突出煤层煤自燃早期预报指标优选研究*

时间：2024-07-28

陈德山杨婉欣贾永磊焦健

（兰州石化职业技术大学资源环境工程学院）

煤炭自燃是矿井常见的灾害之一［1］，具有难发现、难治理的特点［2-3］。煤炭自燃不仅浪费资源，还会诱发瓦斯爆炸、煤尘爆炸等灾害，造成重大的人员伤亡事故［4-6］。据秦波涛等［7］统计，近10 a 在我国煤炭开采中因煤自燃导致死亡的人数为166人，受伤的人数为73 人，造成了较为严重的灾难后果。在煤氧复合过程中产生的气体产物可作为井下煤炭自燃预测预报的指标，其变化趋势是现阶段煤炭自燃早期预报的主要技术手段［8］。在煤与瓦斯突出矿井中，同时面临瓦斯与煤自燃的双重威胁，煤自燃会演变为瓦斯燃烧和爆炸的引火源，极易引起瓦斯爆炸事故和火灾事故，造成人员伤亡。

翟小伟等［9］运用大型煤自然发火实验台对金凤矿煤样进行煤自燃相似模拟实验，发现上隅角CO 浓度能够满足工作面煤自燃早期预报的要求。骆大勇等［10］通过对许疃煤矿3238工作面煤样进行煤自燃倾向性测试和低温氧化试验分析，得出不同温度对应不同煤自燃指标气体的结论。安靖宇等［11］通过程序升温-气相色谱实验，采用分段直线拟合的方法，对煤干裂温度之后的指标气体进行了优选。易欣等［12］通过对不同煤矿的新鲜煤样进行程序升温实验，发现低温氧化阶段煤样产生的体积分数均与温度呈正相关关系。邓军等［13］通过试验，发现φ（C2H4）/φ(CH4）、φ（C2H4）/φ（C2H6）、R2和R3可以作为预测煤自燃的主要指标。文虎等［14］以建北煤矿4204工作面煤层为研究对象，利用程序升温实验得出该煤层煤自燃的主要气体指标为CO 和R2，辅助气体指标为C2H4、φ（C2H4）/φ（CH4）、φ（C2H4）/φ（C2H6）及R3。

魏家地矿北1103 工作面位于一煤层，属煤与瓦斯突出煤层，自燃倾向性为容易自燃。为有效预报和治理北1103 工作面采空区遗煤自然发火，本文基于程序升温实验，对煤样在氧化升温过程中产生的气体产物及其变化趋势进行研究，在比较烷烃、烯烃比值及分析格氏火灾系数的基础上，选择煤样的气体预测指标，为魏家地矿北1103 工作面煤炭自燃早期预测预报提供依据。

1 煤氧化程序升温实验

1.1 实验装置及原理

程序升温实验装置主要由气源、煤样罐、程序控温箱及气象色谱仪等设备组成，其设备连接如图1所示。

1.2 实验条件及步骤

本实验用的新鲜煤样取自魏家地矿北1103 工作面，经密封处理后送至实验室。实验时在去除煤样表面的氧化层后将煤心进行破碎，振动筛分处理后制备成5种不同粒度（0～0.9 mm、0.9～3 mm、3～5 mm、5～7 mm、7～10 mm）的煤样各1.2 kg，按粒径大小命名为1#～5#煤样，再各取5 种煤样200 g 制成1 kg 的混合煤样，命名为6#煤样。实验时，将6 组煤样分别放于煤样罐，连接气路系统及气样采集色谱分析系统，供气量设置为120 mL/min，升温速率为0.3 ℃/min，分析不同温度下煤氧化反应气态产物的种类及浓度。6组煤样的试验条件如表1所示。

2 试验结果及分析

魏家地矿一煤层原始瓦斯含量9.22～10.17 m³/t，回采时绝对瓦斯涌出量为8.50 m³/min（抽采后），属煤与瓦斯突出煤层。通过前期检测，该煤层除含CH4外，还含少量CO2和C2H6。

2.1 耗氧速率分析

根据对流-扩散理论，煤样内部任一点处的耗氧速率方程［15］为

式中，V0(T)为煤的耗氧速率，mol（/cm3·s）；Q为供风量，cm3/s；S为炉体供风面积，cm2；C0为风流中氧气浓度，%；Ci+1、Ci为炉体中心轴任意2 点zi+1、zi处的氧气浓度，%；n为孔隙率，%。

耗氧速率是表征煤自燃的重要参数，根据式（1），6组煤样在不同温度下的耗氧速率如图2所示。

从图2 可知，随着温度的增加，所有煤样的耗氧速率均呈上升趋势，同一温度下，4#、5#煤样耗氧速率相对较小，1#煤样耗氧速率最大，说明随着粒径的减小，煤样的表面积增大，与氧气的接触面积随之增大，氧化性变强、氧化速度加快，其耗氧速率不断增加。对于6#混合煤样，其既有利于氧气向内部扩散的通道，又有较大的表面积，导致其氧化速度加快。从煤样的氧化速率曲线变化趋势看，各煤样曲线上升速率在60～80 ℃较为缓慢，之后有显著增大趋势，说明60～80 ℃煤样达到了临界温度，110～120 ℃后曲线变得更加陡峭，说明煤样已经进入了剧烈的氧化反应阶段，干裂温度区间为110～120 ℃。

