七五煤礦3#煤層自然發(fā)火各階段指標(biāo)氣體優(yōu)選研究

李昭水 王 帥 鄧海賓 徐 俊

(1.棗礦集團(tuán)七五煤礦，山東省棗莊市，277100； 2. 中國礦業(yè)大學(xué)安全工程學(xué)院，江蘇省徐州市，221116； 3.中國礦業(yè)大學(xué)煤礦瓦斯與火災(zāi)防治教育部重點實驗室`，江蘇省徐州市，221116)

我國是世界上礦井火災(zāi)最嚴(yán)重的國家之一。據(jù)統(tǒng)計我國約56%以上煤層具有自燃傾向性，由于煤炭自燃而引起的火災(zāi)占礦井火災(zāi)總數(shù)的85%～90%。因此研究防治煤自燃技術(shù)具有重要意義，而防治的關(guān)鍵是對煤自燃進(jìn)行準(zhǔn)確地預(yù)測預(yù)報。已有的研究表明，煤炭自燃是一種非常復(fù)雜的物理、化學(xué)變化過程，在煤的氧化過程中，隨著氧化進(jìn)程將依次釋放出各種氣體，這些氣體的出現(xiàn)及釋放量能較準(zhǔn)確地反映煤炭氧化自燃程度。因此，準(zhǔn)確地分析煤炭氧化自燃所放出的氣體及其濃度，能夠及時地預(yù)測預(yù)報煤炭自燃情況，為防治工作提供科學(xué)指導(dǎo)。

多年來許多專家學(xué)者在煤炭自燃指標(biāo)氣體預(yù)測預(yù)報方面做了大量卓有成效的工作。肖旸等通過特大型煤自然發(fā)火試驗臺對煤樣自燃過程進(jìn)行試驗?zāi)M，得出煤自燃過程中相應(yīng)的指標(biāo)氣體，建立了煤自燃指標(biāo)氣體與特征溫度的對應(yīng)關(guān)系；羅海珠等在分析試驗數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上，集中研究了我國不同煤種的煤在氧化自燃過程中氣體產(chǎn)物的組成和變化規(guī)律，并提出了指標(biāo)氣體與煤溫的定量關(guān)系和早期預(yù)測預(yù)報自然發(fā)火的指標(biāo)；鄧軍等通過煤自燃程序升溫試驗對峁底煤礦預(yù)報煤自燃?xì)怏w指標(biāo)進(jìn)行試驗研究，利用試驗得到煤氧化熱解過程中各階段的氣體組分和濃度，依據(jù)指標(biāo)氣體優(yōu)選原則，確定了峁底煤礦煤自燃的主要氣體指標(biāo)和輔助氣體指標(biāo)；鄔劍明等通過對平朔礦區(qū)4個煤層煤樣進(jìn)行程序升溫試驗，得出了平朔礦區(qū)煤炭自燃的標(biāo)志氣體應(yīng)以CO、C2H4為主，H2為輔。

本文在已有研究的基礎(chǔ)上針對棗礦集團(tuán)七五煤礦3#煤層217工作面自然發(fā)火問題，通過煤低溫氧化試驗和灰色關(guān)聯(lián)度分析相結(jié)合的方法，優(yōu)選確定適用于該煤層自燃各階段標(biāo)志性氣體的預(yù)測指標(biāo)，從而有效指導(dǎo)該礦自然發(fā)火防治工作。

1 七五煤礦217工作面概況

七五煤礦位于山東省微山縣一帶，主要含煤地層總厚約為108.25 m，主采煤層為3上#、3下#、12下#、14#和16#煤層。3上#煤層煤厚3.6～4.6 m，平均煤厚4.2 m，變異系數(shù)為40%，可采性指數(shù)為82%。該煤層結(jié)構(gòu)簡單，屬較穩(wěn)定煤層。3#煤層屬Ⅱ類自燃煤層，有自然發(fā)火傾向性，煤層自然發(fā)火期為52 d；有煤塵爆炸性危險；無煤與瓦斯突出危險性。217工作面開采3#煤層，工作面傾斜寬140.5～141.5 m，煤層厚為3.6～4.6 m，平均煤厚為4.1 m，傾角為10°，采用走向長壁采煤方法。

