突出煤層煤自燃早期預報指標優選研究*

陳德山 楊婉欣 賈永磊 焦 健

（蘭州石化職業技術大學資源環境工程學院）

煤炭自燃是礦井常見的災害之一［1］，具有難發現、難治理的特點［2-3］。煤炭自燃不僅浪費資源，還會誘發瓦斯爆炸、煤塵爆炸等災害，造成重大的人員傷亡事故［4-6］。據秦波濤等［7］統計，近10 a 在我國煤炭開采中因煤自燃導致死亡的人數為166人，受傷的人數為73 人，造成了較為嚴重的災難后果。在煤氧復合過程中產生的氣體產物可作為井下煤炭自燃預測預報的指標，其變化趨勢是現階段煤炭自燃早期預報的主要技術手段［8］。在煤與瓦斯突出礦井中，同時面臨瓦斯與煤自燃的雙重威脅，煤自燃會演變為瓦斯燃燒和爆炸的引火源，極易引起瓦斯爆炸事故和火災事故，造成人員傷亡。

翟小偉等［9］運用大型煤自然發火實驗臺對金鳳礦煤樣進行煤自燃相似模擬實驗，發現上隅角CO 濃度能夠滿足工作面煤自燃早期預報的要求。駱大勇等［10］通過對許疃煤礦3238工作面煤樣進行煤自燃傾向性測試和低溫氧化試驗分析，得出不同溫度對應不同煤自燃指標氣體的結論。安靖宇等［11］通過程序升溫-氣相色譜實驗，采用分段直線擬合的方法，對煤干裂溫度之后的指標氣體進行了優選。易欣等［12］通過對不同煤礦的新鮮煤樣進行程序升溫實驗，發現低溫氧化階段煤樣產生的體積分數均與溫度呈正相關關系。鄧軍等［13］通過試驗，發現φ（C2H4）/φ(CH4）、φ（C2H4）/φ（C2H6）、R2和R3可以作為預測煤自燃的主要指標。文虎等［14］以建北煤礦4204工作面煤層為研究對象，利用程序升溫實驗得出該煤層煤自燃的主要氣體指標為CO 和R2，輔助氣體指標為C2H4、φ（C2H4）/φ（CH4）、φ（C2H4）/φ（C2H6）及R3。

魏家地礦北1103 工作面位于一煤層，屬煤與瓦斯突出煤層，自燃傾向性為容易自燃。為有效預報和治理北1103 工作面采空區遺煤自然發火，本文基于程序升溫實驗，對煤樣在氧化升溫過程中產生的氣體產物及其變化趨勢進行研究，在比較烷烴、烯烴比值及分析格氏火災系數的基礎上，選擇煤樣的氣體預測指標，為魏家地礦北1103 工作面煤炭自燃早期預測預報提供依據。

1 煤氧化程序升溫實驗

1.1 實驗裝置及原理

程序升溫實驗裝置主要由氣源、煤樣罐、程序控溫箱及氣象色譜儀等設備組成，其設備連接如圖1所示。

1.2 實驗條件及步驟

本實驗用的新鮮煤樣取自魏家地礦北1103 工作面，經密封處理后送至實驗室。實驗時在去除煤樣表面的氧化層后將煤心進行破碎，振動篩分處理后制備成5種不同粒度（0～0.9 mm、0.9～3 mm、3～5 mm、5～7 mm、7～10 mm）的煤樣各1.2 kg，按粒徑大小命名為1#～5#煤樣，再各取5 種煤樣200 g 制成1 kg 的混合煤樣，命名為6#煤樣。實驗時，將6 組煤樣分別放于煤樣罐，連接氣路系統及氣樣采集色譜分析系統，供氣量設置為120 mL/min，升溫速率為0.3 ℃/min，分析不同溫度下煤氧化反應氣態產物的種類及濃度。6組煤樣的試驗條件如表1所示。

