林西矿8 煤层自然发火指标气体预测体系研究

吴培益

（唐山开滦林西矿业有限公司，河北 唐山 063100）

0 引 言

为加强煤矿防灭火工作，有效防控煤矿火灾事故，保障煤矿安全生产及从业人员生命安全，如何实现准确的预测预报煤自然发火危险程度，国内外学者开展了大量研究[1-2]。沈云鸽等分析了不同变质程度煤的指标气体随温度的变化关系，发现自燃倾向性最高的煤首选CO 和乙烯作为指标气体[3]；蒋曙光等应用灰色B 型关联分析法计算了100 ～200℃温度段煤样气体产物含量及含量比值与温度的关联度，从而优选指标气体[4]；徐长富等以CO与C2H4为指标气体，并参考C3H8、φ（C2H4） /φ（C3H8） 等综合分析煤炭的自燃情况，使预测更加准确[5]；骆大勇等通过检测煤体温度，计算出CO、C2H6及C3H8的体积分数，建立函数关系式推测采空区自燃状况[6]；安靖宇等利用分段直线拟合得出煤耗氧速率突变温度和气体生成激增温度，通过灰色关联度分析法对指标气体进行优选[7]；文虎等通过格氏火灾系数等方法进行处理分析，确定了主要指标为CO 气体、第二类火灾系数，辅助指标为C2H4气体、烯烷比和第三类火灾系数[8]；梁仓船等运用灰色关联度和斯皮尔曼方法对指标气体进行相关性分析，发现Graham 指数和CO2/CO 相关性最高[9]。为了确定林西矿8 煤层自燃特征，通过升温氧化和热重实验分析煤层自然氧化阶段标志性气体的生成规律，从而构建自燃阶段预测指标体系，为煤矿现场的防灭火工作提供科学依据。

1 实验方法

1.1 煤样制备

采集林西矿8 煤层17 采区的煤样作为试验煤样，将煤样粉碎，筛选粒径为60～80 目、80～200目和200 目以下的煤样。

1.2 热重实验系统

试验仪器采用北京恒久同步热分析仪，如图1所示。对煤样的热特性进行测试，将15 mg 的煤样均匀放入氧化铝坩埚中，以100 mL/min 的速率持续通入标准空气，以10 ℃/min 的升温速率从室温加热到800 ℃，分析煤样的热量变化和质量变化。

图1 热重实验原理图Fig.1 Thermogravimetric experiment principle diagram

1.3 程序升温氧化系统

煤自燃程序升温氧化实验测试系统主要包括空气发生器、煤样罐、程序升温箱、气相色谱仪和电脑组成，如图2 所示。程序升温箱对煤自热的全过程进行检测模拟，以100 mL/min 的速率持续通入标准空气，以0.8 ℃/min 的升温速率从30 ℃加热到370 ℃，利用气相色谱仪对不同温度点生成的气体进行采集分析[10]。

图2 程序升温—气相色谱联用实验示意Fig.2 Temperature programmed-gas chromatography experiment

2 热重实验结果及分析

根据煤自燃过程中煤样的质量变化，确定了煤自燃过程中4 个阶段，如图3 所示。T1 是煤自燃过程中DTG 曲线的第1 个峰值，为水分蒸发失重阶段，煤样中的游离水受热蒸发，脱离煤体。T2是煤自燃过程TG 曲线极大值的温度，即热失重速率为零的温度，煤分子中主体芳环结构参与反应。T3 是煤自燃过程中DTG 曲线的峰值，即热失重速率为零的温度，此后煤分子中主体芳环结构参与反应。T4 是T3 后DTG 曲线基本保持不变时的温度，为煤氧反应结束的温度。

图3 煤样的TG- DTG曲线图Fig.3 TG-DTG curve of coal sample

利用煤燃点测定仪测定8 煤层煤样燃点为361℃，煤样煤自燃过程中特征温度见表1。

表1 8 煤层煤样的特征温度变化Table 1 The characteristic temperature change of 8 coal seam coal sample

3 程序升温实验结果及分析

3.1 单一气体变化规律分析

煤自燃过程大致可以分为缓慢氧化阶段、加速氧化阶段、剧烈氧化阶段。当煤的温度超过自热的临界温度Tl大约51.8℃时，煤的耗氧速率开始加快，导致煤氧化过程加速，煤温开始加快上升，逐渐产生气体。

（1） O2气体变化特征。

图4 是煤样30 ～370 ℃的氧化过程中O2浓度随温度变化趋势，随着温度的不断升高，氧气的浓度在不断降低。

图4 O2 浓度变化图Fig.4 Variation of O2 concentration

当温度超过260 ℃时，煤样罐氧浓度小于8%，并随着温度的进一步升高，耗氧速率逐渐降低。

（2） CO 气体变化特征。

在程序升温过程中，煤样产生CO 气体浓度随温度的变化规律如图5 所示，煤样在100 ℃开始出现CO 气体，随着温度的升高，煤氧复合反应加快，CO 浓度随温度升高逐渐增大；在240 ℃之后，煤氧反应变得更加激烈，CO 变化曲线斜率急剧变陡，表明煤氧反应十分剧烈，因此CO 可作为定性指标。

图5 CO浓度变化图Fig.5 CO concentration variation diagram

（3） CO2气体变化特征。

在程序升温过程中，煤样产生CO2气体浓度随温度的变化规律如图6 所示。煤样中CO2出现的最低温度为30 ℃，随着煤样升温过，温度超过240℃以后，CO2生成量迅速增加。