2 自然發(fā)火標(biāo)志性氣體分析

2.1 試驗裝置

本次試驗研究裝置采用自行搭建的煤自燃低溫氧化測試系統(tǒng)，該系統(tǒng)主要由氣路控制系統(tǒng)、程序升溫爐、煤樣罐、測溫儀、氣體分析檢測儀、溫度控制系統(tǒng)等組成。試驗系統(tǒng)圖見圖1。

圖1 程序升溫及色譜分析系統(tǒng)

2.2 試驗過程

選取七五煤礦3#煤層217工作面新暴露的煤樣，現(xiàn)場封裝運至實驗室；剝除煤樣表面氧化層，然后用破碎機(jī)將其破碎并篩分出粒徑40～80目的煤粒；稱取50 g煤樣置于煤樣罐內(nèi)，并將煤樣罐置于程序升溫爐中，然后連接好進(jìn)氣氣路、出氣氣路，檢查氣路的氣密性無誤后開始試驗。測試時通過調(diào)節(jié)流量控制器向煤樣罐內(nèi)通入50 ml/min的干空氣，在程序控溫器控制下對煤樣進(jìn)行程序升溫試驗，設(shè)置溫升速率為1.2℃/min。本試驗考察煤自燃低溫階段的氧化特性，故最終溫度控制在220℃，期間每隔10℃采取氣樣，當(dāng)?shù)竭_(dá)指定溫度時，恒定溫度5 min后取氣樣通入氣相色譜儀進(jìn)行氣體組分和濃度分析。煤樣工業(yè)分析：煤樣類型屬煙煤，水分含量8.19%，灰分含量5.22%，揮發(fā)分含量30.13%，固定碳含量59.24%。

2.3 試驗結(jié)果及分析

煤炭自燃預(yù)報指標(biāo)的選擇是根據(jù)具體條件逐漸摸索確定出適合礦井準(zhǔn)確的預(yù)報指標(biāo)和預(yù)報臨界值。目前常用的煤炭自燃預(yù)報指標(biāo)有標(biāo)志氣體的濃度、標(biāo)志氣體的發(fā)生量、格雷哈姆火災(zāi)系數(shù)、鏈烷比及烯烷比等。本次煤樣升溫氧化試驗主要選取CO、CO2、CH4、C2H4、C2H8、C3H86種氣體濃度和鏈烷比、烯烷比兩種系數(shù)隨溫度的變化規(guī)律進(jìn)行研究，試驗結(jié)果如圖2和圖3所示。

圖2 CO、CO2濃度隨溫度變化曲線

由圖2可知，在常溫30℃時，煤樣無CO氣體釋放，溫度達(dá)到50℃時，煤樣開始釋放出CO氣體，在120℃以下時，CO的釋放量較小且上升速率較低，呈現(xiàn)平穩(wěn)上升趨勢，此時煤炭氧化較為平緩；120℃后，CO釋放量驟升，煤炭氧化程度加劇。CO2含量在30℃～130℃期間，呈現(xiàn)平穩(wěn)上升的趨勢；130℃～220℃期間，CO2含量增幅變大。

圖3 CH4、C2H4、C2H6、C3H8濃度隨溫度變化曲線

由圖3可知，在30℃的溫度時，煤樣產(chǎn)生CH4氣體，其濃度隨溫度的升高呈先升高后降低再升高的趨勢。煤樣氧化溫度升高至140℃時，檢測到了C2H4氣體，其濃度隨溫度的升高不斷增大。C2H6氣體生成濃度在30℃～150℃期間平穩(wěn)增加，當(dāng)溫度達(dá)到150℃以上時，隨著溫度升高，C2H6氣體生成速率增大，釋放量驟升。溫度達(dá)到80℃時，煤樣開始釋放出C3H8氣體，且氣體濃度隨著溫度的升高逐漸上升。

分析可知，CO可以作為煤炭自燃早期預(yù)測預(yù)報氣體，一旦發(fā)現(xiàn)CO氣體，就必須及時跟蹤檢測CO濃度變化趨勢，若發(fā)現(xiàn)其濃度有顯著上升趨勢，即判定有自燃征兆并立即采取措施。氧化產(chǎn)生的熱量使煤溫繼續(xù)升高，當(dāng)超過煤自燃的臨界溫度時，煤溫急劇加速上升，氧化進(jìn)程加快，開始產(chǎn)生多種芳香烴的碳?xì)浠衔?CxHy)、更多的CO等可燃?xì)怏w。例如在130℃時產(chǎn)生了C2H4氣體，在檢測過程中若出現(xiàn)C2H4氣體，則說明采空區(qū)已出現(xiàn)130℃以上的高溫區(qū)，會加速煤炭自燃，應(yīng)立即采取防治措施加以控制。

