七五煤礦3#煤層自然發火各階段指標氣體優選研究

李昭水 王 帥 鄧海賓 徐 俊

(1.棗礦集團七五煤礦，山東省棗莊市，277100； 2. 中國礦業大學安全工程學院，江蘇省徐州市，221116； 3.中國礦業大學煤礦瓦斯與火災防治教育部重點實驗室`，江蘇省徐州市，221116)

我國是世界上礦井火災最嚴重的國家之一。據統計我國約56%以上煤層具有自燃傾向性，由于煤炭自燃而引起的火災占礦井火災總數的85%～90%。因此研究防治煤自燃技術具有重要意義，而防治的關鍵是對煤自燃進行準確地預測預報。已有的研究表明，煤炭自燃是一種非常復雜的物理、化學變化過程，在煤的氧化過程中，隨著氧化進程將依次釋放出各種氣體，這些氣體的出現及釋放量能較準確地反映煤炭氧化自燃程度。因此，準確地分析煤炭氧化自燃所放出的氣體及其濃度，能夠及時地預測預報煤炭自燃情況，為防治工作提供科學指導。

多年來許多專家學者在煤炭自燃指標氣體預測預報方面做了大量卓有成效的工作。肖旸等通過特大型煤自然發火試驗臺對煤樣自燃過程進行試驗模擬，得出煤自燃過程中相應的指標氣體，建立了煤自燃指標氣體與特征溫度的對應關系；羅海珠等在分析試驗數據的基礎上，集中研究了我國不同煤種的煤在氧化自燃過程中氣體產物的組成和變化規律，并提出了指標氣體與煤溫的定量關系和早期預測預報自然發火的指標；鄧軍等通過煤自燃程序升溫試驗對峁底煤礦預報煤自燃氣體指標進行試驗研究，利用試驗得到煤氧化熱解過程中各階段的氣體組分和濃度，依據指標氣體優選原則，確定了峁底煤礦煤自燃的主要氣體指標和輔助氣體指標；鄔劍明等通過對平朔礦區4個煤層煤樣進行程序升溫試驗，得出了平朔礦區煤炭自燃的標志氣體應以CO、C2H4為主，H2為輔。

本文在已有研究的基礎上針對棗礦集團七五煤礦3#煤層217工作面自然發火問題，通過煤低溫氧化試驗和灰色關聯度分析相結合的方法，優選確定適用于該煤層自燃各階段標志性氣體的預測指標，從而有效指導該礦自然發火防治工作。

1 七五煤礦217工作面概況

七五煤礦位于山東省微山縣一帶，主要含煤地層總厚約為108.25 m，主采煤層為3上#、3下#、12下#、14#和16#煤層。3上#煤層煤厚3.6～4.6 m，平均煤厚4.2 m，變異系數為40%，可采性指數為82%。該煤層結構簡單，屬較穩定煤層。3#煤層屬Ⅱ類自燃煤層，有自然發火傾向性，煤層自然發火期為52 d；有煤塵爆炸性危險；無煤與瓦斯突出危險性。217工作面開采3#煤層，工作面傾斜寬140.5～141.5 m，煤層厚為3.6～4.6 m，平均煤厚為4.1 m，傾角為10°，采用走向長壁采煤方法。

2 自然發火標志性氣體分析

2.1 試驗裝置

本次試驗研究裝置采用自行搭建的煤自燃低溫氧化測試系統，該系統主要由氣路控制系統、程序升溫爐、煤樣罐、測溫儀、氣體分析檢測儀、溫度控制系統等組成。試驗系統圖見圖1。

圖1 程序升溫及色譜分析系統

2.2 試驗過程

選取七五煤礦3#煤層217工作面新暴露的煤樣，現場封裝運至實驗室；剝除煤樣表面氧化層，然后用破碎機將其破碎并篩分出粒徑40～80目的煤粒；稱取50 g煤樣置于煤樣罐內，并將煤樣罐置于程序升溫爐中，然后連接好進氣氣路、出氣氣路，檢查氣路的氣密性無誤后開始試驗。測試時通過調節流量控制器向煤樣罐內通入50 ml/min的干空氣，在程序控溫器控制下對煤樣進行程序升溫試驗，設置溫升速率為1.2℃/min。本試驗考察煤自燃低溫階段的氧化特性，故最終溫度控制在220℃，期間每隔10℃采取氣樣，當到達指定溫度時，恒定溫度5 min后取氣樣通入氣相色譜儀進行氣體組分和濃度分析。煤樣工業分析：煤樣類型屬煙煤，水分含量8.19%，灰分含量5.22%，揮發分含量30.13%，固定碳含量59.24%。

