煤自燃特性及自然發(fā)火預(yù)測預(yù)報指標(biāo)體系研究*

秦毅　楊勝強　黃維　譚雪

(1.重慶科技學(xué)院安全工程學(xué)院　重慶 401331；　2.中國礦業(yè)大學(xué)，煤炭資源與安全開采國家重點實驗室　江蘇徐州 221116)

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煤自燃特性及自然發(fā)火預(yù)測預(yù)報指標(biāo)體系研究*

秦毅1,2楊勝強2黃維1譚雪1

(1.重慶科技學(xué)院安全工程學(xué)院重慶 401331；2.中國礦業(yè)大學(xué)，煤炭資源與安全開采國家重點實驗室江蘇徐州 221116)

以梁寶寺礦3號煤層為背景，采用色譜吸氧法和氧化動力法對其自燃傾向性進(jìn)行了對比分析。同時，通過煤氧化升溫?zé)峤鈱嶒瀸ζ渖郎剡^程中各氣體隨溫度的變化規(guī)律進(jìn)行了分析，以實驗所得和灰色關(guān)聯(lián)分析所得定性和定量相結(jié)合的方式，優(yōu)選出了不同溫度階段煤自然發(fā)火預(yù)測預(yù)報所對應(yīng)的第一、第二和第三預(yù)測指標(biāo)，建立了煤自然發(fā)火預(yù)測預(yù)報體系，為有效抑制該礦及同類礦井火災(zāi)的發(fā)生具有重要意義。

自燃火災(zāi)自燃傾向性氧化升溫灰色關(guān)聯(lián)分析預(yù)測預(yù)報

0　引言

煤自燃火災(zāi)作為礦井災(zāi)害中最嚴(yán)重的災(zāi)害之一，一直以來威脅著煤礦安全生產(chǎn)[1]，梁寶寺煤礦自投產(chǎn)以來多次出現(xiàn)自燃征兆。目前，礦井逐步轉(zhuǎn)為孤島開采，以放頂煤開采為主，也將有可能出現(xiàn)更不利于自燃防控的分層開采，煤自燃問題將愈來愈嚴(yán)重[2]。為此，筆者以梁寶寺煤礦主采煤層3號煤層為研究對象，利用吸氧法和氧化動力學(xué)方法對比分析其自燃傾向性，同時通過程序升溫法和灰色關(guān)聯(lián)分析法，利用定性和定量相結(jié)合的方式，分析優(yōu)選出了不同溫度階段所對應(yīng)的自然發(fā)火預(yù)測預(yù)報指標(biāo)，建立了自然發(fā)火預(yù)測預(yù)報指標(biāo)體系，為有效抑制梁寶寺及同類條件礦井自燃火災(zāi)有重要參考意義。

1　煤自燃特性分析

1.1基于吸氧量的煤自燃傾向性研究

采用雙氣路流動色譜法[3]，以每克干煤在常溫(30 ℃)、常壓(1.0133×105Pa)下的吸氧量作為分類的主指標(biāo)，利用模糊數(shù)理統(tǒng)計方法進(jìn)行聚類分析，對煤的吸氧量值與工業(yè)分析結(jié)果進(jìn)行綜合評判，并利用現(xiàn)場有關(guān)煤自然發(fā)火特征資料對其進(jìn)行反饋修正，得到煤的吸氧量和自燃等級，如表1所示。

表1　氧化動力學(xué)判定結(jié)果及自燃傾向性對比

1.2基于氧化動力學(xué)方法的煤自燃傾向性研究

測量煤樣70 ℃時煤樣罐出氣口的氧氣體積分?jǐn)?shù)和交叉點溫度，綜合煤在低溫階段的氧化特性和加速氧化階段的內(nèi)在特性，計算氧化動力學(xué)判定指數(shù)，對比自燃傾向性判定指標(biāo)對其進(jìn)行綜合判定[4]，并與物理吸氧量判定結(jié)果進(jìn)行對比，結(jié)果如表1所示。

