自燃火灾发展阶段预测与控制实验

路青，朱令起，2，郭立稳，2

(1.河北联合大学，河北唐山063009;2.河北省矿业开发与安全技术重点实验室，河北唐山063009)

矿井火灾是煤矿公认的五大灾害之一，采空区自燃火灾发现及检测更为困难［1-3］。矿井火灾发生后，由于其复杂性及多变性，而且内因火灾火源发生地点多位于采空区或破裂煤柱内，火源点较为隐蔽，即便是找到火源点，救援人员也难以接近并实施直接灭火［4，5］。采空区内由于漏风持续供氧，自燃火灾发生发展速度较快，并且采空区内由于局部瓦斯积聚极易发生瓦斯爆炸。因此，正确分析火区燃烧产物对预报预测自然发火、安全启封火区密闭、避免重大安全事故有重要意义。

1 自燃火灾燃烧产物

指标气体是指火灾生成物中独有的，能够表征生成量与相应温度并能进行预测预报火灾的气体［6-10］。指标气体分析法是应用最为广泛、也较为简洁的一种方法，这种方法也称为间接温度法，是最适用和有效的方法。它主要是通过测定煤层自然发火过程中产生的一系列能够反映煤炭氧化和燃烧程度的指标气体，如CO、CO2、C2H4、C2H2、C3H6、C2H6等，这些气体的产生量随着煤炭温度的升高而发生显著变化，有着较为严格的对应关系［9］。因此，利用指标气体产生量的变化来进行煤层火灾的早期预报得到了广泛的应用［11，12］。

近年来，我国在指标气体应用方面做了大量工作。表1-1总结了煤自燃指标气体的种类及其在我国的应用现状。世界主要产煤国家预报煤炭自燃发火的指标气体见表1-2。

表1-1 预测煤自燃发火的指标气体及应用

表1-2 主要产煤国家预测预报自然发火的指标气体

目前，国内外用于预报预测煤自然火发指标气体主要有 CO、C2H6、CH4、C2H4、C2H2、△O2(△O2为 O2消耗量)、H2等及其生成的辅助性指标。在我国指标气体大多用来预报预测煤炭的自然发火，但如何用指标气体判定自燃的燃烧状态研究的较少。

2 自燃火灾燃烧状态判定指标的实验研究

通过研究开滦矿区预测预报自然发火的指标气体气体，得出了一系列火灾燃烧组分。与烷比分析方法类似，比值法测定一般是在同一条件下测定，因此，利用比值法可以更好排除外界环境的影响，从而进行燃烧状态判定和预测预报。

(1)CH4/(C2H6+C3H8)指标

图1表明，当东欢坨煤矿煤体发生缓慢氧化过程中，随着温度的不断升高，CH4浓度与烷烃类气体浓度的相对比例)持续降低，C H+C H浓度与烷烃类气体浓度的相对比例增加，此时氧化程度逐2638渐加强，当温度达到200～220℃时，该比值接近于2，随后随温度的升高，该比值又开始增大。这种相对比例的增减规律有助于判断火区火势是否得到控制或熄灭。当火势衰减时比值应逐渐增加;当火势熄灭时，该值稳定于一个最大值。由图1可知，当温度达到220～240℃时，此比值开始增加，煤的氧化过程开始进入剧烈氧化阶段。同范各庄矿、唐山矿和钱家营矿煤样升温氧化实验数据比较，如图2所示。所有煤样的变化趋势基本一致，当温度达到220℃时，该比值由大逐渐减小至接近2，随后又开始增加。

归纳分析结果，利用CH4/(C2H6+C3H8)判定燃烧状态时，当该比值接近2时，表明此时煤体温度已达到220℃，煤开始进入剧烈氧化阶段。

表3 CH4/(C2 H6+C3 H8)判定标准

用该指标进行自然发火预报时，由于曲线在下降和上升阶段无法进行确定准确的温度，只能在曲线最低点确定准确的温度，但此时温度已经达到220℃左右，煤已经处于加速氧化阶段，不适合作为预测指标，但可以进行燃烧状态分析，结合其它指标确定火源所处状况。

(2)C2H6/C2H4

东欢坨煤矿煤样在升温氧化过程中C2H4和C2H6出现的温度差不多，C2H6在125℃开始出现，在140℃同时发现了乙烯和乙烷，通过分析得知，随着温度的升高，C2H6的生成量增加的速度较慢，而C2H4的产生量速度较快，并在180～200℃赶上并超过C2H6。此时C2H6气体产生量增长速度不大，而C2H4在200℃以上其产生量大幅度上升，尤其当温度达220℃以上时，则急剧上升。由此可知，C2H6/C2H4比值随着温度的上升而减小。

范各庄矿、唐山矿和钱家营矿升温氧化实验数据表明，C2H4和C2H6同时出现的温度基本上保持在160℃左右，随着温度的升高，C2H6的生成量增加的速度较慢，而C2H4的产生量速度较快，二者的比值逐渐减小，在220～240℃左右赶上并超过C2H6。此时C2H6气体产生量增长速度不大，而当温度达240℃以上时，C2H4产生量急剧上升。见图3和图4。