七五煤礦3#煤層217工作面氧化升溫過程中生成氣體的烯烷比、鏈烷比系數(shù)隨溫度的變化規(guī)律如圖4所示。

圖4 3#煤層氧化生成氣體的烯烷比及鏈烷比

由圖4可知，在溫度140℃～220℃之間，3#煤層低溫氧化過程中的烯烷比(C2H4/C2H6)在0.02～0.88之間，且在此過程中烯烷比隨著溫度的升高而逐漸增大。說明當(dāng)烯烷比大于0.02時煤中溫度已達(dá)到140℃，此時應(yīng)立即采取防治措施。同理，鏈烷比(C3H8/CH4)在0.78～2.32之間，且在溫度140℃～300℃之間烯烷比隨著溫度的升高而逐漸增大，說明當(dāng)鏈烷比大于0.78時煤中溫度已接近150℃。

3 各指標(biāo)氣體灰色關(guān)聯(lián)度分析

3.1 灰色關(guān)聯(lián)度分析及其原理

灰色關(guān)聯(lián)度分析是根據(jù)系統(tǒng)內(nèi)部各因素之間發(fā)展態(tài)勢的相似或相異程度衡量因素之間關(guān)聯(lián)程度的一種系統(tǒng)分析方法。它通過對灰色系統(tǒng)中有限數(shù)據(jù)序列的分析，尋求系統(tǒng)內(nèi)部諸因素之間的關(guān)系，找出影響目標(biāo)值的主要因素，從總體上把握系統(tǒng)動態(tài)運動的規(guī)律，從而為系統(tǒng)預(yù)測、決策、控制提供有用和比較可靠的依據(jù)?；疑P(guān)聯(lián)度分析的核心是灰色關(guān)聯(lián)度的計算。關(guān)聯(lián)度是描述系統(tǒng)各因素之間相互關(guān)系的主要參數(shù)。通過比較關(guān)聯(lián)度的大小確定主要因素和次要因素，從而判斷引起該系統(tǒng)發(fā)展的主要因素和次要因素。

灰色關(guān)聯(lián)度分析首先要確定系統(tǒng)的參考序列，即母序列，記為xi(i=1,2,3，…，m)；其次確定與參考序列作關(guān)聯(lián)程度比較的子序列，即比較序列，記為yj(j=1,2,3，…，s)，m、s表示序列的個數(shù)。

經(jīng)過n次試驗，則系統(tǒng)每個參考數(shù)列和比較數(shù)列就形成如下數(shù)列:

(1)

式中：xi(k)，yi(k)——系統(tǒng)第i個參考序列和第j個比較序列在第k次試驗時的數(shù)據(jù)。

為保證關(guān)聯(lián)度計算結(jié)果的準(zhǔn)確性，通常將原始數(shù)據(jù)序列均值化或歸一化處理。均值化處理后式(1)變?yōu)椋?/p>

(2)

關(guān)聯(lián)系數(shù)的計算公式為：

(3)

ξ——分辨率系數(shù)，一般取值介于0～1，本例中取ξ=0.5。

關(guān)聯(lián)系數(shù)的數(shù)目和試驗的次數(shù)一致。通常試驗次數(shù)很多，因此關(guān)聯(lián)系數(shù)的數(shù)目也很多，信息過于分散。為了便于比較，常采用均值化將各個時刻的關(guān)聯(lián)系數(shù)化為一個量值，即為該相關(guān)因素的關(guān)聯(lián)度，從而可對各相關(guān)因素的關(guān)聯(lián)度進(jìn)行比較分析。

關(guān)聯(lián)度的一般表達(dá)式為：

(4)

進(jìn)而可得到關(guān)聯(lián)度矩陣：

(5)

當(dāng)參考序列和比較序列不只一個時，這種關(guān)聯(lián)分析就叫做優(yōu)勢分析。由母序列和子序列構(gòu)成關(guān)聯(lián)矩陣，通過關(guān)聯(lián)矩陣，分析各因素之間的關(guān)系，找出優(yōu)勢因素和非優(yōu)勢因素。

