煤自燃指標(biāo)體系分析與優(yōu)選實(shí)驗(yàn)研究

易 欣，張 敏，鄧 軍

（1.西安科技大學(xué) 安全科學(xué)與工程學(xué)院，陜西 西安 710054；2.陜西省煤火災(zāi)害防治重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，陜西 西安 710054）

煤炭自燃燃燒是影響煤礦安全生產(chǎn)的主要災(zāi)害形式之一，不僅可導(dǎo)致煤炭資源的巨大浪費(fèi)，還會(huì)誘發(fā)瓦斯、粉塵爆炸等次生災(zāi)害，嚴(yán)重威脅礦井工作人員的生命安全，阻礙煤炭的順利開采[1-2]。據(jù)統(tǒng)計(jì)，世界范圍內(nèi)我國煤炭資源總貯量位列第三。同時(shí)，我國每年對(duì)煤炭產(chǎn)出量、需求量與消費(fèi)量均較大。在一次能源生產(chǎn)與消費(fèi)比例中，煤炭分別占比77 %、66 %[3-4]。隨著城鎮(zhèn)、工業(yè)建設(shè)與水泥等產(chǎn)業(yè)的不斷發(fā)展，我國對(duì)煤炭的需求量也在不斷增加，致使煤礦開采任務(wù)越加繁重。然而，我國絕大部分煤礦在煤炭開采過程中，均面臨著較為嚴(yán)峻的自燃災(zāi)害情形[5-6]。因此，煤炭自然發(fā)火預(yù)報(bào)預(yù)測(cè)是煤礦安全生產(chǎn)過程中極為重要的工作與任務(wù)，也一直是安全工程等相關(guān)學(xué)科中眾多學(xué)者的研究熱點(diǎn)。

煤炭自然發(fā)火是極為復(fù)雜的物理、化學(xué)過程，該過程中會(huì)伴隨著大量混合氣體與熱釋放。隨著煤氧反應(yīng)進(jìn)程的不斷加劇與煤體溫度的升高，不同氣體會(huì)呈現(xiàn)出不同的變化規(guī)律。為深入探究煤自燃的發(fā)展過程與發(fā)展條件，徐精彩[7]設(shè)計(jì)并建造出了我國第1 個(gè)大型煤自然發(fā)火實(shí)驗(yàn)臺(tái)，該實(shí)驗(yàn)臺(tái)可用于監(jiān)測(cè)煤自燃過程中各項(xiàng)氣體與溫度的變化規(guī)律，為煤自燃過程中的各參數(shù)變化，提供了更加有效且直觀的研究方法。同時(shí)，針對(duì)該特點(diǎn)，大量研究人員使用多種手段、多種方法對(duì)煤自燃進(jìn)程進(jìn)行了預(yù)測(cè)與分析。疏義國等[8]通過程序升溫實(shí)驗(yàn)根據(jù)CO 等5 個(gè)標(biāo)志氣體，建立了煤自燃預(yù)測(cè)體系并在實(shí)踐中進(jìn)行驗(yàn)證后取得了良好的效果；朱令起等[9]、王月紅等[10]在CO 等標(biāo)志氣體可預(yù)測(cè)煤自燃的基礎(chǔ)上，用灰色關(guān)聯(lián)度確定了各氣體的準(zhǔn)確性，為不同變質(zhì)程度煤自燃篩選出了最優(yōu)預(yù)測(cè)指標(biāo)；楊朔等[11]通過研究與分析了CO 等氣體的變化規(guī)律，確定了煤樣的特征溫度，以此為依據(jù)，判斷了煤自燃發(fā)展程度；鄧軍等[12]提出了用標(biāo)志氣體增長率分析方法來測(cè)定煤自燃過程中的特征溫度，為更好預(yù)測(cè)煤自燃進(jìn)程提供了可行性方法；朱建國等[13]通過實(shí)驗(yàn)分析與研究后，確定了可預(yù)測(cè)浸水煤的標(biāo)志氣體，更好地預(yù)測(cè)了補(bǔ)連塔礦采空區(qū)中浸水遺煤自燃進(jìn)程；王依磊等[14]通過分析煤自燃過程中的標(biāo)志氣體，確定了煤體特征溫度，為預(yù)測(cè)煤自燃提供了依據(jù)；XIAO 等[15]通過收集并分析煤自燃過程產(chǎn)生的標(biāo)志氣體，再次驗(yàn)證了臨界溫度與標(biāo)志氣體間的關(guān)系；岳寧芳等[16]通過實(shí)驗(yàn)分析后確定了以CO 為主的預(yù)測(cè)標(biāo)志氣體，并確定了6 個(gè)預(yù)警等級(jí)，使煤礦中預(yù)測(cè)煤自燃工作進(jìn)展更加快捷有效；趙曉虎等[17]以CO、CO2、CH4等氣體可預(yù)測(cè)煤自燃的理論基礎(chǔ)，設(shè)立了一套可用于在采空區(qū)中實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)氣體體積分?jǐn)?shù)的監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，可更及時(shí)發(fā)現(xiàn)煤自燃現(xiàn)象；LIANG 等[18]通過程序升溫實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，預(yù)氧化煤樣在實(shí)驗(yàn)初期更容易產(chǎn)生較多的CO氣體；WANG 等[19]通過實(shí)驗(yàn)得出了3 種煤樣在不同氧體積分?jǐn)?shù)條件下，CO 等氣體與其他參數(shù)變化規(guī)律，通過計(jì)算活化能發(fā)現(xiàn)氧體積分?jǐn)?shù)影響煤的氧化活性；TANG 等[20]為探究阻燃泡沫的阻燃性能，通過研究自由基、官能團(tuán)以及CO 生成率3 個(gè)方面來分析，發(fā)現(xiàn)阻燃泡沫可有效抑制CO 生成速率；鄧軍等[21]將格雷哈姆系數(shù)用于預(yù)報(bào)煤自然發(fā)火，很大程度上降低了預(yù)測(cè)煤自然發(fā)火的誤差性。

