基于程序升溫試驗的自燃氣體產生規律及臨界氧濃度指標研究

謝承瑩 楊建武 衛 偉

（1.晉能控股煤業集團煤峪口礦，山西 大同 037041；2.山西煤炭運銷集團科學技術研究有限公司，山西 太原 030000）

煤峪口礦現采煤層為3-5#煤層，煤種為1/3焦煤，煤的自燃傾向性屬容易自燃。由于上覆有不可采的山4 煤，平均間距為25 m，厚度平均為0.82 m，在工作面開采過程中，采空區遺煤量較大，存在自然發火的危險性較大。

為了提高防滅火措施的針對性和有效性，對采空區自燃“三帶”進行劃分。目前，工作面采空區自燃“三帶”的劃分，現場觀測普遍采用采空區氧氣濃度作為劃分指標[1-5]。氧氣指標并沒有具體統一的標準和依據，推薦采用臨界氧濃度指標法[6]。因煤種、煤質不同，煤的臨界氧氣濃度指標也不盡相同。基于此，通過煤樣程序升溫試驗對煤峪口礦3-5#煤層的臨界氧氣濃度指標加以確定，可為3-5#煤層采煤工作面自燃“三帶”的劃分等提供技術依據。

1 試驗條件

根據國家標準規定中的取樣方法，從煤峪口礦3-5#煤8101 工作面回風順槽采集煤樣，并密封保存送至實驗室內進行程序升溫試驗。

試驗條件：煤樣粒度100 目、質量1 g；供氣流量為100 cm3/min；取樣間隔時間為20 min/次；升溫區間為常溫25～500 ℃。升溫速率見表1，程序升溫試驗裝置流程圖如圖1。供氧濃度選取典型的三個溫度點為20.9%（空氣）、10.0%和7.0%。

圖1 程序升溫試驗流程圖

表1 程序升溫試驗升溫速率表

2 程序升溫煤自燃氣體產物規律

2.1 CO、CO2 氣體產生規律

1）CO 氣體產生規律

試驗中設定供氧量恒定，供氧濃度為20.9%時，CO 氣體出現最早，并存在于整個試驗過程中。從圖2 中可以看出，CO 首次檢測出的溫度為61℃，對應的CO 氣體濃度為1.72×10-6；61～210 ℃之間，CO 氣體濃度呈單一遞增指數的變化關系；210～402 ℃之間，CO 濃度從730.82×10-6激增到3 902.09×10-6，CO 氣體濃度變化打破了之前的指數變化關系，呈現出更快的變化趨勢；402 ℃之后，出現一段CO 氣體濃度陡降，然后逐漸增大，直至煤溫為513 ℃時，CO 濃度達到峰值。

圖2 不同供氧濃度條件下CO 濃度隨煤溫變化規律圖

從圖2 可以看出，供氧濃度為10%、7%時，首次檢出CO 氣體后，氣體濃度隨煤溫變化均為指數遞增關系，直至濃度達到峰值。供氧濃度為10%，CO 氣體濃度變化增長有所抑制，但仍然經歷了陡峭增長區段，表明煤的自燃氧化受到了一定的抑制，還不足以減緩煤的氧化進程。供氧濃度為7%，CO 氣體濃度變化受到了更大的抑制，基本減緩了煤氧化反應進程。

不同供氧條件下，首次檢出CO 氣體的溫度及其濃度、峰值濃度及其溫度見表2。供氧濃度為7%時，首次檢出CO 氣體的溫度更高，對應的氣體濃度也基本相當，CO 氣體濃度峰值更低，對應的煤溫也更低；煤的氧化反應激烈程度更低，氧化過程不明顯，反應進程已受到了極大的抑制。

表2 不同供氧濃度條件下CO 氣體相關參數對比表

2）CO2氣體產生規律

該礦1/3 焦煤的程序升溫氧化氣體，CO2和CO氣體濃度隨煤溫的變化規律基本一致。

供氧濃度為20.9%時，CO2氣體從程序升溫25℃開始一直貫穿于整個氧化過程中，156 ℃之前，CO2氣體濃度變化不大；156～210 ℃之間，CO2氣體濃度與煤溫基本表現為指數變化關系；210 ℃之后，變化趨勢基本和CO 氣體一致，經歷一段劇烈的波動變化后，最后達到濃度峰值。

供氧濃度為10%、7%時，CO2氣體首次檢出溫度分別為49 ℃、59 ℃。之后，CO2氣體濃度與煤溫之間也基本表現為指數遞增的變化關系，直至濃度達到峰值，變化趨勢和CO 氣體基本一致。隨著供氧濃度的降低，檢出CO2氣體的溫度也在逐漸升高，說明煤的自然發火氧化進程受到了極大抑制。