2.3 試驗結果及分析

煤炭自燃預報指標的選擇是根據具體條件逐漸摸索確定出適合礦井準確的預報指標和預報臨界值。目前常用的煤炭自燃預報指標有標志氣體的濃度、標志氣體的發生量、格雷哈姆火災系數、鏈烷比及烯烷比等。本次煤樣升溫氧化試驗主要選取CO、CO2、CH4、C2H4、C2H8、C3H86種氣體濃度和鏈烷比、烯烷比兩種系數隨溫度的變化規律進行研究，試驗結果如圖2和圖3所示。

圖2 CO、CO2濃度隨溫度變化曲線

由圖2可知，在常溫30℃時，煤樣無CO氣體釋放，溫度達到50℃時，煤樣開始釋放出CO氣體，在120℃以下時，CO的釋放量較小且上升速率較低，呈現平穩上升趨勢，此時煤炭氧化較為平緩；120℃后，CO釋放量驟升，煤炭氧化程度加劇。CO2含量在30℃～130℃期間，呈現平穩上升的趨勢；130℃～220℃期間，CO2含量增幅變大。

圖3 CH4、C2H4、C2H6、C3H8濃度隨溫度變化曲線

由圖3可知，在30℃的溫度時，煤樣產生CH4氣體，其濃度隨溫度的升高呈先升高后降低再升高的趨勢。煤樣氧化溫度升高至140℃時，檢測到了C2H4氣體，其濃度隨溫度的升高不斷增大。C2H6氣體生成濃度在30℃～150℃期間平穩增加，當溫度達到150℃以上時，隨著溫度升高，C2H6氣體生成速率增大，釋放量驟升。溫度達到80℃時，煤樣開始釋放出C3H8氣體，且氣體濃度隨著溫度的升高逐漸上升。

分析可知，CO可以作為煤炭自燃早期預測預報氣體，一旦發現CO氣體，就必須及時跟蹤檢測CO濃度變化趨勢，若發現其濃度有顯著上升趨勢，即判定有自燃征兆并立即采取措施。氧化產生的熱量使煤溫繼續升高，當超過煤自燃的臨界溫度時，煤溫急劇加速上升，氧化進程加快，開始產生多種芳香烴的碳氫化合物(CxHy)、更多的CO等可燃氣體。例如在130℃時產生了C2H4氣體，在檢測過程中若出現C2H4氣體，則說明采空區已出現130℃以上的高溫區，會加速煤炭自燃，應立即采取防治措施加以控制。

七五煤礦3#煤層217工作面氧化升溫過程中生成氣體的烯烷比、鏈烷比系數隨溫度的變化規律如圖4所示。

圖4 3#煤層氧化生成氣體的烯烷比及鏈烷比

由圖4可知，在溫度140℃～220℃之間，3#煤層低溫氧化過程中的烯烷比(C2H4/C2H6)在0.02～0.88之間，且在此過程中烯烷比隨著溫度的升高而逐漸增大。說明當烯烷比大于0.02時煤中溫度已達到140℃，此時應立即采取防治措施。同理，鏈烷比(C3H8/CH4)在0.78～2.32之間，且在溫度140℃～300℃之間烯烷比隨著溫度的升高而逐漸增大，說明當鏈烷比大于0.78時煤中溫度已接近150℃。

3 各指標氣體灰色關聯度分析

3.1 灰色關聯度分析及其原理

灰色關聯度分析是根據系統內部各因素之間發展態勢的相似或相異程度衡量因素之間關聯程度的一種系統分析方法。它通過對灰色系統中有限數據序列的分析，尋求系統內部諸因素之間的關系，找出影響目標值的主要因素，從總體上把握系統動態運動的規律，從而為系統預測、決策、控制提供有用和比較可靠的依據。灰色關聯度分析的核心是灰色關聯度的計算。關聯度是描述系統各因素之間相互關系的主要參數。通過比較關聯度的大小確定主要因素和次要因素，從而判斷引起該系統發展的主要因素和次要因素。