綜上所述，大量學(xué)者為煤自燃預(yù)報(bào)預(yù)測(cè)分析研究過多種方法。為此,將前人所用的多參數(shù)指標(biāo)、氣體增長率分析、格雷哈姆系數(shù)3 種研究方法進(jìn)行整理與分析；同時(shí)，以寧夏清水營礦與大佛寺礦中的煤樣作為研究對(duì)象，用以上3 種方法綜合分析2 個(gè)煤礦煤樣在低溫氧化過程中的氣體及其他參數(shù)的變化規(guī)律，優(yōu)選出可用于預(yù)測(cè)清水營煤礦與大佛寺煤礦中煤樣自然發(fā)火的最佳方法；為更好預(yù)測(cè)2 個(gè)煤礦中煤體自燃情況與安全生產(chǎn)提供理論依據(jù)。

1 程序升溫實(shí)驗(yàn)

1.1 實(shí)驗(yàn)裝置與實(shí)驗(yàn)過程

實(shí)驗(yàn)采用自主研發(fā)的程序升溫實(shí)驗(yàn)裝置，該系統(tǒng)主要由氣路部分、煤樣罐體、控溫箱體、氣體采集與分析4 部分組成。煤自燃程序升溫實(shí)驗(yàn)測(cè)試系統(tǒng)如圖1。

圖1 煤自燃程序升溫實(shí)驗(yàn)測(cè)試系統(tǒng)Fig.1 Testing system of temperature programmed experiment of coal spontaneous combustion

在煤樣罐中裝入1 kg 煤體，置于升溫箱內(nèi)。實(shí)驗(yàn)條件設(shè)定如下：空氣流量為120 mL/min，升溫速率為0.3 ℃/min；當(dāng)煤體溫度達(dá)到30 ℃時(shí)抽取第1個(gè)氣體樣本；隨后煤體溫度每升高10 ℃，則抽取1次氣體樣本，將抽取的氣體通過氣相色譜儀進(jìn)行測(cè)定與分析，測(cè)定不同煤溫下的氣體組成與含量；直至煤體溫度達(dá)到170 ℃時(shí)，停止實(shí)驗(yàn)。

1.2 實(shí)驗(yàn)煤樣

實(shí)驗(yàn)煤樣選擇于寧夏清水營煤礦與大佛寺煤礦。將在2 個(gè)煤礦中采取的原始新鮮煤樣進(jìn)行手工破碎后，將煤樣篩分出0～＜0.9、0.9～＜3、3～＜5、5～＜7、7～10 mm 5 種不同粒徑后，各粒徑煤樣分別取200 g，組成混合粒徑煤樣1 kg。實(shí)驗(yàn)條件見表1，將實(shí)驗(yàn)煤樣進(jìn)行工業(yè)、元素分析實(shí)驗(yàn)后，得到的實(shí)驗(yàn)煤樣工業(yè)、元素的相關(guān)參數(shù)見表2。