2.2 CO、CO2分析

CO、CO2体积分数随温度的变化曲线如图3、图4所示。

由图3 可知，在80 ℃之前煤样处于初始升温阶段，由于低温及氧气不足等原因导致氧化反应不彻底，使CO 体积分数较低、增长缓慢，并在煤样表面形成不稳定的碳氧络合物。随着煤化作用程度及温度的升高，碳氧络合物侧链脱落氧化分解出CO，煤氧之间由物理吸附转变为化学吸附及化学反应［16］；80～120 ℃，煤样开始快速氧化，CO 体积分数增速加快，CO 生成速率与温度呈指数变化；当温度大于100 ℃时，同温度下1#煤样生成的CO 最多，5#煤样生成的CO 最少，这是由于煤样粒径越小，表面积就越大，与氧气接触面积也越大，导致煤样容易被氧化，氧化反应越剧烈。

由图4 可知，CO2的体积分数随温度的升高而增大。80 ℃之前，由于煤样氧化速度缓慢及空气中CO2影响，CO2体积分数较低且增速缓慢，无明显变化规律；80～100 ℃时，曲线产生波动，CO2产生量增加，说明原始煤体中含有吸附的CO2并在此时开始解吸；110～170 ℃时，曲线上升较快，说明CO2产生量迅速增加，煤样已开始剧烈氧化；当温度高于110 ℃时，1#煤样CO2体积分数增速最大且产生的CO2最多，因为此时O2富足，煤样粒径较小时煤样表面积增大、热量不易散失等原因导致煤样氧化反应加剧，CO2气体的产生量随温度的增加而增大。

2.3 CH4、C2H6、C2H4气体分析

图5 为实验过程中CH4体积分数随温度变化的曲线。从曲线的变化规律看，在低温阶段CH4就从煤样中解吸出来，说明魏家地矿一煤层本身含有CH4。在120～130 ℃，虽然曲线有所波动，但总体呈现上升趋势，CH4体积分数持续增大，这是由于随着温度的升高，脱附作用加剧，煤体内吸附状态的瓦斯转变为游离状态而从煤体内释放出来，脱附作用在130 ℃达到最大。当温度达到140 ℃时，煤样氧化分解生成CH4，其氧化反应随温度的升高而加剧，导致CH4体积分数持续增大。

通过文献检索，煤体在氧化升温过程中会通过煤样解吸、氧化分解及高温煤裂解3 种方式产生C2H6、C2H4等烷烃气体［17］。煤样在试验过程中产生的C2H6、C2H4体积分数随温度变化如图6、图7所示。

从图6 可以看出，实验初始阶段出现C2H6，说明原始煤体中含有少量C2H6。60～80 ℃时，C2H6体积分数迅速增加，主要原因有两方面，一是C2H6解析速度随温度的升高而加快，二是临界温度时煤氧复合作用加速，氧化分解出C2H6。在140 ℃后，C2H6体积分数增加迅速，说明此时煤样进入深度氧化阶段，煤氧化裂解生成了C2H6气体。

从图7 可知，90～110 ℃时，1#、2#煤样出现C2H4，其他煤样未出现C2H4；当温度升高至110～120 ℃时，其他煤样均监测到C2H4，说明此时煤氧化速度加快，煤裂解生成C2H4，由此进一步判定煤的干裂温度为110～120 ℃。

通过以上分析可知，实验初期均能监测到CH4和C2H6，故这2 种气体不能作为煤自燃预测预报指标气体，C2H4是煤氧化反应生成的气体，可以用作煤自燃预测预报的指标气体。

2.4 链烷比、烯烷比分析

通过检索文献，单一指标气体容易受现场环境因素的影响，对煤自燃的预测预报会产生较大误差，降低预测预报的准确度和精度，利用链烷比和烯烷比进行煤自燃预测预报更加科学合理［18］。为了便于图形的直观展示，在不改变分析结果的前提下，选取3#、5#、6#煤样进行对照分析，绘制了φ（C2H6）/φ（CH4）、φ（C2H4）/φ（CH4）、φ（C2H4）/φ（C2H6）随温度的变化曲线，结果如图8～图10所示。

从图8 可知，110 ℃之前各曲线上升平缓，说明φ（C2H6）/φ（CH4）未发生较大变化，110 ℃之后各曲线均呈现升高趋势，当温度升高至160 ℃时3#和6#曲线斜率骤增，说明3#和6#煤样氧化生成的C2H6速度远大于CH4。通过分析，曲线出现相同比值对应不同温度的情况，难以确定煤样氧化情况，故φ（C2H6）/φ（CH4）值不适合作为煤自燃预测预报的指标。

