信湖8煤層自然發(fā)火標志氣體分析

高世強

（安徽理工大學(xué)，安徽 淮南 232001）

一、煤低溫氧化標志氣體理論

煤自燃是一個相對復(fù)雜的物理和化學(xué)共同作用的過程，是多變的自動加速的放熱過程，這個過程主要發(fā)生的是煤氧附和反應(yīng)。煤自燃指標氣體是指，由于煤自燃而產(chǎn)生其體積分數(shù)發(fā)生變化的，并對煤自然發(fā)火狀態(tài)和發(fā)展趨勢的火災(zāi)氣體可以進行一定的表征，又稱為指標氣體。自燃指標氣體主要分為三類：第一類最常用的是CO以及（Graham指數(shù)）等屬于碳氧化合物的種類，它適用于長焰煤階段，也在低變質(zhì)褐煤有廣泛應(yīng)用；第二類主要是包括乙烷（C2H6）、丙烷（C3H8）、丁烷（C4H10）等在內(nèi)的烷烴，以及鏈烷比，他們主要包括C2H6/CH4、C3H8/CH4、C4H10/CH4、C3H8/C2H6和C4H10/C2H6，還有就是一些不飽和烴，包括C2H4等烯烴和C2H2炔烴，以及一系列比值（C2H4/CH4、C3H6/CH4、C4H8/CH4等）。第二、三類指標氣體廣泛適用在高、中揮發(fā)分煙煤階段。

早期預(yù)報是對于煤礦火災(zāi)十分必要的手段，預(yù)防得越早，就能盡可能地少產(chǎn)生氣體；預(yù)報得越慢，就會產(chǎn)生更多的氣體以至于采取措施不及時。檢測到氣體就應(yīng)該及時快速地采取措施治理，這時候的氣體指標我們就可以稱之為預(yù)報臨界值。目前常用的煤炭自燃預(yù)報指標有：指標氣體的濃度、指標氣體的發(fā)生量、火災(zāi)系數(shù)、鏈烷比等。

二、煤氧化指標氣體試驗系統(tǒng)

1.氧化熱解試驗裝置

為了選擇符合礦井實際的煤炭自燃指標氣體，我們與山東魯南瑞虹化工儀器有限公司最新聯(lián)合研制了煤的自燃性測試儀，儀器外觀示意圖如圖2-1所示，測試系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖2-2所示。該裝置主要包括：程序控溫爐、煤樣罐、溫度測量、顯示和控制系統(tǒng)、流量傳感器及氣路系統(tǒng)穩(wěn)壓、穩(wěn)流等組成。

2.供氧系統(tǒng)

供氧系統(tǒng)由高壓空氣瓶和管路構(gòu)成。氧化煤樣用的空氣由高壓瓶供給，通過穩(wěn)壓閥、流量傳感器和管路進入氧化爐。

3.氣體分析系統(tǒng)

氣體分析采用北京東西電子生產(chǎn)的GC4085型礦井氣體多點參數(shù)色譜自動分析儀，它是國家“八五”科技攻關(guān)項目《礦井氣體多點參數(shù)色譜自動分析儀》的主要單元，采用了組合式整體結(jié)構(gòu)，主要由雙柱箱專用氣相色譜儀、自動取樣器、色譜數(shù)據(jù)處理工作站組成。應(yīng)用微機漢化操作，從取樣→分析→檢測→報告打印全過程自動化。色譜儀具有熱導(dǎo)檢測器（TCD）、雙氫火焰離子化檢測器（FID）、甲烷轉(zhuǎn)化裝置及柱預(yù)切換系統(tǒng)；氣路控制系統(tǒng)；電氣測量系統(tǒng)及三個自動進樣閥。

三、818工作面煤樣試驗

1.試驗煤樣特點

自818綜采工作面的新暴露表面采集煤樣，采樣后立即放入塑料袋中并加以密封，運至實驗室。試驗前，從裝有原始煤樣的密封袋中抽取一定的氣體進行氣相色譜分析，得到煤樣在升溫氧化前的氣體情況。

2.試驗操作程序

2.1 試驗前，首先分析實驗室內(nèi)空氣成分，以確保色譜氣路內(nèi)沒有殘留氣樣；在煤樣裝入氧化爐前，采集煤樣袋中的氣樣，進行氣體分析。煤樣粉碎處理。打開煤樣袋將煤樣粉碎、過篩和稱量，然后按不同的粒度和空氣流量進行試驗流量和粒度的考察。煤樣低溫氧化試驗。把粉碎好的粒徑為0.125mm～0.2mm的煤樣，分別裝入煤樣罐內(nèi)，打開高壓空氣瓶，調(diào)節(jié)空氣穩(wěn)壓閥，直到用皂膜流量計測到出氣口的空氣流量為100ml/min，然后進行程序升溫，升溫速率為1℃/min，200℃前每升溫10℃后進行恒溫穩(wěn)定5min，200℃后每升溫10℃后進行恒溫穩(wěn)定5min，然后用抽氣泵自動抽取煤罐氣樣進行色譜分析。