灰色關聯度分析首先要確定系統的參考序列，即母序列，記為xi(i=1,2,3，…，m)；其次確定與參考序列作關聯程度比較的子序列，即比較序列，記為yj(j=1,2,3，…，s)，m、s表示序列的個數。

經過n次試驗，則系統每個參考數列和比較數列就形成如下數列:

(1)

式中：xi(k)，yi(k)——系統第i個參考序列和第j個比較序列在第k次試驗時的數據。

為保證關聯度計算結果的準確性，通常將原始數據序列均值化或歸一化處理。均值化處理后式(1)變為：

(2)

關聯系數的計算公式為：

(3)

ξ——分辨率系數，一般取值介于0～1，本例中取ξ=0.5。

關聯系數的數目和試驗的次數一致。通常試驗次數很多，因此關聯系數的數目也很多，信息過于分散。為了便于比較，常采用均值化將各個時刻的關聯系數化為一個量值，即為該相關因素的關聯度，從而可對各相關因素的關聯度進行比較分析。

關聯度的一般表達式為：

(4)

進而可得到關聯度矩陣：

(5)

當參考序列和比較序列不只一個時，這種關聯分析就叫做優勢分析。由母序列和子序列構成關聯矩陣，通過關聯矩陣，分析各因素之間的關系，找出優勢因素和非優勢因素。

3.2 指標氣體與煤溫的灰色關聯度分析

將灰色關聯度分析運用于煤自燃氣體指標優選時，可以通過計算各個可選標志氣體與煤自燃氧化溫度之間的關聯度，來確定各個標志氣體的優先程度。

由試驗結果分析可知，在煤進入加速氧化階段之前，由于煤沒有生成C2H4、C3H8等氣體，而烯烷比(C2H4/C2H6)和鏈烷比(C3H8/CH4)在自燃階段初期比值又很小，容易出現誤差，所以主要使用CO單個指標進行預測預報，不需要進行關聯分析，此階段只需密切關注CO濃度的變化即可。如果CO濃度持續上升，那么就已存在自然發火隱患，應立即作出預警。CO2、CH4由于在煤體中均有賦存，故不宜作為煤自然發火指標氣體。而在加速氧化階段C2H4、C2H6、C3H8、烯烷比(C2H4/C2H6)和鏈烷比(C3H8/CH4)隨煤溫升高普遍呈現較好的規律性，從而使得預測指標增多，但在預測準確性增強的同時，各指標氣體之間又會產生矛盾，此時有必要區分主要因素和次要因素，因此此階段是煤炭自然發火早期預測預報的關鍵時期。因灰色關聯度分析主要應用在煤加速氧化階段，選取溫度T為煤種進入加速氧化階段對應溫度點140℃～220℃之間對各氣體指標進行關聯分析。

首先確定溫度序列T作為參考序列，把CO、C2H4、C2H6、C2H4/C2H6、C3H8/CH4作為比較序列，分別設為X1、X2、X3、X4、X5。

下面以七五煤礦3#煤層217工作面層煤樣為例進行關聯分析說明。

(1)確定參考序列和比較序列。以溫度為參考序列：

各氣體指標比較序列為：

(2)利用均值法進行無量綱化處理。

(4)計算兩級最大差和最小差。

(5)計算關聯系數。取分辨率系數ξ=0.5，由公式：

(6)

代入數據得：

(6)計算比較序列T0和參考序列Xi的關聯度，采用公式：

(7)

代入數據得：

由灰色關聯度分析結果可知，在七五煤礦217工作面3#煤層加速氧化階段(140℃～220℃)，氣體預報指標綜合關聯度由高到低依次為C3H8/CH4>CO>C2H6>C2H4/C2H6>C2H4，因此，七五煤礦3#煤層加速氧化階段首選預報指標為C3H8/CH4，第二預測指標為CO，第三預測指標為C2H6。

4 結論

(1)通過煤低溫氧化試驗得出在煤自燃早期可使用CO單個指標進行預測預報，一旦發現CO，就必須及時跟蹤檢測CO濃度變化趨勢，若發現其濃度有持續上升趨勢，即有自燃征兆，應立即采取措施。

(2)在加速氧化階段通過灰色關聯度分析各氣體預報指標綜合關聯度由高到低依次為C3H8/CH4>CO>C2H6>C2H4/C2H6>C2H4，因此，七五煤礦3#煤層加速氧化階段首選預報指標為C3H8/CH4，第二預測指標為CO，第三預測指標為C2H6。