因此，可以利用C2H6/C2H4比值的大小来判断煤层内部温度，并进行预报。由实验我们可以确定C2H6/C2H4的预报临界值，即当C2H6/C2H4=1.5～5时，说明煤体内温度达140～170℃，当C2H6/C2H4＜1时，说明煤体内的温度已达190～200℃，甚至更高。由此分析得知，当C2H6/C2H4比值大于5时，此时煤体温度达到160℃左右，此时煤的自燃进入加速氧化阶段;随着乙烯产生量的增加，该比值逐渐减小，当该比值为1.5时，此时煤体的温度保持在220～240℃左右;随着温度的升高，该比值继续减小，当比值小于1时，煤体的温度保持在240℃以上。

归纳分析结果，利用C2H6/C2H4判定燃烧状态时，当该比值大于5时，表明此时煤体温度已达到160℃，煤开始进入加速氧化阶段，此时必须采取防灭火措施;当比值等于5时，煤体温度达到220℃;当比值小于1时，煤体温度应经达到240℃以上。

表4 C2 H6/C2 H4判定标准

该指标与温度之间呈现单调递减趋势，而且比值越大，对应的温度越低，可以作为预测预报的辅助指标气体。

(3)CO/O2

东欢坨煤矿CO的产生量与氧气浓度的比值在整个检测范围内随煤体温度的升高基本上呈现逐渐增高的趋势，规律性比较明显。通过前文分析，该矿煤层由于微孔发育，CO释放速率较其他矿快，因此，相对应的温度较低。从实验结果分析可知，当温度低于90℃时，该比值小于1，此时煤处于缓慢氧化阶段;当温度低于140℃时，该比值小于5，此时煤开始进入加速氧化阶段;当温度高于140℃后，该比值持续增大，煤开始进入剧烈氧化阶段，直到产生明火。

表5 CO/O2判定标准

由图5分析可知，CO/O2比值可比较容易的判定自然发火的发展状况，当R=CO/O2小于1时，此时CO产生量较少，煤体处于缓慢氧化阶段，煤体温度低于90℃;随温度的升高，煤体进入加速氧化阶段，氧含量逐渐降低，CO生成量增加，其比值逐渐增大，当R=5时，此时煤体温度可达到140℃左右，随后煤体进入剧烈氧化阶段，直至产生明火。

分析实验结果，与东欢坨矿CO/O2的变化规律基本相似，当比值小于1时，对应的煤体温度为110℃左右，煤总体处于缓慢氧化阶段，此时产生的CO量较少;随着温度的升高，CO开始大量产生，O2浓度开始下降，该比值开始大于1，当该比值等于5时，此时对应的煤体温度为160～170℃;随着氧化程度的加剧，该比值继续升高，对应的煤体温度继续增加，直至明火阶段。

归纳分析上述结果，利用CO/O2判定燃烧状态时，当该比值小于1时，表明此时煤体温度已接近90℃，煤开始由缓慢氧化阶段进入加速氧化阶段，此时应采取措施进行防灭火最为有效;当比值等于5时，煤体温度达到140℃;当比值大于5时，煤体温度应经达到140℃以上。

该指标数值显现温度范围较窄，对应的温度较低，而且呈现严格的单调性，因此可以替代CO指标进行预测预报。

(4)CO2/CO

通过前文分析，由于CO2、CO均易受外界环境的影响，因此，在利用该指标进行预测预报过程中应加以注意。

在同样情况下，采用二者的比值则消除了外界环境的影响，相比而言预测准确度则显得更为符合实际。图7表明，当该比值大于50时，表明此时煤体温度在70℃以下，煤开始发热;随着温度的升高，CO2/CO的比值呈现指数形式下降，表明此时煤体进入加速氧化阶段，随着氧气的降低，煤发生氧化反应不充分，CO产生量快速增大，当温度达到240℃以后，CO2/CO的比值接近于一常数2.5，在整个过程中，CO/O2随着温度的升高而增大。

范各庄矿等煤样CO2/CO比值与东欢坨矿变化规律基本一致，如图8所示。煤体温度小于70℃时，该比值大于50，在70～240℃左右该比值大于2.5;此后随着温度的升高，该比值略有增加，增加的幅度不大。

归纳分析结果，利用CO2/CO判定燃烧状态时，当该比值大于50时，表明此时煤体温度已接近70℃，煤开始由缓慢氧化阶段逐步进入加速氧化阶段，此时应采取措施进行防灭火最为有效;当比值接近2.5时，煤体温度达到240℃。

表6 CO2/CO判定标准

其比值变化特征与CO及烷、烯烃类指标气体分析结果一致，并且消除了井下风流影响。比值结果不仅能够依据比值变化规律来反映井工矿采空区煤自然发火特征，而且还可以根据比值大小来直接判定采空区煤自然发火危险程度，进一步准确快速指导采空区的防灭火工作，但同ICO指标相比，当煤体温度超过70℃以后，对应的温度范围较宽，只能作为预测预报的辅助指标气体。

3 结论

通过实验数据分析，得出了4条判定火源燃烧状态的判定标准:

(1)利用CH4/(C2H6+C3H8)判定燃烧状态时，当该比值接近2时，表明煤已经处于加速氧化阶段，该指标不适合用来预报预测煤炭的自然发火。

(2)C2H6/C2H4判定燃烧状态时，比值越大，对应的温度越低，可以作为预测预报的辅助指标气体。

(3)CO/O2指标具备指标气体的各个特征，可以替代CO指标进行自然发火的预测预报。

(4)CO2/CO指标比值大于50时，表明此时煤体温度已接近70℃，煤开始由缓慢氧化阶段逐步进入加速氧化阶段，此时应采取措施进行防灭火最为有效;当比值接近2.5时，煤体温度达到240℃。

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