表1 實(shí)驗(yàn)條件Table 1 Test conditions

表2 實(shí)驗(yàn)煤樣工業(yè)、元素分析Table 2 Proximate and ultimate analysis of experimental coal samples %

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

2.1 氣體參數(shù)分析

將寧夏清水營煤樣（1＃煤樣）與大佛寺煤樣（2＃煤樣）進(jìn)行實(shí)驗(yàn)對(duì)比分析各氣體的變化規(guī)律。

1）CO。CO 與溫度的關(guān)系曲線圖如圖2，隨煤體溫度升高，1#煤樣與2#煤樣的CO 均呈現(xiàn)不斷增大趨勢(shì)。其中，兩煤樣的CO 生成速率與溫度基本成指數(shù)關(guān)系。1#煤樣與2#煤樣CO 的變化規(guī)律：①在煤體溫度由室溫升至60 ℃過程中，便可檢測(cè)出CO，但氣體體積分?jǐn)?shù)較小，且隨煤體溫度升高，CO 體積分?jǐn)?shù)變化較小，說明在該階段2 個(gè)煤樣均與氧氣發(fā)生了物理、化學(xué)反應(yīng)，但反應(yīng)速率較慢；②1#煤樣與2#煤樣在60～80 ℃階段內(nèi)，CO 發(fā)生了較明顯的增大趨勢(shì)，說明該階段煤樣反應(yīng)進(jìn)程加快，致使產(chǎn)生更多的CO；③1#煤樣在100～110 ℃，2#煤樣在80～100 ℃時(shí)，CO 均發(fā)生了第2 次突變，說明2 個(gè)煤樣均與O2進(jìn)入了快速氧化階段；④1#煤樣在130 ℃，2#煤樣在140 ℃后，CO 體積分?jǐn)?shù)仍呈不斷增大態(tài)勢(shì)，且CO 體積分?jǐn)?shù)與煤溫間呈現(xiàn)出了更為直觀的指數(shù)增長關(guān)系，說明煤體與O2已經(jīng)進(jìn)入劇烈反應(yīng)階段。根據(jù)CO隨煤體溫度變化過程中呈現(xiàn)出來的特征及突變溫度點(diǎn)，可對(duì)煤自燃進(jìn)程進(jìn)行有效預(yù)測(cè)。

圖2 CO 隨溫度變化曲線Fig.2 Curves of CO with temperature

2）CH4。CH4與溫度的關(guān)系曲線圖如圖3，1#煤樣與2#煤樣的CH4均隨溫度升高而不斷增大，在實(shí)驗(yàn)初始階段便可檢測(cè)到少量CH4，原因很可能是1#煤樣與2#煤樣的原始煤樣含有CH4，在實(shí)驗(yàn)過程中，隨著煤體溫度不斷升高，CH4由煤體中脫附而出，1#煤樣與2#煤樣在煤體溫度未達(dá)到120、90 ℃時(shí)，CH4體積分?jǐn)?shù)變化較小，這可能是煤體溫度還未達(dá)到CH4大量產(chǎn)生的反應(yīng)溫度，而當(dāng)1#煤樣與2#煤樣的煤溫分別高于120、90 ℃后，CH4生成速率與煤體溫度之間基本呈指數(shù)關(guān)系，主要是因?yàn)樵谶@2 個(gè)溫度值后，煤體結(jié)構(gòu)中的大分子支鏈發(fā)生斷裂，并參與到了煤氧反應(yīng)中，從而釋放出了大量CH4，且CH4，直至實(shí)驗(yàn)結(jié)束時(shí)，均呈現(xiàn)出來較為明顯的增大趨勢(shì)，未發(fā)生減緩現(xiàn)象。