图6 CO2 浓度变化图Fig.6 CO2 concentration variation diagram

（4） 烷烃气体变化特征。

在程序升温过程中，煤样产生CH4和C2H6气体浓度随温度的变化规律如图7 所示。在70 ℃时，C2H6气体出现，此时煤处于缓慢氧化阶段；随着温度升高，CH4和C2H6气体浓度不断升高，达到240 ℃时，浓度有较大幅度增加，煤样进入加速氧化阶段，煤氧化产生的烷烃气体量远大于煤吸附烷烃气体的释放量。由于CH4气体出现较晚，CH4气体不宜作为自然发火指标气体，但C2H6可作为辅助指标以判断煤是否进入加速氧化阶段。

图7 烷烃浓度变化图Fig.7 Alkane concentration change diagram

（5） C2H4气体变化特征。

在程序升温过程中，煤样产生C2H4气体浓度变化规律如图8 所示。煤样在240℃以后开始产生C2H4气体，在300 ℃之前C2H4的产生速率随煤温的上升而呈现单一的递增关系；实验过程中C2H4在300 ℃时达到最高浓度153 ppm，C2H4气体的产生标志着煤自燃处于加速氧化阶段。

图8 C2H4 浓度变化图Fig.8 C2H4 concentration variation diagram

3.2 复合性指标气体变化规律分析

考虑矿井下复杂多变的环境与其他条件的影响，除了CO 和C2H4等单一气体作为煤自然发火标志气体外，还需分析所产生气体中烯烷比、链烷比等复合性指标，从多角度全面地进行预测预报煤自燃情况。

（1） CO2/CO。

图9 为煤样CO2/CO 比值随煤温的变化趋势，对CO2/CO 比值随煤温变化对应关系进行指数拟合得到了回归数学模型：

图9 CO2/CO浓度变化图Fig.9 CO2/CO concentration diagram

式中：x 为煤体温度。

由图9 可知，当CO2/CO＞0.74 时，煤样处于缓慢氧化阶段；当CO2/CO 比值为0.52 ～0.74 时，煤样处于加速氧化阶段；当CO2/CO＜0.52 时，煤样处于剧烈氧化阶段。因此CO2/CO 比值可作为优选定量指标。

（2） 链烷比。

C2H6/CH4随煤温的变化曲线如图10 所示。随着温度的升高，C2H6的产生量较CH4的产生量速度慢，在350 ℃以上时，CH4产生量大幅度上升，C2H6/CH4比值随着温度的上升而减小。C2H6和CH4气体出现时煤样已处于加速氧化时期，当C2H6/CH4比值小于0.27 时，煤样进入剧烈氧化时期，C2H6/CH4比值可作为辅助定量指标。

图10 C2H6/CH4 浓度变化图Fig.10 C2H6/CH4 concentration change diagram

（3） 烷烯比。

C2H6/C2H4和CH4/C2H4随煤温的变化曲线如图11 所示。由图11（a） 可知，C2H4气体在220 ℃后，气体浓度急剧上升，但浓度值相比CH4较小，所以CH4/C2H4比值随着温度的上升而增大。由图11（b） 可知，C2H4气体出现的温度过高，煤样处于加速氧化时期，CH4/C2H4比值可作为辅助定量指标。

图11 C2H6/C2H4 和CH4/C2H4 浓度变化图Fig.11 C2H6/C2H4 and CH4/C2H4 concentration change diagram

（4） Graham 指数。

Graham 指数可用于判定采空区、密闭墙内等区域火势发展情况，采用该指标也可准确预测预报煤的自然发火。

图12 ICO与煤温关系拟合曲线Fig.12 Fitting curve of relationship between ICO and coal temperature

对Graham 指数随煤温变化对应关系进行拟合，根据五次多项式拟合得到了回归数学模型：

式中：x 为煤体温度。

根据拟合公式和实验结果可知，当x＜100 ℃时，ICO＜0.52 时，，煤样自燃发展缓慢；当0.52＜ICO＜14.46 时，煤样处于缓慢氧化阶段，氧化强度开始增加；14.46＜ICO＜49.87 时，煤样处于加速氧化阶段；当ICO＞49.87 时，煤样处于剧烈氧化阶段，很快即将出现明火。

3.3 自然发火预测指标体系

通过分析煤样在程序升温实验过程中CO、CO2、CH4、C2H6、C2H4气体的产生量以及定量判定指标，建立8 煤层不同自燃阶段预测指标体系见表2。

表2 8 煤层自然发火预测指标体系Table 2 No.8 coal seam spontaneous combustion prediction index system

4 结 论

（1） 通过对林西矿8 煤层所取煤样进行实验室分析测试，通过热重实验确定了煤自燃过程中4个阶段的特征温度，并测定了煤样氧化升温过程中生成的气体成分和浓度。

（2） 基于单一指标气体和复合性指标在升温过程中的变化特征，林西矿8 煤层自然发火过程中，当温度小于240 ℃（100 ℃时开始产生CO 气体） 为缓慢氧化阶段，240 ～300 ℃为加速氧化阶段，温度大于300 ℃为剧烈氧化阶段。

（3） 确定了以CO 和C2H4气体作林西矿8 煤层自燃发火定性预测指标，CO2/CO 和ICO 作为定量判定指标，C2H6/CH4为辅助定量判定指标的预测体系，该指标体系对林西矿8 煤层及邻近煤层自然发火预测预警具有重要意义