2　自然發(fā)火預(yù)測預(yù)報指標(biāo)體系研究

2.1煤氧化升溫?zé)峤鈱嶒?/p>

2.1.1實驗過程

將原煤樣破碎至40～80目，選取50 g為實驗煤樣，置于程序升溫箱中煤樣罐，然后連接好氣路和測溫探頭，對其進(jìn)行氣密性檢查。實驗時以50 mL/min的流量向煤樣罐通入干空氣，設(shè)定程序升溫箱升溫速率和最終溫度，實時記錄實驗時的溫度，并對各階段的氣體進(jìn)行采樣分析[5]。

2.1.2實驗結(jié)果及分析

為了便于直觀地反映煤氧化升溫過程中各種氣體隨溫度的變化趨勢，繪制各氣體隨溫度變化的曲線，如圖1、圖2所示。

圖1升溫過程中CO，CO2變化趨勢

圖2升溫過程中CH4，C2H4，C2H6，C3H8變化趨勢

根據(jù)上述實驗結(jié)果可知：

(1)CO，CO2，CH4，C2H6，C3H8和C2H4氣體生成量隨煤溫的升高不斷上升，趨勢呈指數(shù)增長；但沒有C2H2氣體生成。CO，CO2，CH43種氣體出現(xiàn)時的初始溫度為30 ℃， 但CH4氣體的生成量較其他氣體少，這是由于該礦為低瓦斯礦井，煤中吸附的瓦斯較少，且在運輸?shù)倪^程中又會脫附一部分瓦斯。

(2)CO生成量在初始階段較小，當(dāng)煤溫達(dá)到80 ℃時，出現(xiàn)突變，在此溫度之后其生成量增加較快，煤氧化劇烈，化學(xué)吸附和化學(xué)反應(yīng)較物理吸附相比越來越明顯；CO2剛開始隨溫度變化比較平緩，在130 ℃以后則快速上升；C2H6和C3H8在90 ℃時便開始出現(xiàn)，其體積分?jǐn)?shù)雖不大，但升溫過程中規(guī)律較明顯；C2H4在115 ℃時開始出現(xiàn)，在升溫過程中規(guī)律也較明顯；C2H2在整個升溫過程中都沒有出現(xiàn)，說明其初始溫度大于200 ℃，如果出現(xiàn)則說明此時煤在進(jìn)行劇烈的化學(xué)反應(yīng)，溫度已經(jīng)超過了200 ℃。

(3)不同氣體其生成的初始溫度也是不同的，CO的初始溫度為30 ℃，但此時煤已經(jīng)開始氧化反應(yīng)，C2H6的初始溫度為90 ℃，而此時煤溫已達(dá)到較高溫度，C2H4的初始溫度為115 ℃，C2H2的初始溫度大于200 ℃，而此時已進(jìn)入劇烈氧化階段，必須采取措施。因此，可以初步確定，在低溫氧化階段指標(biāo)性氣體可選擇CO，當(dāng)溫度升高時，可選擇C2H6，C2H4，C2H2氣體來判定是否發(fā)生自燃。

2.2自然發(fā)火指標(biāo)氣體灰色關(guān)聯(lián)度分析

2.2.1灰色關(guān)聯(lián)分析的基本方法

圖1，2只能直觀地分析指標(biāo)氣體體積分?jǐn)?shù)隨溫度的變化關(guān)系，不能進(jìn)行定量比較研究，較難判斷指標(biāo)氣體與溫度的關(guān)聯(lián)程度，使得在指標(biāo)氣體選取時無主次，造成自然發(fā)火預(yù)測預(yù)報在一定程度上存在偏差。灰色關(guān)聯(lián)分析法是對影響因素之間關(guān)系量值的一種計算方法[6]，通過對不同指標(biāo)氣體體積分?jǐn)?shù)與溫度的關(guān)聯(lián)度計算，比較關(guān)聯(lián)度的大小來評價不同指標(biāo)氣體與溫度的對應(yīng)關(guān)系，可達(dá)到優(yōu)選指標(biāo)氣體的目的，分析步驟如下[7-8]：