圖3 CH4 隨溫度變化曲線Fig.3 Curves of CH4 with temperature

3）CO2。CO2與溫度的關(guān)系曲線圖如圖4，1#煤樣與2#煤樣的CO2釋放量隨煤體溫度升高呈近指數(shù)增長。由圖4 可以看出：1#煤樣與2#煤樣CO2與溫度曲線均發(fā)生了2 次突變，其中1#煤樣的2 次突變溫度點(diǎn)為60、100 ℃，2#煤樣的2 次突變溫度點(diǎn)為60、80 ℃；在第2 次突變溫度點(diǎn)后，1#煤樣與2#煤樣的CO2釋放量均呈現(xiàn)出更為明顯的增長趨勢(shì)，說明在該溫度點(diǎn)后，煤與O2已經(jīng)進(jìn)入加速氧化過程，需采取一定預(yù)防措施；且通過以上對(duì)CO、CH4、CO2氣體分析后，可初步判斷出1#煤樣臨界溫度為60～80℃，干裂溫度為100～120 ℃；大佛寺煤礦（2#煤樣）臨界溫度為60～75 ℃，干裂溫度為80～100 ℃。

圖4 CO2 隨溫度變化曲線Fig.4 Curves of CO2 with temperature

4）C2H6、C2H4。C2H6、C2H4與溫度的關(guān)系曲線圖如圖5。C2H6、C2H4隨實(shí)驗(yàn)的進(jìn)行均呈現(xiàn)出不斷增大趨勢(shì)：在80 ℃前，1#煤樣與2#煤樣均沒有產(chǎn)生C2H6、C2H4，說明2 個(gè)煤礦的煤樣中均未含有C2H4、C2H6；當(dāng)煤體溫度達(dá)到90 ℃左右時(shí)，2 個(gè)煤樣才釋放出微量C2H6、C2H4，因?yàn)槊簶釉诟邷貤l件下，煤中結(jié)構(gòu)發(fā)生裂解促使氧化反應(yīng)發(fā)生，進(jìn)而釋放出C2H4、C2H6，1#煤樣與2#煤樣的C2H6均與煤溫之間呈指數(shù)增加關(guān)系；在100～150 ℃時(shí)，C2H6增長趨勢(shì)較明顯，2#煤樣在150 ℃左右時(shí)出現(xiàn)了階段峰值，在該溫度值之后，C2H6隨溫度的升高而不斷增加；1#煤樣的C2H4與溫度之間呈現(xiàn)十分明顯的正相關(guān)關(guān)系，而2#煤樣中C2H4隨煤體溫度的增加整體呈現(xiàn)增大的趨勢(shì)，但在150、160 ℃時(shí)出現(xiàn)了2 次階段峰值，且在160 ℃后C2H4隨溫度增加出現(xiàn)減小趨勢(shì)；針對(duì)1#煤樣與2#煤樣而言，在煤氧反應(yīng)過程中檢測(cè)到有C2H4、C2H6的產(chǎn)生且其產(chǎn)生速率不斷增加時(shí)，說明煤與O2已進(jìn)入到加速反應(yīng)階段；綜上，1#煤樣中的C2H6、C2H4可作為預(yù)測(cè)煤樣自燃的標(biāo)志氣體，而2#煤樣中C2H6比C2H4更適用于監(jiān)測(cè)煤氧反應(yīng)進(jìn)程。

圖5 C2H6、C2H4 與溫度關(guān)系曲線Fig.5 Curves of C2H6, C2H4 with temperature

2.2 氣體指標(biāo)分析

1）鏈烷比。φ（C2H6）/φ（CH4）由煤自燃過程中C2H6與CH4的產(chǎn)生速率決定。1#煤樣與2#煤樣的鏈烷比與溫度間的關(guān)系如圖6。由圖6 可知，1#煤樣與2#煤樣的鏈烷比均隨溫度增加呈減小趨勢(shì)，且煤中CH4、C2H6主要來源于3 個(gè)方面：①吸附在煤體中的氣體；②溫度不斷升高過程中釋放出來；③在煤與O2反應(yīng)過程中化學(xué)鍵斷裂。由圖6 可知：1#煤樣與2#煤樣均在煤體溫度達(dá)到90 ℃時(shí)，析出C2H6；在110 ℃時(shí)出現(xiàn)了1 次突然變大現(xiàn)象，隨后便處于下降趨勢(shì)，直至實(shí)驗(yàn)結(jié)束，這是因?yàn)樵?#煤樣、2#煤樣與O2發(fā)生氧化反應(yīng)過程中，CH4，產(chǎn)生速率大于C2H6產(chǎn)生速率。