2 試驗結果及分析

魏家地礦一煤層原始瓦斯含量9.22～10.17 m3/t，回采時絕對瓦斯涌出量為8.50 m3/min（抽采后），屬煤與瓦斯突出煤層。通過前期檢測，該煤層除含CH4外，還含少量CO2和C2H6。

2.1 耗氧速率分析

根據對流-擴散理論，煤樣內部任一點處的耗氧速率方程［15］為

式中，V0(T)為煤的耗氧速率，mol（/cm3·s）；Q為供風量，cm3/s；S為爐體供風面積，cm2；C0為風流中氧氣濃度，%；Ci+1、Ci為爐體中心軸任意2 點zi+1、zi處的氧氣濃度，%；n為孔隙率，%。

耗氧速率是表征煤自燃的重要參數，根據式（1），6組煤樣在不同溫度下的耗氧速率如圖2所示。

從圖2 可知，隨著溫度的增加，所有煤樣的耗氧速率均呈上升趨勢，同一溫度下，4#、5#煤樣耗氧速率相對較小，1#煤樣耗氧速率最大，說明隨著粒徑的減小，煤樣的表面積增大，與氧氣的接觸面積隨之增大，氧化性變強、氧化速度加快，其耗氧速率不斷增加。對于6#混合煤樣，其既有利于氧氣向內部擴散的通道，又有較大的表面積，導致其氧化速度加快。從煤樣的氧化速率曲線變化趨勢看，各煤樣曲線上升速率在60～80 ℃較為緩慢，之后有顯著增大趨勢，說明60～80 ℃煤樣達到了臨界溫度，110～120 ℃后曲線變得更加陡峭，說明煤樣已經進入了劇烈的氧化反應階段，干裂溫度區間為110～120 ℃。

2.2 CO、CO2分析

CO、CO2體積分數隨溫度的變化曲線如圖3、圖4所示。

由圖3 可知，在80 ℃之前煤樣處于初始升溫階段，由于低溫及氧氣不足等原因導致氧化反應不徹底，使CO 體積分數較低、增長緩慢，并在煤樣表面形成不穩定的碳氧絡合物。隨著煤化作用程度及溫度的升高，碳氧絡合物側鏈脫落氧化分解出CO，煤氧之間由物理吸附轉變為化學吸附及化學反應［16］；80～120 ℃，煤樣開始快速氧化，CO 體積分數增速加快，CO 生成速率與溫度呈指數變化；當溫度大于100 ℃時，同溫度下1#煤樣生成的CO 最多，5#煤樣生成的CO 最少，這是由于煤樣粒徑越小，表面積就越大，與氧氣接觸面積也越大，導致煤樣容易被氧化，氧化反應越劇烈。

由圖4 可知，CO2的體積分數隨溫度的升高而增大。80 ℃之前，由于煤樣氧化速度緩慢及空氣中CO2影響，CO2體積分數較低且增速緩慢，無明顯變化規律；80～100 ℃時，曲線產生波動，CO2產生量增加，說明原始煤體中含有吸附的CO2并在此時開始解吸；110～170 ℃時，曲線上升較快，說明CO2產生量迅速增加，煤樣已開始劇烈氧化；當溫度高于110 ℃時，1#煤樣CO2體積分數增速最大且產生的CO2最多，因為此時O2富足，煤樣粒徑較小時煤樣表面積增大、熱量不易散失等原因導致煤樣氧化反應加劇，CO2氣體的產生量隨溫度的增加而增大。

2.3 CH4、C2H6、C2H4氣體分析

圖5 為實驗過程中CH4體積分數隨溫度變化的曲線。從曲線的變化規律看，在低溫階段CH4就從煤樣中解吸出來，說明魏家地礦一煤層本身含有CH4。在120～130 ℃，雖然曲線有所波動，但總體呈現上升趨勢，CH4體積分數持續增大，這是由于隨著溫度的升高，脫附作用加劇，煤體內吸附狀態的瓦斯轉變為游離狀態而從煤體內釋放出來，脫附作用在130 ℃達到最大。當溫度達到140 ℃時，煤樣氧化分解生成CH4，其氧化反應隨溫度的升高而加劇，導致CH4體積分數持續增大。