3.818試驗結(jié)果及分析

根據(jù)實驗結(jié)果數(shù)據(jù)，對煤樣在實驗過程O2和CO的體積分數(shù)隨溫度變化規(guī)律作圖，如圖4-1，4-2所示。

圖4-1 氧氣濃度隨溫度變化曲線

圖4-2 一氧化碳濃度隨溫度變化曲線

根據(jù)實驗數(shù)據(jù)與圖4-1和圖4-2可知，1、2號煤樣出現(xiàn)CO的最早溫度為50℃，說明818工作面出現(xiàn)一氧化碳的臨界溫度是為50℃。各煤樣的CO產(chǎn)生濃度隨煤溫的增加整體上呈指數(shù)型增長，且煤溫在40℃～120℃時，CO產(chǎn)生量基本變化不大，較為平緩，當溫度達到120℃～140℃后，CO產(chǎn)生量開始有明顯上升趨勢，說明煤氧化反應(yīng)開始加快，此后隨著溫度的增加，CO產(chǎn)生量開始指數(shù)增長。各煤樣剛開始在煤溫140℃以前，氧氣濃度減少不太明顯，超過這一階段，氧氣濃度明顯下降，一氧化碳濃度也較大變化，說明氧化進程加快。

4.烷烴類氣體分析

根據(jù)實驗結(jié)果數(shù)據(jù)，還可得到C2H4、C2H6氣體濃度隨煤溫增加的變化曲線，如圖4-3，4-4所示。

圖4-3 乙烯濃度隨煤溫的變化

圖4-4 乙烷濃度隨煤溫的變化

隨著煤溫的不斷升高，煤分子中的各種結(jié)構(gòu)（如側(cè)鍵、橋鍵）均會發(fā)生不同程度地斷裂、裂解和裂化，并與氧發(fā)生反應(yīng)，一般會釋放出甲烷、乙烷、乙烯、乙炔、丙烷各種氣體。從圖4-3、4-4可知，乙烯檢出溫度比CO較晚許多，一般在臨界溫度左右，乙烯到140℃才開始被氣相色譜儀檢測出，乙炔只在2#煤樣280出現(xiàn)過一次，此后未檢出。

1、2號煤樣出現(xiàn)乙烯最早溫度都在140℃，且在170℃達到1ppm。此后，濃度隨著溫度的增加呈現(xiàn)指數(shù)變化，增長速度逐漸加快，乙烯氣體的出現(xiàn)表明煤分子中的側(cè)鍵及橋鍵開始發(fā)生裂解；1號煤樣出現(xiàn)乙烷的溫度為50℃、2號煤樣出現(xiàn)乙烷的溫度分別為30℃，且各個煤樣乙烷濃度隨溫度增長皆出現(xiàn)波動現(xiàn)象。1號煤樣出現(xiàn)丙烷的溫度是170℃、2號煤樣出現(xiàn)丙烷的溫度是140℃，且隨煤溫的增加，產(chǎn)生量也較為明顯增大，但隨著溫度到達300℃以后，2號煤樣丙烷濃度趨于平緩。

根據(jù)實驗結(jié)果結(jié)合信湖礦實際情況，818工作面可適合采用CO和C2H4兩種氣體作為煤自燃標志氣體。

結(jié)語

通過對818工作面上部和下部煤樣進行了煤低溫氧化實驗研究，得出以下結(jié)論。

第一，818工作面煤低溫氧化出現(xiàn)一氧化碳的臨界溫度是為50℃，各煤樣低溫氧化產(chǎn)生的CO濃度隨煤溫的增加整體上呈指數(shù)規(guī)律增長。

第二，當煤低溫氧化溫度在120℃～140℃后，CO產(chǎn)生量開始有明顯上升趨勢，說明煤氧化反應(yīng)開始加快，此后隨著溫度的增加，CO產(chǎn)生量開始呈指數(shù)增長趨勢。

第三，氧氣濃度在煤體溫度140℃之前，下降較為平緩，當煤體溫度高于140℃后，氧氣濃度下降明顯。

第四，當煤低溫氧化溫度到140℃時出現(xiàn)了乙烯（C2H4）氣體，170℃時乙烯（C2H4）氣體達到1ppm。

第五，在溫度30℃～50℃時，有乙烷（C2H6）氣體出現(xiàn)。且濃度隨溫度增長出現(xiàn)波動。

第六，30～300℃之間，1號煤樣未出現(xiàn)乙炔（C2H2），2號煤樣在280℃時出現(xiàn)微量乙炔（C2H2）。

第七，根據(jù)實驗結(jié)果結(jié)合信湖礦實際情況，信湖煤礦8煤層適合采用CO和C2H4兩種氣體作為煤自燃標志氣體。