采礦與安全工程學報,2008（4）:440-443，448.

[5] 漢鵬,陸偉,王寶德.煤自燃過程指標氣體產生規律的系統研究[J].礦業安全與環保,2007（6）:46-49.