通過文獻檢索，煤體在氧化升溫過程中會通過煤樣解吸、氧化分解及高溫煤裂解3 種方式產生C2H6、C2H4等烷烴氣體［17］。煤樣在試驗過程中產生的C2H6、C2H4體積分數隨溫度變化如圖6、圖7所示。

從圖6 可以看出，實驗初始階段出現C2H6，說明原始煤體中含有少量C2H6。60～80 ℃時，C2H6體積分數迅速增加，主要原因有兩方面，一是C2H6解析速度隨溫度的升高而加快，二是臨界溫度時煤氧復合作用加速，氧化分解出C2H6。在140 ℃后，C2H6體積分數增加迅速，說明此時煤樣進入深度氧化階段，煤氧化裂解生成了C2H6氣體。

從圖7 可知，90～110 ℃時，1#、2#煤樣出現C2H4，其他煤樣未出現C2H4；當溫度升高至110～120 ℃時，其他煤樣均監測到C2H4，說明此時煤氧化速度加快，煤裂解生成C2H4，由此進一步判定煤的干裂溫度為110～120 ℃。

通過以上分析可知，實驗初期均能監測到CH4和C2H6，故這2 種氣體不能作為煤自燃預測預報指標氣體，C2H4是煤氧化反應生成的氣體，可以用作煤自燃預測預報的指標氣體。

2.4 鏈烷比、烯烷比分析

通過檢索文獻，單一指標氣體容易受現場環境因素的影響，對煤自燃的預測預報會產生較大誤差，降低預測預報的準確度和精度，利用鏈烷比和烯烷比進行煤自燃預測預報更加科學合理［18］。為了便于圖形的直觀展示，在不改變分析結果的前提下，選取3#、5#、6#煤樣進行對照分析，繪制了φ（C2H6）/φ（CH4）、φ（C2H4）/φ（CH4）、φ（C2H4）/φ（C2H6）隨溫度的變化曲線，結果如圖8～圖10所示。

從圖8 可知，110 ℃之前各曲線上升平緩，說明φ（C2H6）/φ（CH4）未發生較大變化，110 ℃之后各曲線均呈現升高趨勢，當溫度升高至160 ℃時3#和6#曲線斜率驟增，說明3#和6#煤樣氧化生成的C2H6速度遠大于CH4。通過分析，曲線出現相同比值對應不同溫度的情況，難以確定煤樣氧化情況，故φ（C2H6）/φ（CH4）值不適合作為煤自燃預測預報的指標。

從圖9可知，110℃之后，各曲線φ（C2H4）/φ（CH4）值呈增大趨勢，3#煤樣增幅最大、5#煤樣增幅最小。從曲線變化的整體趨勢看，φ（C2H4）/φ（CH4）值與溫度變化呈指數變化規律，故可作為煤自燃預測預報的輔助指標。

從圖10 可知，110 ℃之前各曲線上升較為平緩，比值保持在0.3 以下，110 ℃之后曲線隨溫度升高而增大，曲線斜率呈上升趨勢。曲線整體具有規律性，故φ（C2H4）/φ（C2H6）可以作為煤自燃預測預報輔助指標。

2.5 格氏火災系數

為提高煤自燃預測預報的準確性，消除單一指標易受風流及復雜地點的影響［19］，引入格氏火災系數進行指標優選研究。根據煤氧化過程中CO 體積分數的增量（+ΔCCO）、CO2體積分數的增量（）及耗氧量（），分別計算出第一類火災系數R1、第二類火災系數R2、第三類火災系數R3，通過3 類格氏火災系數隨溫度的變化曲線，進一步對煤樣的自燃指標進行優選。R1、R2、R3的計算公式如下：

為方便開展分析，繼續選取3#、5#、6#煤樣的實驗數據，繪制出的火災系數隨溫度變化曲線如圖11～圖13所示。

從圖11 可知，R1隨溫度變化的波動較大，3 種煤樣的R1曲線在80～90 ℃達到最大，數值約為40%，之后迅速下降，在110～120 ℃降至最低。從曲線變化的整體看，曲線變化的規律性不強，故R1不宜作為煤自燃預測預報指標。

