德盛煤礦煤自燃標(biāo)志性氣體的實(shí)驗(yàn)與確定

王瑞林

（山西寧武德盛煤業(yè)有限公司，山西 寧武 036700）

據(jù)統(tǒng)計(jì)，煤炭自燃火災(zāi)約占煤礦火災(zāi)事故的90%，而井下采空區(qū)由于具有極其復(fù)雜的動(dòng)態(tài)變化，成為了煤自燃火災(zāi)的主要發(fā)生地點(diǎn)[1]。由于煤的標(biāo)志性氣體具有生成物中獨(dú)有的特點(diǎn)，最能表現(xiàn)生成量占比與相應(yīng)溫度，因此，如何科學(xué)地選取標(biāo)志性氣體對(duì)礦井進(jìn)行防滅火工作的預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)非常重要[2-3]。

1 煤自燃標(biāo)志氣體的實(shí)驗(yàn)與選擇

不同煤質(zhì)的煤炭在氧化自燃熱解中所釋放的氣體產(chǎn)物不盡相同，且這些氣體的熱解溫度同樣差別較大，因此，可以利用其作為標(biāo)志氣體對(duì)煤炭自然發(fā)火進(jìn)行監(jiān)測(cè)，及時(shí)上報(bào)數(shù)據(jù)，做到火災(zāi)的有效預(yù)報(bào)[4]。

1.1 煤樣的選擇

德盛礦目前開采2#與5#煤層，分別選取煤樣進(jìn)行升溫?zé)峤鈱?shí)驗(yàn)和升溫氧化實(shí)驗(yàn)，觀察該兩種煤樣在不同溫度下氧化過程中所釋放氣體的變化規(guī)律與產(chǎn)物溫度。

1.2 實(shí)驗(yàn)設(shè)備

煤樣升溫?zé)峤夂蜕郎匮趸瘜⒗谩懊鹤匀继匦跃C合測(cè)試系統(tǒng)”進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，該系統(tǒng)主要由預(yù)熱氣路、傳熱罐、控溫箱組成，集成了溫度控制系統(tǒng)、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)和色譜分析系統(tǒng)，具有需煤樣少、實(shí)驗(yàn)耗時(shí)短、體積小巧、便于操作等優(yōu)點(diǎn)。煤自燃特性實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)原理圖如圖1。

1.3 實(shí)驗(yàn)流程

德盛煤礦從井下取得煤樣后，需要運(yùn)至實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行破碎工作，篩分出50 g 粒度為60～80 的煤樣，再將煤樣放入銅質(zhì)存儲(chǔ)罐內(nèi)，隨后煤樣置于程序控溫箱內(nèi)，再對(duì)各氣路管道進(jìn)行氣密性的檢測(cè)，校準(zhǔn)無誤后開始實(shí)驗(yàn)。

圖1 煤自燃特性實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)原理圖

實(shí)驗(yàn)過程中，以80 cm3/min 的速度向煤樣內(nèi)充入干空氣，將控溫箱初始溫度調(diào)整為30 ℃，以1℃/min 的速度對(duì)煤樣進(jìn)行升溫加熱至220 ℃，加熱過程中每間隔10 ℃對(duì)所釋放的氣體進(jìn)行成分分析和濃度測(cè)定。

1.4 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)

進(jìn)行實(shí)驗(yàn)時(shí)，煤自然發(fā)火期間主要經(jīng)歷三個(gè)不同階段，所釋放出來的氣體一部分是由于煤自身氧化產(chǎn)生的氣體產(chǎn)物，即煤自燃氧化氣體，另一部分是成煤過程中吸附在其孔隙內(nèi)的氣體，由于煤體溫度升高而解吸出來的，稱煤吸附氣體。2#煤樣與5#煤樣釋放的氣體成分與濃度見表1、表2。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

德盛煤礦2#、5#煤樣升溫氧化試驗(yàn)所釋放的氣體主要以CO2和CO為主，其中CO變化規(guī)律性更強(qiáng)，隨著溫度的升高而升高；高溫情況下含有少量的H2和CH4，C2H4和C2H6含量極少，C2H2則并無發(fā)現(xiàn)，如表1、表2 所示。主要監(jiān)測(cè)氣體產(chǎn)物變化規(guī)律如圖2、圖3，分析如下。

2.1 CO 濃度隨溫度變化規(guī)律

CO 氣體的出現(xiàn)貫穿于2#煤樣與5#煤樣的全部實(shí)驗(yàn)過程中，從30～220 ℃都可監(jiān)測(cè)。2#煤樣方面，當(dāng)溫度低于110 ℃時(shí)，CO 濃度的漲幅隨溫度上升變化較??；溫度超過110 ℃后，CO 濃度大幅上升，其釋放量與溫度呈指數(shù)式增長(zhǎng)。5#煤樣方面：當(dāng)溫度低于100 ℃時(shí)，CO 濃度的漲幅隨溫度上升變化較小；溫度超過100 ℃后，CO 濃度大幅上升，其釋放量與溫度呈指數(shù)式增長(zhǎng)。當(dāng)CO 濃度快速升高時(shí)，表明煤樣內(nèi)部已經(jīng)迅速氧化。

