三元吉祥煤業煤自燃標志氣體測試及優選研究

郭 杉 高宏燁

（1.山西煤炭運銷集團長治有限公司，山西 長治 046000；2.中煤科工集團沈陽研究院有限公司 煤礦安全技術國家重點實驗室，遼寧 撫順 113122）

我國大多將CO 在空氣中的含量作為預測煤自然發火的主要預測指標，但由礦井地理位置的差異和不同煤質帶來的差異，煤自燃產生標志氣體的節點也不盡相同[1-2]。由此，為了更準確地預測三元吉祥煤業15-3 號煤層自然發火情況，擬通過在15-3號煤層采集煤樣，根據煤升溫氧化過程模擬實驗結果篩選出自然發火標志氣體，從而對該煤層自然發火進行預測預報。

1 三元吉祥煤業內因火災風險評價

煤炭自燃是一個多元的綜合反應過程，是由于煤在溫度較低的情況下與空氣中的氧不斷發生氧化作用（包括范德華吸附、化學吸附和化學反應）而微弱放熱的過程[3]，單位體積破碎煤體散發的熱量小于反應散熱量時，煤巖體及周圍溫度就會上升，煤體的溫度緩慢而持續上升以至于達到煤的著火點而自發燃燒起來[4-5]。15-3 號煤層開采時冒落帶高度為11.87～16.27 m。15-3 號煤層開采后上覆的15-1號煤層會進入15-3 號煤層工作面采空區。綜合礦井地質資料及現場實際情況，對三元吉祥煤業有限公司礦井在生產過程中可能出現的煤層自燃災害進行分析，該礦井在開采過程中存在自然發火危險。

2 實驗室實驗及數據采集

大部分煤升溫氧化過程中，煤的自然發火可以分為三個不同的發展過程，即少量氣體初步析出緩慢反應階段、氧化反應相對較快的加速階段和最終產生大量易燃易爆氣體的劇烈反應階段[6-8]，其產生的氣體產物種類與濃度受礦井地理位置的差異和不同煤質帶來的差異影響。不同礦井可用于自然發火預測的標志氣體如CO、CO2、烷烴、烯烴等與其臨界值需要具體分析[9-10]。

本文通過實驗裝置對三元吉祥煤業15-3 號煤層進行分析，其流程圖如圖1。

圖1 實驗裝置流程圖

通過實驗，三元吉祥煤業有限公司15-3 號煤層煤樣指標氣體實驗數據見表1。

表1 15-3 號煤層自然發火標志性氣體測試數據表 ×10-6

3 標志性氣體分析及臨界值

對表1 中的數據進行分析，并以溫度的變化為基準，其濃度趨勢如圖2 ～圖6。

圖6 C3H8/C2H6 的比值隨溫度的變化趨勢圖

3.1 15-3 號煤層自燃標志氣體

由圖2 可知CO2濃度隨溫度的變化趨勢，煤樣在30～300 ℃的氧化過程中有規律地出現CO2，隨著煤體溫度不斷升高，其濃度也呈上升趨勢。CO2的產生伴隨礦井生產的各個過程，且CO2吸附于煤體，其溶解性和吸附性常對測定結果的準確性造成影響，故而，本煤的自然發火標志氣體不能選用CO2。

圖2 CO、CO2 濃度隨溫度的變化趨勢圖

由圖2 可知CO 濃度隨溫度的變化趨勢，煤樣析出的CO 氣體在50～300 ℃的氧化過程具備一定的規律。CO 在50 ℃時初步析出，當溫度較低時，其析出量也較?。坏?0～100 ℃時CO 溫升率逐漸上升，即煤的升溫氧化過程已逐步進行，進而化學吸附越來越強，代替范德華吸附占據了主要位置；當溫度在100～141 ℃時，CO 的析出量不斷增大，說明煤樣的氧化反應進入了加速階段。由此可知，煤體氧化升溫的各個階段中CO的產生均有明顯特點，即從出現預示煤體已經開始氧化，大量出現則煤溫超過100 ℃，反之還在100 ℃以下。