从图9可知，110℃之后，各曲线φ（C2H4）/φ（CH4）值呈增大趋势，3#煤样增幅最大、5#煤样增幅最小。从曲线变化的整体趋势看，φ（C2H4）/φ（CH4）值与温度变化呈指数变化规律，故可作为煤自燃预测预报的辅助指标。

从图10 可知，110 ℃之前各曲线上升较为平缓，比值保持在0.3 以下，110 ℃之后曲线随温度升高而增大，曲线斜率呈上升趋势。曲线整体具有规律性，故φ（C2H4）/φ（C2H6）可以作为煤自燃预测预报辅助指标。

2.5 格氏火灾系数

为提高煤自燃预测预报的准确性，消除单一指标易受风流及复杂地点的影响［19］，引入格氏火灾系数进行指标优选研究。根据煤氧化过程中CO 体积分数的增量（+ΔCCO）、CO2体积分数的增量（）及耗氧量（），分别计算出第一类火灾系数R1、第二类火灾系数R2、第三类火灾系数R3，通过3 类格氏火灾系数随温度的变化曲线，进一步对煤样的自燃指标进行优选。R1、R2、R3的计算公式如下：

为方便开展分析，继续选取3#、5#、6#煤样的实验数据，绘制出的火灾系数随温度变化曲线如图11～图13所示。

从图11 可知，R1随温度变化的波动较大，3 种煤样的R1曲线在80～90 ℃达到最大，数值约为40%，之后迅速下降，在110～120 ℃降至最低。从曲线变化的整体看，曲线变化的规律性不强，故R1不宜作为煤自燃预测预报指标。

从图12 可知，R2曲线在开始阶段随温度平缓上升，60～70 ℃达到第一个峰值（4%左右），之后随温度平缓下降，在100～120 ℃降至）最低点1.5%左右，之后曲线继续随温度上升，在160 ℃达到最大值（12%左右）。

从图13 可知，曲线在开始阶段变化较为平缓，R3均在20%以下。在90 ℃时曲线开始上升，在120～130 ℃时曲线急剧上升，值由20%左右上升为60%左右，130 ℃之后曲线先急剧下降后又缓慢上升，但值维持在30%以上。从曲线整体变化来看，110 ℃之后R3随温度的升高总体呈上升趋势，这是由于当温度超过干裂温度后，煤中不活泼官能团被激活时煤样开始快速氧化使其需氧量增大，导致CO 生成速率大于CO2生成速率。

3 煤自燃预测指标的选择

煤自燃指标气体的选择必须满足灵敏性、规律性及可测量性的原则［20-21］，通过煤氧化升温实验，得出魏家地矿一煤层自燃的预测指标，其自燃特征温度、表征参数如表2所示。

（1）在临界温度以前，CO 随温度变化增加缓慢，100～110 ℃时，CO 随温度变化急剧增加，表明煤样达到剧烈氧化阶段，故CO 可作为煤自燃指标气体。根据文献检索，凭借CO 单一指标判断煤自燃会造成较大误差，须选择其他指标气体协同判断。

（2）CO2虽然是煤氧化反应的产物，但原始煤体中及空气中也含有CO2，因此CO2不适合作为煤自燃预测指标，否则会造成较大误差。

（3）虽然CH4和C2H6曲线随温度的增加呈现规律性增长，但存在不同温度对应同一体积分数的情况，故不能作为煤自燃预测指标。

（4）C2H4是被公认的煤自燃指标气体。对魏家地矿北1103 工作面所取煤样进行升温程序实验可知，110 ℃之后出现C2H4，说明此时煤温超过了干裂温度、煤样达到了剧烈氧化阶段，故C2H4可作为煤自燃的辅助指标。

（5）链烷比是煤自燃常用的预测预报指标，但根据本次实验的数据分析，φ（C2H6）/φ（CH4）随温度变化的规律性不强，不宜用作煤自燃预测指标，φ（C2H4）/φ（CH4）、φ（C2H4）/φ（C2H6）随温度变化呈现一定的规律，能消除漏风对单一指标气体的影响，因此可以作为煤自燃预测预报的辅助指标。

（6）由3 类火灾系数的变化曲线可以看出，R1由于曲线变化规律性不强，不适合作为煤自燃预测预报指标，R2及R3可以作为预测煤自燃的指标。在110 ℃之前，若R3在20%以下，需要关注R2是否达到4%，若R2达到4%，说明煤样温度已达到70 ℃，此时需要采取一定的防火措施。在110 ℃之后需要关注R3，其值达到20%且有上升趋势时，说明煤样已进入快速氧化阶段，应采取积极的防灭火措施，防止煤炭发生自燃。