2.2 CO2 氣體產(chǎn)生規(guī)律

無論在2#煤樣還是5#煤樣的熱解實(shí)驗(yàn)中，CO2氣體隨溫度升高呈先波動(dòng)、再上升的變化規(guī)律。分析認(rèn)為，這主要是因?yàn)镃O2的產(chǎn)生一部分來自煤的升溫解析，另一部分來自于受熱氧化，由于變化規(guī)律穩(wěn)定性差，因此不采用此CO2作為標(biāo)志性氣體。

2.3 H2 濃度隨溫度變化規(guī)律

2#煤樣方面：溫度低于170 ℃時(shí)，并未檢測(cè)到H2；溫度超過170 ℃時(shí)，H2開始釋放并隨溫度上升緩慢增加，認(rèn)為該煤樣進(jìn)入快速氧化期。

5#煤樣方面：溫度低于140 ℃時(shí)，并未檢測(cè)到H2；溫度超過140 ℃時(shí)，H2開始釋放并隨溫度上升緩慢增加，認(rèn)為該煤樣進(jìn)入快速氧化期。

表1 德盛煤業(yè)2 號(hào)煤層煤樣升溫氧化實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)

表2 德盛煤業(yè)5 號(hào)煤層煤樣升溫氧化實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)

圖2 德盛煤礦2#煤樣升溫氧化氣體隨溫度變化圖

2.4 C2H4 濃度隨溫度變化規(guī)律

無論在2#煤樣還是5#煤樣的熱解實(shí)驗(yàn)中，當(dāng)溫度低于170 ℃時(shí)均未檢測(cè)到C2H4的出現(xiàn)，超過該溫度后，C2H4隨溫度的上升而緩慢增加。

2.5 C2H6 濃度隨溫度變化規(guī)律

無論在2#煤樣還是5#煤樣的熱解試驗(yàn)中，C2H6濃度隨溫度上升的變化較為規(guī)律。當(dāng)溫度低于150 ℃并未監(jiān)測(cè)有C2H6的釋放，高于此溫度后，C2H6含量隨溫度的升高緩慢增加。

圖3 德盛煤礦5#煤樣升溫氧化氣體隨溫度變化圖

2.6 C2H2 濃度隨溫度變化規(guī)律

在兩個(gè)煤樣的氧化升溫實(shí)驗(yàn)中，并未檢測(cè)到C2H2，參考相關(guān)資料和實(shí)際經(jīng)驗(yàn)表明，C2H2是煤的氧化進(jìn)入激烈氧化燃燒階段的標(biāo)志，分析認(rèn)為這是由于其出現(xiàn)的溫度高于220 ℃所致[5]。

3 標(biāo)志性氣體的選擇

根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析判斷，將選用CO 的相對(duì)量和變化率作為2#、5#煤層自燃傾向的預(yù)測(cè)指標(biāo)，配合觀測(cè)H2、C2H4、C2H6的相對(duì)量進(jìn)行自燃狀態(tài)預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)。具體操作如下：（1）當(dāng)監(jiān)測(cè)出現(xiàn)CO 氣體時(shí)，說明煤已經(jīng)開始發(fā)生氧化，需繼續(xù)觀察CO 的釋放量同時(shí)繪制該測(cè)點(diǎn)的CO 變化曲線。當(dāng)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)穩(wěn)定上升時(shí)說明CO 濃度在規(guī)律增加，此時(shí)煤處于快速氧化階段，必須發(fā)出預(yù)警。（2）H2、C2H4和C2H6可以作為高溫（140～170 ℃）條件下預(yù)測(cè)煤自然發(fā)火加速氧化階段的標(biāo)志氣體。如果已經(jīng)監(jiān)測(cè)到CO，一經(jīng)發(fā)現(xiàn)H2、C2H4或C2H6氣體逸出，即可判斷為煤的氧化已進(jìn)入自熱加速階段，必須及時(shí)發(fā)出警報(bào)并采取措施。（3）值得注意的是，在對(duì)煤樣進(jìn)行實(shí)驗(yàn)時(shí)并無發(fā)現(xiàn)C2H2，但根據(jù)長(zhǎng)久以來煤層自燃的經(jīng)驗(yàn)判斷，C2H2同樣是可作為高溫時(shí)煤自燃的標(biāo)志性氣體。建議現(xiàn)場(chǎng)當(dāng)檢測(cè)到C2H2，同樣可以判斷監(jiān)測(cè)區(qū)內(nèi)煤炭已經(jīng)有燃燒的明火，需采取積極措施，以免誘發(fā)其他事故發(fā)生。

4 結(jié) 語

煤炭自燃是制約煤礦安全生產(chǎn)的重要災(zāi)害之一，標(biāo)志性氣體分析法因其具有分析技術(shù)準(zhǔn)確成熟、配套監(jiān)測(cè)系統(tǒng)完善的特點(diǎn)被廣泛用于井下火災(zāi)預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)工作中。德盛煤礦通過“煤自燃特性綜合測(cè)試系統(tǒng)”對(duì)正在開采的2#、5#煤層煤樣進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，旨在確定兩層煤層自然發(fā)火的標(biāo)志氣體。最終確定了以監(jiān)測(cè)CO 作為煤炭自燃早期預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)的指標(biāo)，配合監(jiān)測(cè)H2、C2H4或C2H6的濃度變化以反映煤自燃所處程度，實(shí)現(xiàn)了井下煤炭自燃的監(jiān)測(cè)監(jiān)控，對(duì)提高煤礦安全生產(chǎn)效率和預(yù)防自然發(fā)火有積極的作用。