大南湖一礦采空區煤自燃預警氣體指標研究

王三偉

（國網能源哈密煤電有限公司大南湖一礦，新疆 哈密 839000）

1 背景

我國煤礦采空區自然發火危害嚴重[1]，其中由煤自燃導致的內因火災占采空區火災總數的60%[2-3]，因而煤自燃事故的預防歷來受到煤礦安全管理工作者的重視。煤自燃在發生發展過程中，在不同的溫度階段會產生不同種類、不同濃度的指標性氣體[4-5]，通過觀測這些煤自燃指標氣體，可以對煤自燃事故起到良好的預警和防范作用[6]。煤自燃指標氣體生成規律的科學研究，對現場煤自燃事故的預防有重要意義。

大南湖一礦目前所采的3 煤屬于低變質易自燃煤層（Ⅰ級容易自燃煤層），暴露后極易氧化，最短自然發火期僅為37 d。因而，從煤質的角度而言，大南湖一礦面臨的煤自燃風險較為嚴重，開展3 煤煤樣煤自燃預警指標氣體分析研究對于大南湖一礦安全生產具有重要價值。

2 實驗過程

2.1 實驗原則

煤自然發火的預測預報指標氣體就是指煤氧化升溫過程中釋放出來的與礦井大氣成分有區別并足以能夠用來判斷自然發火征兆的氣體或其比值等參數[7]。在煤自燃早期的發生發展過程中，依據各標志性氣體的產生、變化規律推斷煤自然發火所處的狀態和發展趨勢。因此，煤自燃預警標志性氣體的選取必須具備的原則：（1）靈敏性。一旦有煤炭到達一定的溫度時，相應的煤自燃指標氣體一定出現，且隨著煤體溫度的升高生成量穩定增加；（2）規律性。標志性氣體的生成量與煤體溫度指標呈良好的函數關系，且重復性良好；（3）可測性。礦用普通色譜分析儀可以檢測到標志性氣體的存在。

2.2 實驗方案

（1）實驗設備

煤自燃標志性氣體測試設備采用PTOS-3系統，如圖1。系統包括預熱管路、煤樣反應罐、程序升溫控制箱、數據采集等裝置。該系統能實現程序升溫、恒溫和跟蹤升溫三種溫度控制方式，是國內外自動化程度最高的小型煤自燃實驗臺，具有測試煤樣量小、實驗周期短、體積小、可重復性好及操作方便等優點。

圖1 煤自燃標志性氣體測試系統

（2）實驗過程

在1307 工作面采集新鮮煤樣若干千克，通過保鮮膜密封包裹，然后運送至實驗室。用顎式破碎機對所采煤樣進行破碎，并篩選出0.18～0.25 mm（60～80 目）的顆粒50 g 作為實驗煤樣。

將煤樣置于銅質反應罐內，將反應罐放于程序控溫箱中，依次連接好進氣管路、溫度探頭和出氣管路，并檢查實驗裝置的氣密性。實驗采用的氣體為干空氣，氣體流量為50 mL/min。通過程序升溫控制裝置對煤樣進行程序升溫，初始溫度為30 ℃，每到達一個指定溫度，恒定5 min 后測試出氣管路的氣體成分和濃度，測試溫度范圍為30～220 ℃。

3 實驗結果

實驗過程中，不同溫度下所取煤樣氣體成分、濃度和指標氣體分析情況，見表1。

表1 煤樣指標氣體原始數據表

對1307 工作面煤樣程序升溫過程中的氣體生成變化進行繪圖，如圖2。由圖中可知：煤樣在30～220 ℃的氧化過程中有規律地出現CO2、CO、CH4，且CO2的產生量隨煤溫升高基本呈指數上升趨勢，CO 隨煤溫的升高呈單一遞增關系；H2在100 ℃時出現，C2H6在60 ℃出現，它們的產生量隨煤溫的上升也呈指數上升趨勢；C2H4在90 ℃出現，在200 ℃前基本呈指數上升趨勢，200～220 ℃之間增長趨勢急劇減緩；全程無C2H2出現。

圖2 1307 工作面煤樣煤自燃標志性氣體變化趨勢圖

CO 在30 ℃即開始出現，其在低溫階段生成量較小，但在80 ℃以后CO 溫升率迅速增加，說明此時煤已經開始加速氧化，物理吸附越來越弱，而化學吸附和化學反應占據了主要地位。H2和C2H4的出現，說明此時煤與氧氣已經發生了較強的化學反應。C2H2在30～220 ℃沒有出現，說明一旦該氣體出現，則采空區已出現超過220 ℃的高溫點。C2H6在60 ℃時開始產生，隨著煤溫的增加基本呈指數規律上升，可以作為大南湖一礦的煤自燃指標性氣體。由于大氣中含有較高的CO2濃度，因此煤自燃中產生的微量CO2很難被檢測到，故不能用作煤自燃指標性氣體。CH4本身就賦存在原煤中，煤層開采過程中即會解吸釋放出大量CH4，實驗產生的CH4很可能是煤體原生CH4解吸產生，因而CH4也不適合作為煤自燃指標性氣體。

綜上，1307 工作面煤樣煤自燃標志性氣體及預警溫度見表2。大南湖一礦煤樣應以CO 作為指標性氣體，并輔以H2、C2H6、C2H4、C2H2來掌握煤炭自燃情況：CO 的出現說明煤已經發生氧化反應，C2H6的出現說明煤溫升到了60 ℃，C2H4的出現說明煤溫升到了90 ℃，H2的出現說明煤溫升到了100 ℃，C2H2的出現說明煤溫已超過220 ℃。

表2 1307 工作面煤樣煤自燃標志性氣體及預警溫度

4 實驗結論

采用煤自燃標志性氣體測試設備對大南湖一礦1307 工作面煤樣煤自燃過程中的標志性氣體生成規律進行了研究，研究表明：CO2、H2、C2H6、C2H4隨著煤體溫度的升高基本呈指數性變化規律，CO隨煤體溫度的升高呈單一遞增關系；大南湖一礦煤樣應以CO 作為指標性氣體，并輔以H2、C2H6、C2H4、C2H2來掌握煤炭自燃情況；CO 的出現說明煤已經發生氧化反應，C2H6的出現說明煤溫升到了60 ℃，C2H4的出現說明煤溫升到了90 ℃，H2的出現說明煤溫升到了100 ℃，C2H2的出現說明煤溫已超過220 ℃。