圖6 φ（C2H6）/φ（CH4）隨溫度變化曲線Fig.6 Curves of φ（C2H6）/φ（CH4）with temperature

2）烯烷比。φ（C2H4）/φ（CH4）隨溫度變化曲線如圖7，1#煤樣與2#煤樣的φ（C2H4）/φ（CH4）整體呈上升趨勢(shì)，在該實(shí)驗(yàn)過程中，1#煤樣與2#煤樣的煤體溫度達(dá)到90 ℃時(shí)，開始析出C2H4；在煤體氧化自燃過程中，C2H4的產(chǎn)生是因?yàn)檠醴肿庸裘悍肿?C（25）H2－C（26）H＝C（27）H2中的C（25）碳原子，從而生成了-CH2-COOH 和C2H4[23]；煤樣1#與煤樣2#在溫度分別達(dá)到130、150 ℃時(shí)，鏈烷比達(dá)到最大值，隨后呈現(xiàn)減小趨勢(shì)，出現(xiàn)該現(xiàn)象的原因主要是：在煤氧化自燃過程中，當(dāng)煤體溫度達(dá)到130、150 ℃時(shí)，氧分子攻擊煤分子苯環(huán)側(cè)鏈上的丙烯基團(tuán)反應(yīng)程度高于煤分子苯環(huán)側(cè)鏈上的丙烯基團(tuán)，導(dǎo)致在該溫度值時(shí)CH4析出更多，因此出現(xiàn)圖中曲線降低的現(xiàn)象。

圖7 φ（C2H4）/φ（CH4）隨溫度變化曲線Fig.7 Temperature dependence curves for φ（C2H4）/φ（CH4）

3）φ（C2H4）/φ（C2H6）。φ（C2H4）/φ（C2H6）隨溫度變化曲線如圖8。由圖8 可知：隨著溫度不斷升高，1#煤樣與2#煤樣的φ（C2H4）/φ（CH4）整體呈上升趨勢(shì)。說明在該過程中1#煤樣與2#煤樣C2H4，的產(chǎn)生速率高于C2H6的產(chǎn)生速率，雖然目前為止，煤在氧化過程中產(chǎn)生烯烴、烷烴的機(jī)理還不是完全的清晰明確，但是C2H4、C2H6在煤體氧化過程中，有特定的析出溫度點(diǎn)，所以將φ（C2H4）/φ（C2H6）作為參照與輔助指標(biāo)之一。

圖8 φ（C2H4）/φ（C2H6）隨溫度變化曲線Fig.8 Curves of φ（C2H4）/φ（C2H6）with temperature

2.3 氣體增長率分析

氣體增長率計(jì)算[12]為：

式中：B 為氣體體積分?jǐn)?shù)變化率；ci+1、ci為i+1與i 處氣體體積分?jǐn)?shù)，10-6；ti+1、ti為i+1 與i 處煤體溫度，℃。

式中：Z 為氣體體積分?jǐn)?shù)增長率。

氣體增長率變化曲線如圖9。

由 圖9 可 知：1#煤 樣 與2#煤 樣 的CO、CH4、C2H6、C2H4增長率曲線均出現(xiàn)了突變溫度點(diǎn)，且均不止1 個(gè)，其中煤樣2#的CO、CH4、C2H6、C2H4，增長率曲線均在臨界溫度與干裂溫度點(diǎn)處出現(xiàn)峰值與突增現(xiàn)象。說明可以通過將氣體增長率與氣體相結(jié)合的方式，可更加準(zhǔn)確分析煤樣的特征溫度點(diǎn)，更加準(zhǔn)確判斷煤氧反應(yīng)進(jìn)程，便于采取預(yù)防措施。

圖9 氣體增長率變化曲線Fig.9 Curves of gas growth rate change

2.4 格雷哈姆系數(shù)分析

通過O2消耗量、CO、CO2析出量等單一氣體來預(yù)測(cè)煤自燃的發(fā)生狀態(tài)，受漏風(fēng)等影響因素較大，導(dǎo)致預(yù)測(cè)結(jié)果有很大誤差。針對(duì)這一難題，英國學(xué)者格雷哈姆提出了新的預(yù)測(cè)指標(biāo)—格雷哈姆系數(shù)[22]。該系數(shù)是由煤氧反應(yīng)過程中，CO2體積分?jǐn)?shù)增加量（＋△CO2）、CO 體積分?jǐn)?shù)增加量（＋△CO）、O2體積分?jǐn)?shù)減少量（－△O2）來計(jì)算。公式如下：