CO2氣體濃度在供氧濃度為20.9%時，煤的氧化反應比較充分，煤溫和氣體濃度均很高；供氧濃度為10%時，煤的氧化反應已經受到很大抑制，煤溫和氣體濃度均降低了很多；供氧濃度為7%時，煤的氧化反應進程進一步得到了抑制。

2.2 烯烴氣體（C2H4、C3H6）產生規律

C2H4和C3H6均為煤氧化產生的氣體，供氧濃度為20.9%，首次檢測出的溫度分別為182 ℃和210 ℃，相對應的氣體濃度分別為0.27×10-6和0.22×10-6。從圖3 可以看出，C2H4氣體隨煤溫的升高逐漸增大，煤溫從210 ℃開始迅速達到402 ℃，氣體濃度變化上表現為出現突起的陡峰，濃度由2.06×10-6激增到峰值55.85×10-6，之后氣體濃度逐漸降低。由于C2H4氣體不是吸附氣體，而是煤氧化產生氣體，因此，C2H4可作為煤進入加速氧化階段的標志。從圖3 和圖4 對比可以看出，C3H6與C2H4氣體總的變化趨勢基本一致，從檢出濃度激增到濃度峰值，之后氣體濃度波動下降，C2H4和C3H6的檢出時間和溫度同CO 相比，有明顯的時間差和溫度差。因此，可用C2H4和C3H6的氣體濃度作為該礦1/3 焦煤煤氧化進入加速氧化階段的標志。

圖3 不同供氧濃度條件下C2H4 濃度隨煤溫變化規律圖

圖4 不同供氧濃度條件下C3H6 濃度隨煤溫變化規律圖

供氧濃度為10%、7%時，C2H4和C3H6氣體首次檢測出的溫度均相同，分別為204 ℃、198 ℃，相對應的氣體濃度分別為0.29×10-6和0.23×10-6、0.23×10-6和0.21×10-6。

從圖3 和圖4 可以看出，在不同供氧濃度條件下，C2H4和C3H6氣體變化趨勢基本一致，氣體濃度逐漸升高到峰值，然后濃度數值回落至低位。供氧濃度為20.9%時，C2H4和C3H6氣體出現后，濃度增長迅速；供氧濃度為10%時，氣體濃度增長勢頭有所抑制，但仍有較陡增長的區段；供氧濃度為7%時，氣體濃度增長趨勢平緩了很多，煤的氧化反應進程得到了抑制，基本阻止了煤的氧化反應。

2.3 烷烴氣體（CH4、C2H6、C3H8）產生規律

從程序升溫試驗數據可知，CH4氣體濃度隨著煤溫的升高而逐漸增大；C2H6氣體濃度總體變化趨勢，隨著煤溫的逐漸升高而逐漸增大；C3H8氣體在不同供氧濃度條件下，隨煤溫的變化趨勢基本一致，呈現“低-高-低-高”的波浪形變化。

2.4 乙炔氣體（C2H2）產生規律

一般礦井中，C2H2氣體都作為煤自然發火的重要的標志氣體，C2H2氣體與CO、C2H4、C3H6氣體的檢出時間及對應溫度相比，有明顯的時間差和溫度差，因此，C2H2氣體可作為煤進入燃燒階段的標志。從圖5 可以看出，不同供氧條件下，C2H2氣體首次檢出的溫度也不盡相同。供氧濃度為20.9%時，首次檢出溫度為402 ℃，對應氣體濃度為1.45×10-6；供氧濃度為10%時，首次檢出溫度為386 ℃，對應氣體濃度為0.53×10-6；供氧濃度為7%時，試驗溫度范圍內已無法檢出C2H2氣體，表明此時供氧濃度條件下，該礦1/3 焦煤程序升溫氧化進程受到了極大的抑制，阻止了煤的氧化還原反應。

圖5 不同供氧濃度條件下C2H2 濃度隨煤溫變化規律圖

3 結論

1）對不同供氧濃度下的氣體產物變化規律進行分析，供氧濃度為7%時，煤的氧化反應進程受到了極大的抑制，經綜合研判，確定煤峪口礦1/3焦煤試驗煤樣自然發火臨界氧氣濃度為7.0%左右。

2）CO 可以作為預測預報煤自然發火的指標氣體，其出現溫度在61 ℃左右，預測的溫度范圍應在210 ℃之前。

3）C2H4和C3H6氣體出現的溫度分別在182 ℃左右和210 ℃左右，C2H4氣體和C3H6氣體的出現均可以作為煤氧化進入加速氧化階段的標志。

4）C2H2氣體初始產生的煤溫386 ℃左右，C2H2氣體的出現表明煤已出現明火或陰燃，可作為煤氧化進入激烈氧化階段的標志。