3.2 指標(biāo)氣體與煤溫的灰色關(guān)聯(lián)度分析

將灰色關(guān)聯(lián)度分析運用于煤自燃?xì)怏w指標(biāo)優(yōu)選時，可以通過計算各個可選標(biāo)志氣體與煤自燃氧化溫度之間的關(guān)聯(lián)度，來確定各個標(biāo)志氣體的優(yōu)先程度。

由試驗結(jié)果分析可知，在煤進(jìn)入加速氧化階段之前，由于煤沒有生成C2H4、C3H8等氣體，而烯烷比(C2H4/C2H6)和鏈烷比(C3H8/CH4)在自燃階段初期比值又很小，容易出現(xiàn)誤差，所以主要使用CO單個指標(biāo)進(jìn)行預(yù)測預(yù)報，不需要進(jìn)行關(guān)聯(lián)分析，此階段只需密切關(guān)注CO濃度的變化即可。如果CO濃度持續(xù)上升，那么就已存在自然發(fā)火隱患，應(yīng)立即作出預(yù)警。CO2、CH4由于在煤體中均有賦存，故不宜作為煤自然發(fā)火指標(biāo)氣體。而在加速氧化階段C2H4、C2H6、C3H8、烯烷比(C2H4/C2H6)和鏈烷比(C3H8/CH4)隨煤溫升高普遍呈現(xiàn)較好的規(guī)律性，從而使得預(yù)測指標(biāo)增多，但在預(yù)測準(zhǔn)確性增強(qiáng)的同時，各指標(biāo)氣體之間又會產(chǎn)生矛盾，此時有必要區(qū)分主要因素和次要因素，因此此階段是煤炭自然發(fā)火早期預(yù)測預(yù)報的關(guān)鍵時期。因灰色關(guān)聯(lián)度分析主要應(yīng)用在煤加速氧化階段，選取溫度T為煤種進(jìn)入加速氧化階段對應(yīng)溫度點140℃～220℃之間對各氣體指標(biāo)進(jìn)行關(guān)聯(lián)分析。

首先確定溫度序列T作為參考序列，把CO、C2H4、C2H6、C2H4/C2H6、C3H8/CH4作為比較序列，分別設(shè)為X1、X2、X3、X4、X5。

下面以七五煤礦3#煤層217工作面層煤樣為例進(jìn)行關(guān)聯(lián)分析說明。

(1)確定參考序列和比較序列。以溫度為參考序列：

各氣體指標(biāo)比較序列為：

(2)利用均值法進(jìn)行無量綱化處理。

(4)計算兩級最大差和最小差。

(5)計算關(guān)聯(lián)系數(shù)。取分辨率系數(shù)ξ=0.5，由公式：

(6)

代入數(shù)據(jù)得：

(6)計算比較序列T0和參考序列Xi的關(guān)聯(lián)度，采用公式：

(7)

代入數(shù)據(jù)得：

由灰色關(guān)聯(lián)度分析結(jié)果可知，在七五煤礦217工作面3#煤層加速氧化階段(140℃～220℃)，氣體預(yù)報指標(biāo)綜合關(guān)聯(lián)度由高到低依次為C3H8/CH4>CO>C2H6>C2H4/C2H6>C2H4，因此，七五煤礦3#煤層加速氧化階段首選預(yù)報指標(biāo)為C3H8/CH4，第二預(yù)測指標(biāo)為CO，第三預(yù)測指標(biāo)為C2H6。

4 結(jié)論

(1)通過煤低溫氧化試驗得出在煤自燃早期可使用CO單個指標(biāo)進(jìn)行預(yù)測預(yù)報，一旦發(fā)現(xiàn)CO，就必須及時跟蹤檢測CO濃度變化趨勢，若發(fā)現(xiàn)其濃度有持續(xù)上升趨勢，即有自燃征兆，應(yīng)立即采取措施。

(2)在加速氧化階段通過灰色關(guān)聯(lián)度分析各氣體預(yù)報指標(biāo)綜合關(guān)聯(lián)度由高到低依次為C3H8/CH4>CO>C2H6>C2H4/C2H6>C2H4，因此，七五煤礦3#煤層加速氧化階段首選預(yù)報指標(biāo)為C3H8/CH4，第二預(yù)測指標(biāo)為CO，第三預(yù)測指標(biāo)為C2H6。