式中：R1為第一火災(zāi)系數(shù)，%；R2為第二火災(zāi)系數(shù)，%；R3為第三火災(zāi)系數(shù)，%；+△CO2為CO2體積分?jǐn)?shù)增加量，10-6；+△CO 為CO 體積分?jǐn)?shù)增加量，10-6；-△O2為O2體積分?jǐn)?shù)減少量，%。根據(jù)格雷哈姆系數(shù)計(jì)算公式，將實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，計(jì)算出R1、R2、R3，繪制出的3 個(gè)火災(zāi)系數(shù)隨溫度變化曲線圖如圖10。由圖10（a）可以看出：1#煤樣與2#煤樣的R1值在煤體溫度不斷升高過程中，整體呈上升趨勢(shì)，其中，R1曲線在實(shí)驗(yàn)初始階趨于平穩(wěn)狀態(tài)；在煤體溫度為60～80 ℃時(shí)，R1曲線發(fā)生增大變化；在煤體溫度達(dá)100 ℃后，R1值隨著實(shí)驗(yàn)的進(jìn)程整體呈現(xiàn)快速增大態(tài)勢(shì)，2#煤樣的R1值在80 ℃前，增長率較低；但當(dāng)溫度達(dá)到100 ℃后，R1值出現(xiàn)較大的增大態(tài)勢(shì)；在溫度為140 ℃后，2 個(gè)煤樣的R1值近指數(shù)增長，出現(xiàn)該現(xiàn)象的主要原因是實(shí)驗(yàn)前期，煤氧反應(yīng)較為緩慢，O2的消耗速率與CO2產(chǎn)生速率變化都較小，當(dāng)溫度達(dá)到干裂溫度值后，煤氧反應(yīng)隨溫度不斷增大而越加劇烈，對(duì)O2的消耗量增加，隨著反應(yīng)的進(jìn)行，CO2產(chǎn)生速率大于O2消耗速率，致使R1曲線整體呈增大趨勢(shì)。說明當(dāng)煤氧反應(yīng)進(jìn)入此階段后，應(yīng)采取措施預(yù)防煤自燃現(xiàn)象的發(fā)生。

由圖10（b）可知：1#煤樣與2#煤樣的R2曲線均呈增大態(tài)勢(shì)，其中在100 ℃前，1#煤樣的R2值增長緩慢；但當(dāng)煤體溫度超過100 ℃后，R3值增長趨勢(shì)明顯，且在該溫度值后，R3曲線近指數(shù)增長；2#煤樣的R3曲線在實(shí)驗(yàn)開始至80 ℃區(qū)間內(nèi)，R3值保持平穩(wěn)；但當(dāng)2#煤樣的溫度升高至80 ℃后，R3曲線出現(xiàn)第1 次明顯增加趨勢(shì)；當(dāng)2#煤樣的煤體溫度達(dá)到140 ℃后，R3曲線近指數(shù)增長；當(dāng)1#煤樣與2#煤樣的R3值分別達(dá)到1.5%、2%時(shí)，煤樣已經(jīng)進(jìn)入較為強(qiáng)烈的化學(xué)反應(yīng)階段。

由圖10（c）可知：1#煤樣的R3曲線整體呈現(xiàn)增大趨勢(shì)；且當(dāng)溫度達(dá)到100 ℃后，煤氧反應(yīng)越加強(qiáng)烈，致使R3值不斷增大；2#煤樣的R3曲線在80 ℃出現(xiàn)了峰值；隨著煤氧反應(yīng)的不斷進(jìn)行，在160 ℃時(shí)R3曲線出現(xiàn)第2 個(gè)峰值；1#煤樣與2#煤樣分別在100、130 ℃后，均呈現(xiàn)增大趨勢(shì)，但由于R3曲線規(guī)律性不明顯，可作為預(yù)測(cè)煤自燃的輔助指標(biāo)。

圖10 格雷哈姆系數(shù)曲線Fig.10 Curves of Graham coefficient

2.5 煤自燃預(yù)測(cè)指標(biāo)優(yōu)選

通過對(duì)清水營與大佛寺2 個(gè)煤礦的預(yù)測(cè)指標(biāo)進(jìn)行分析，再次驗(yàn)證了煤低溫氧化所經(jīng)歷的3 個(gè)過程，分別為氧化初期、加速氧化與劇烈氧化。每個(gè)階段均有不同的特征溫度點(diǎn)來表征。同時(shí)結(jié)合選取預(yù)測(cè)煤自燃標(biāo)志氣體的3 個(gè)原則：①容易檢測(cè)；②具有一定的靈敏度；③規(guī)律性強(qiáng)。對(duì)清水營與大佛寺2 個(gè)煤礦煤樣中的氣體預(yù)測(cè)指標(biāo)進(jìn)行優(yōu)選，結(jié)果如下：

