色連煤礦煤自燃標志氣體試驗研究

郭 君

（晉能控股煤業集團鄂爾多斯礦業公司，內蒙古 鄂爾多斯 017000）

煤炭自然發火是礦井的主要災害之一[1-2]。煤自燃標志氣體的變化特征以及其與煤自燃的關系對煤自燃預測具有重要意義[3]。鄧軍[4]等使用隨機森林預測法對煤的自燃發火進行了預測且與現場數據相互驗證。趙興國[5]運用灰色理論研究氧化煤的標志氣體，并使用SPSS 進行了優化。任萬興[6]利用統計學特征構建了煤自燃預警指標并劃分了6 個危險等級。

研究人員對指標氣體的研究做了大量積極有效的工作，但針對低變質煤在常溫下便開始生成CO導致干裂溫度之前CO 難以較好地作為標志氣體的解決方法研究較少。為應對這一狀況，對色連煤礦8109 工作面煤樣進行程序升溫試驗，分析氣體生成的變化規律，優選煤自燃預測指標，對現場煤自燃預測和防治自然發火具有指導意義。

1 試驗研究

1.1 試驗設備與試驗方法

試驗使用程序升溫加熱氧化裝置、GC-4000A型礦井自動色譜儀。

試驗煤樣為色連煤礦8109 工作面煤樣，自燃等級為I 級，最短自然發火期為44 d。將粒徑為0.2～0.3 mm 的煤樣置于真空干燥箱內40 ℃干燥48 h 后進行工業分析，見表1。將制備好的0.2～0.3 mm 煤樣50 g 裝入煤樣罐中后，為進一步消除吸附氣體，在100 mL/min的氮氣氣氛下設置30 ℃恒溫模式下1 h，罐內通入流量為100 mL/min 的干空氣，設置程升模式，在30～200 ℃內升溫速率為1 ℃/min，每升溫10 ℃使用注射器取氣后使用色譜對氣樣進行分析。

表1 干燥煤樣工業分析

1.2 試驗結果分析

煤低溫氧化過程會生成碳氧化物及烷烴類氣體，根據試驗數據繪制其體積分數隨溫度的變化如圖1、圖2。

圖1 O2 和CO2 濃度隨溫度變化曲線

圖2 CO 和C2H4 濃度隨溫度變化曲線

從圖1、圖2 可看出，煤樣在30 ℃就可以產生CO，表明煤的活性較大，容易與煤發生化學吸附,其產生速率隨煤溫的升高呈現出指數規律上升趨勢，110 ℃之前生成速率緩慢，之后呈指數式增長，且生成C2H4煤的干裂溫度在100～110 ℃之間。因此，該溫度之后煤低溫氧化進入熱解加速氧化階段。臨界溫度與干裂溫度之間的范圍過大且該區間是煤自燃預測預報最重要的階段，單一的CO 濃度不能較好地反應煤低溫氧化的實際情況，烷烴類氣體化學性質穩定且吸附能力較強，原生氣體會對指標氣體造成影響，要盡量避開。因此，引入格氏火災系數。

根據煤氧化過程中CO2、CO 含量的增加量（+ΔCO2、+ΔCO ）和氧含量的減少量（-ΔO2）等參數獲得火災系數R1、R2、R3，其表達式分別為：

格雷哈姆系數有效地避免了風流大小對指標的影響，可信度較高，R1隨溫度變化單調性較差，R2、R3隨溫度的變化如圖3、圖4。

圖3 格氏火災系數R2 隨溫度變化曲線

圖4 格氏火災系數R3 溫度變化曲線

從圖3、圖4 可看出，R2、R3隨溫度整體呈增長趨勢，均能較好地反應煤的低溫氧化狀況。R2在110 ℃之前緩慢增長，之后增長速度加快，可有效地區分110 ℃前后的變化，這與前文分析的臨界溫度一致。R3在80 ℃之前增長速度大致相同，在之后有一個較大的躍變，因此可以使用80 ℃時R3=0.1為界限解決臨界溫度與干裂溫度區間過大的問題。

2煤自燃指標優選

根據煤低溫氧化過程中氣體的釋放順序及規律，使用三個階段劃分煤低溫氧化過程分別為化學吸附階段（30～80 ℃）、自熱氧化階段（80～110 ℃）和熱解加速氧化階段（110～200 ℃）[7-8]。

（1）化學吸附階段（30～80 ℃）：使用R3與R2為第一、第二指標。該階段對應的值域分別為0～0.1 以及0～20。

（2）自熱氧化階段（80～110 ℃）：使用R3與R2為第一、第二指標。該階段對應的值域分別為0.1～0.19 以及20～29.17。

（3）熱解加速氧化階段（110～200 ℃）：C2H4的出現標志著煤進入熱解加速氧化階段。同時R2在110 ℃增長速度有一個較大的躍變，可作為第二指標。

3 結論

（1）色連煤礦8109 工作面煤樣低溫氧化過程中活性較大，其臨界溫度小于30 ℃，常溫下就可以生成CO。其干裂溫度在100～110 ℃之間。

（2）使用格雷哈姆系數R2、R3有效地區分了化學吸附階段（30～80 ℃）和自熱氧化階段（80～110℃），解決了臨界溫度過低CO 難以有效對干裂溫度之前煤低溫氧化的預測問題。C2H4的出現標志著煤進入熱解加速氧化階段。