綜上所述，CO 的析出昭示著煤已經開始緩慢氧化，可以作為本煤的自然發火標志氣體。

3.2 烷烴濃度隨溫度的變化趨勢

由圖3 可知CH4濃度隨溫度的變化趨勢，CH4在100 ℃時開始出現，其生成量以214 ℃為節點，未達到節點溫度前微量產生，在達到節點溫度以后其升溫速率與溫度的升高成正比。CH4等瓦斯氣體以在吸附狀態和游離狀態兩種賦存狀態在煤體中賦存，伴隨著煤層開采煤體中游離瓦斯大部分被釋放，隨著瓦斯壓力的降低進而吸附狀態的瓦斯也隨著瓦斯壓力的下降而逐步脫附釋放。CH4大量存在于井下氣體中，無法用作標志氣體。

圖3 烷烴濃度變化趨勢圖

由圖3 可知C2H6濃度隨溫度的變化趨勢，C2H6氣體以151 ℃為節點，達到節點溫度開始出現，其生成量在237 ℃以后迅速增加。

由圖3 可知C3H8濃度隨溫度的變化趨勢，C3H8氣體開始出現的溫度為162 ℃，在259 ℃以后C3H8生成量迅速增加。

由此可知，煤體氧化升溫的部分階段中，C2H6、C3H8的產生均有明顯特點，可以作為本煤的自然發火標志氣體。

3.3 烯烴濃度隨溫度的變化趨勢

由圖4 可知C2H4和C3H6氣體濃度變化與溫度上升的關系，C2H4氣體開始出現的溫度為162 ℃，在237 ℃以后C2H4生成量迅速增加。C3H6氣體開始出現的溫度為162 ℃，在237 ℃以后C3H6生成量迅速增加。

圖4 烯烴濃度變化趨勢圖

煤的自燃特性與C3H6的生成規律能夠互相映照，而C2H4的產生也預示了煤體開始加速氧化，故本煤自然發火標志氣體可以選用C2H4和C3H6。

3.4 炔烴濃度隨溫度的變化趨勢

由圖5C2H2濃度隨溫度的變化趨勢，C2H2氣體開始出現的溫度為280 ℃。當煤體溫度為280 ℃，代表著已經有較劇烈的氧化反應在煤體中產生，故本煤自然發火標志氣體可以選用C2H2。

圖5 炔烴濃度變化趨勢圖

3.5 鏈烷比隨溫度的變化趨勢

鏈烷比指火災氣體中位于Cl～C4 范圍內的烷烴氣體，某一長鏈烷烴單一組分的濃度與甲烷或乙烷濃度之比值。

煤樣升溫氧化實驗過程中C3H8/C2H6的比值隨溫度變化見表2。

表2 C3H8/C2H6 的比值隨溫度變化表

煤樣升溫氧化實驗過程中C3H8/C2H6的比值隨溫度的變化趨勢如圖6。

由圖6 可知，C3H8/C2H6的比值與溫度的變化趨勢不一致，無法作為本煤自然發火指標。

4 結論

（1）通過收集實驗數據，并根據需要繪制趨勢圖，綜合分析可知，在30～300 ℃溫度范圍內，C2H2、C2H6、C3H6、C3H8、C2H4、CH4、CO 和CO2氣體在15-3 號煤層煤樣的氧化過程中有規律的出現。

（2）煤樣在50 ℃時大量析出CO，其析出速度隨煤溫升高呈遞增趨勢；煤樣在151 ℃時析出C2H6，162 ℃時析出C2H4、C3H8和C3H6，且析出量都呈指數增加趨勢，與溫度的上升效率息息相關。CO 在50 ℃時初步析出，當溫度較低時，其析出量也較小；在50～100 ℃時CO 溫升率逐漸上升，即煤的升溫氧化過程已逐步進行，進而化學吸附越來越強，代替范德華吸附占據了主要位置。C2H4在162℃時析出，說明煤的氧化速度開始提升，此時較強的化學反應開始在煤與氧之間發生。C2H2在280 ℃析出，一旦有C2H2則代表著已經有較劇烈的氧化反應在煤體中產生。CH4在100 ℃時析出，表示煤中原賦存少量的CH4。因此，該煤樣應以CO、C2H2、C2H4、C2H6、C3H6和C3H8作為煤自然發火的標志性氣體，并輔以CO、C2H4和C2H2來掌握煤炭自燃情況。