1）CO、CO2體積分?jǐn)?shù)可作為預(yù)測(cè)1#煤樣、2#煤樣自燃的主要?dú)怏w指標(biāo)。相比于實(shí)驗(yàn)煤樣熱解過程中產(chǎn)生的其他氣體，CO、CO2體積分?jǐn)?shù)呈現(xiàn)出較強(qiáng)的規(guī)律性，煤體溫度由室溫升至臨界溫度階段，1#煤樣與2#煤樣的CO 及CO2體積分?jǐn)?shù)增加緩慢，說明煤樣在低溫階段便伴有熱解反應(yīng)；當(dāng)煤體溫度由臨界溫度升至干裂溫度時(shí)，CO、CO2體積分?jǐn)?shù)出現(xiàn)明顯增加，且發(fā)生第2 次突變；隨實(shí)驗(yàn)的進(jìn)行，1#煤樣與2#煤樣的CO、CO2體積分?jǐn)?shù)均近指數(shù)增長，1#煤樣與2#煤樣分別于130、140 ℃后分別進(jìn)入劇烈氧化階段。CH4、C2H6、C2H4可作為預(yù)測(cè)2 個(gè)實(shí)驗(yàn)煤樣自燃的輔助標(biāo)志氣體，通過對(duì)CH4、C2H6、C2H4體積分?jǐn)?shù)的檢測(cè)與分析，可判斷2 個(gè)實(shí)驗(yàn)煤樣的煤體溫度，在氧化過程中是否已達(dá)干裂溫度及煤體氧化進(jìn)程，并可及時(shí)采取降溫、注漿等預(yù)防措施。

2）鏈烷比、烯烷比與φ（C2H4）/φ（C2H6）分別可作為預(yù)測(cè)1#煤樣與2#煤樣自燃進(jìn)程的輔助標(biāo)志氣體。CO、CH4、C2H6、C2H4增長率可用于確認(rèn)1#煤樣與2#煤樣氧化升溫過程中的特征溫度點(diǎn)。同時(shí)結(jié)合1）中結(jié)論，可更加準(zhǔn)確判斷煤樣的氧化進(jìn)程。第二火災(zāi)系數(shù)R2可作為預(yù)測(cè)煤自燃的主要標(biāo)志氣體，R1與R3作為輔助指標(biāo)；當(dāng)1#煤樣與2#煤樣的R2值分別超過2.5%、2%時(shí)，煤樣已經(jīng)進(jìn)入劇烈氧化階段；當(dāng)R1分別超過13%、10%，R3分別超過4%、12%時(shí)，說明煤樣熱解過程已進(jìn)入干裂階段。需及時(shí)采取預(yù)防煤體發(fā)生自燃的措施與手段。

3 結(jié) 語

1）CO、CO2體積分?jǐn)?shù)、第二火災(zāi)系數(shù)R2可作為預(yù)測(cè)寧夏清水營煤礦與大佛寺煤礦中煤體自燃的主要標(biāo)志氣體，CH4、C2H6、C2H4、第一火災(zāi)系數(shù)R1、第三火災(zāi)系數(shù)R3可作為輔助標(biāo)志氣體。

2）在煤氧反應(yīng)過程中，通過分析各氣體體積分?jǐn)?shù)，格雷哈姆系數(shù)與CO、CH4、C2H6、C2H4增長率隨溫度變化曲線，最終得出寧夏清水營煤礦的臨界溫度為60～80 ℃，干裂溫度為110～125℃；大佛寺煤礦臨界溫度為60～75 ℃，干裂溫度為80～100 ℃。

3）將多個(gè)氣體參數(shù)、氣體增長率與格雷哈姆系數(shù)進(jìn)行綜合分析，可更加精準(zhǔn)、有效預(yù)測(cè)煤自燃進(jìn)程。同時(shí)，便于煤礦工作人員及時(shí)結(jié)合煤礦中煤炭自燃情況，對(duì)危險(xiǎn)區(qū)域采取適當(dāng)、可靠的預(yù)防措施。