(1)確定特征序列和因素序列。選擇煤體溫度為特征序列x0(T)，采集不同溫度點的數(shù)據(jù)，則特征序列可表示為：x0(T)=[x0(T1),x0(T2),…,x0(Tm)]；選擇各指標(biāo)氣體及其之間的比值為因素序列xi(T)，其中包括CO，CO2，C2H6等n個子序列，每個子序列采集與特征序列相對應(yīng)的m個數(shù)據(jù)，則各子列為：xi(T)=[xi(T1),xi(T2),…,xi(Tm)]。

(1)

(3)關(guān)聯(lián)度計算。參考文獻(xiàn)[7-9]，煤體溫度特征序列與指標(biāo)氣體因素序列間的關(guān)聯(lián)度可表示為：

(2)

(4)關(guān)聯(lián)度排序。將所得關(guān)聯(lián)度從大到小進(jìn)行排序，得到關(guān)聯(lián)度序集，依此判定。如果關(guān)聯(lián)度較大，則說明某個指標(biāo)隨煤體溫度上升的過程中與其變化的趨勢保持同步，可以采用該因素序列來預(yù)測溫度變化，進(jìn)而達(dá)到準(zhǔn)確地進(jìn)行自然發(fā)火預(yù)測預(yù)報。

2.2.2指標(biāo)氣體灰色關(guān)聯(lián)度計算

根據(jù)上述實驗所得結(jié)果，將煤自然氧化過程分為3個階段，計算升溫過程中各指標(biāo)氣體與溫度的關(guān)聯(lián)度，結(jié)果如表2所示。

表2　指標(biāo)氣體灰色關(guān)聯(lián)度計算結(jié)果

2.3指標(biāo)氣體優(yōu)選

從表2可以看出，第一階段(30～90 ℃)：CH4與溫度的關(guān)聯(lián)度最大，應(yīng)作為首選預(yù)測指標(biāo)，CO2次之，應(yīng)作為第二預(yù)測指標(biāo)，再次為CO和CO2/CO。但從實驗所得結(jié)果可以看出，CO2在該溫度段增長較為緩慢，且空氣本身含有CO2，在通風(fēng)過程中，勢必對其會造成影響，就CH4而言，同樣在該溫度段增長較為緩慢且量很小，同時該礦本身瓦斯涌出后與風(fēng)流發(fā)生傳質(zhì)作用，使得新鮮風(fēng)流成為含瓦斯風(fēng)流，體積分?jǐn)?shù)較煤自燃產(chǎn)生的瓦斯大很多，在測試自燃過程產(chǎn)生的CH4時存在一定困難。因此，在該溫度階段，選擇CO為第一預(yù)測指標(biāo)，CO2/CO為第二預(yù)測指標(biāo)。

第二階段(90～130 ℃)：C3H8/C2H6與溫度的關(guān)聯(lián)度較大，應(yīng)作為首選預(yù)測指標(biāo)，CH4/C2H6次之，應(yīng)作為第二預(yù)測指標(biāo)，再次為C2H6，CO2，CO2/CO，C3H8，CO，CH4。但從實驗所得結(jié)果可以看出，就CO2而言變化趨勢與第一階段基本相同，在132 ℃之前且無明顯上升，而在132 ℃以后，CO2體積分?jǐn)?shù)隨溫度變化明顯增加，CO2/CO較第一階段相比，隨溫度升高，其比值的降低遠(yuǎn)沒有第一階段明顯，基本和第一階段末時的值相差不大，就CH4而言，與第一階段影響相同。因此，在該溫度階段，選擇C3H8/C2H6為第一預(yù)測指標(biāo)，C2H6為第二預(yù)測指標(biāo)，CO2為第三預(yù)測指標(biāo)。

第三階段(130～200 ℃)：C3H8/C2H6與溫度的關(guān)聯(lián)度較大，應(yīng)作為首選預(yù)測指標(biāo)，C2H4/C2H6次之，應(yīng)作為第二預(yù)測指標(biāo)，再次為CH4/C2H6，CO2/CO，CO2，CH4，C2H6，CO，C3H8，C2H4，但就CH4而言，對其影響與前兩個階段相同。因此，在該溫度階段，選擇C3H8/C2H6為第一預(yù)測指標(biāo)，C2H4/C2H6為第二預(yù)測指標(biāo)，CO2/CO為第三預(yù)測指標(biāo)。