從圖12 可知，R2曲線在開始階段隨溫度平緩上升，60～70 ℃達到第一個峰值（4%左右），之后隨溫度平緩下降，在100～120 ℃降至）最低點1.5%左右，之后曲線繼續隨溫度上升，在160 ℃達到最大值（12%左右）。

從圖13 可知，曲線在開始階段變化較為平緩，R3均在20%以下。在90 ℃時曲線開始上升，在120～130 ℃時曲線急劇上升，值由20%左右上升為60%左右，130 ℃之后曲線先急劇下降后又緩慢上升，但值維持在30%以上。從曲線整體變化來看，110 ℃之后R3隨溫度的升高總體呈上升趨勢，這是由于當溫度超過干裂溫度后，煤中不活潑官能團被激活時煤樣開始快速氧化使其需氧量增大，導致CO 生成速率大于CO2生成速率。

3 煤自燃預測指標的選擇

煤自燃指標氣體的選擇必須滿足靈敏性、規律性及可測量性的原則［20-21］，通過煤氧化升溫實驗，得出魏家地礦一煤層自燃的預測指標，其自燃特征溫度、表征參數如表2所示。

（1）在臨界溫度以前，CO 隨溫度變化增加緩慢，100～110 ℃時，CO 隨溫度變化急劇增加，表明煤樣達到劇烈氧化階段，故CO 可作為煤自燃指標氣體。根據文獻檢索，憑借CO 單一指標判斷煤自燃會造成較大誤差，須選擇其他指標氣體協同判斷。

（2）CO2雖然是煤氧化反應的產物，但原始煤體中及空氣中也含有CO2，因此CO2不適合作為煤自燃預測指標，否則會造成較大誤差。

（3）雖然CH4和C2H6曲線隨溫度的增加呈現規律性增長，但存在不同溫度對應同一體積分數的情況，故不能作為煤自燃預測指標。

（4）C2H4是被公認的煤自燃指標氣體。對魏家地礦北1103 工作面所取煤樣進行升溫程序實驗可知，110 ℃之后出現C2H4，說明此時煤溫超過了干裂溫度、煤樣達到了劇烈氧化階段，故C2H4可作為煤自燃的輔助指標。

（5）鏈烷比是煤自燃常用的預測預報指標，但根據本次實驗的數據分析，φ（C2H6）/φ（CH4）隨溫度變化的規律性不強，不宜用作煤自燃預測指標，φ（C2H4）/φ（CH4）、φ（C2H4）/φ（C2H6）隨溫度變化呈現一定的規律，能消除漏風對單一指標氣體的影響，因此可以作為煤自燃預測預報的輔助指標。

（6）由3 類火災系數的變化曲線可以看出，R1由于曲線變化規律性不強，不適合作為煤自燃預測預報指標，R2及R3可以作為預測煤自燃的指標。在110 ℃之前，若R3在20%以下，需要關注R2是否達到4%，若R2達到4%，說明煤樣溫度已達到70 ℃，此時需要采取一定的防火措施。在110 ℃之后需要關注R3，其值達到20%且有上升趨勢時，說明煤樣已進入快速氧化階段，應采取積極的防滅火措施，防止煤炭發生自燃。

4 結論

（1）魏家地煤礦北1103 工作面煤自燃臨界溫度為60～80 ℃，干裂溫度為110～120 ℃。

（2）CO、R2、R3可作為預測煤自燃的主要指標，C2H4、φ（C2H4）/φ（CH4）、φ（C2H4）/φ（C2H6）可以作為煤自燃預測預報的輔助指標。

（3）煤自燃預測預報需建立在多參數預測預報指標體系的基礎之上，具體應用時應綜合判讀、互相比對，才能較為準確地做出煤炭自燃的早期預報，并采取切實有效的防治措施。