3　結(jié)論

本文以梁寶寺3號煤層為背景，利用色譜吸氧法和氧化動了學(xué)法對煤自燃傾向性進(jìn)行了分析，同時利用程序升溫法對煤氧化升溫過程中各指標(biāo)氣體隨溫度變化的規(guī)律進(jìn)行了研究，在此基礎(chǔ)上，基于灰色關(guān)聯(lián)分析法，分析了煤自燃各個階段的預(yù)測預(yù)報指標(biāo)，主要結(jié)論如下：

(1)梁寶寺3號煤自燃傾向性為容易自燃。

(2)當(dāng)溫度在30～90 ℃時，可選擇CO為第一預(yù)測指標(biāo)，CO2/CO為第二預(yù)測指標(biāo)；在90～130 ℃時，可選擇C3H8/C2H6為第一預(yù)測指標(biāo)，C2H6為第二預(yù)測指標(biāo)，CO2為第三預(yù)測指標(biāo)；在130～200 ℃時，可選擇C3H8/C2H6為第一預(yù)測指標(biāo)，C2H4/C2H6為第二預(yù)測指標(biāo)，CO2/CO為第三預(yù)測指標(biāo)。

[1]王德明. 礦井火災(zāi)學(xué)[M].徐州:中國礦業(yè)大學(xué)出版社,2008.

[2]秦毅,楊勝強,嚴(yán)家程,等.煤炭自然發(fā)火事故樹分析及預(yù)防[J].中國安全生產(chǎn)科學(xué)技術(shù),2012，8(8):198-204.

[3]馬漢鵬,陸偉,王德明,等.煤自燃過程物理吸附氧的研究[J].煤炭科學(xué)技術(shù), 2006，34(7):26-29.

[4]仲曉星.煤自燃傾向性的氧化動力學(xué)測試方法研究[D].徐州:中國礦業(yè)大學(xué), 2008.

[5]楊勝強,秦毅,孫家偉,等.高瓦斯易自燃煤層瓦斯與自燃復(fù)合致災(zāi)機理研究[J].煤炭學(xué)報,2014，39(6):1094-1101.

[6]鄧聚龍.灰色系統(tǒng)[M].北京:國防工業(yè)出版社,1985.

[8]蔣曙光,張衛(wèi)清,王蘭云,等. 煤自燃高溫段指標(biāo)氣體的B型關(guān)聯(lián)度分析[J].采礦與安全工程學(xué)報,2009，26(3):377-380.

[9]王福生,岳志新,郭立穩(wěn).煤炭自然發(fā)火標(biāo)志氣體的灰色關(guān)聯(lián)分析[J].安全與環(huán)境學(xué)報,2006，6(Z1):73-75.

Study on Characteristics of Coal Spontaneous Combustion and Index Systems of Spontaneous Combustion Predict

QIN Yi1,2YANG Shengqiang2HUANG Wei1TANG Xue1

(1.ChongqingSafetyEngineeringInstitute,ChongqingUniversityofScienceandTechnologyChongqing401331)

Coal seam No.3 in Liangbaosi as the background, chromatography oxygen and oxidation dynamic is compared to analyze the spontaneous combustion tendency and at the same time, by raising the temperature of coal oxidation pyrolysis experiments on the heat, the change rules of the gas in the process of temperature change are analyzed. Combined with the qualitative and quantitative analysis based on the experiment and grey relation method, it is optimized and selected the first prediction index, the second prediction index and the third prediction index in the different stages of temperature of coal spontaneous combustion forecasting and the coal spontaneous combustion forecasting system is established, which has great significance to effectively suppress the occurrence of the mine and similar mine fire.

spontaneous combustion firespontaneous combustion tendencyoxidation heating grey correlation analysisprediction

2015-11-12)

國家自然科學(xué)基金(51174198)，重慶科技學(xué)院重點項目培育基金(CK2015Z15)。

秦毅，男，1988年生，助教，碩士學(xué)位，主要研究方向為地下工程火災(zāi)防護(hù)。