秦毅　杨胜强　黄维　谭雪

(1.重庆科技学院安全工程学院　重庆 401331；　2.中国矿业大学，煤炭资源与安全开采国家重点实验室　江苏徐州 221116)



煤自燃特性及自然发火预测预报指标体系研究*

秦毅1,2杨胜强2黄维1谭雪1

(1.重庆科技学院安全工程学院重庆 401331；2.中国矿业大学，煤炭资源与安全开采国家重点实验室江苏徐州 221116)

以梁宝寺矿3号煤层为背景，采用色谱吸氧法和氧化动力法对其自燃倾向性进行了对比分析。同时，通过煤氧化升温热解实验对其升温过程中各气体随温度的变化规律进行了分析，以实验所得和灰色关联分析所得定性和定量相结合的方式，优选出了不同温度阶段煤自然发火预测预报所对应的第一、第二和第三预测指标，建立了煤自然发火预测预报体系，为有效抑制该矿及同类矿井火灾的发生具有重要意义。

自燃火灾自燃倾向性氧化升温灰色关联分析预测预报

0　引言

煤自燃火灾作为矿井灾害中最严重的灾害之一，一直以来威胁着煤矿安全生产[1]，梁宝寺煤矿自投产以来多次出现自燃征兆。目前，矿井逐步转为孤岛开采，以放顶煤开采为主，也将有可能出现更不利于自燃防控的分层开采，煤自燃问题将愈来愈严重[2]。为此，笔者以梁宝寺煤矿主采煤层3号煤层为研究对象，利用吸氧法和氧化动力学方法对比分析其自燃倾向性，同时通过程序升温法和灰色关联分析法，利用定性和定量相结合的方式，分析优选出了不同温度阶段所对应的自然发火预测预报指标，建立了自然发火预测预报指标体系，为有效抑制梁宝寺及同类条件矿井自燃火灾有重要参考意义。

1　煤自燃特性分析

1.1基于吸氧量的煤自燃倾向性研究

采用双气路流动色谱法[3]，以每克干煤在常温(30 ℃)、常压(1.0133×105Pa)下的吸氧量作为分类的主指标，利用模糊数理统计方法进行聚类分析，对煤的吸氧量值与工业分析结果进行综合评判，并利用现场有关煤自然发火特征资料对其进行反馈修正，得到煤的吸氧量和自燃等级，如表1所示。

表1　氧化动力学判定结果及自燃倾向性对比

1.2基于氧化动力学方法的煤自燃倾向性研究

测量煤样70 ℃时煤样罐出气口的氧气体积分数和交叉点温度，综合煤在低温阶段的氧化特性和加速氧化阶段的内在特性，计算氧化动力学判定指数，对比自燃倾向性判定指标对其进行综合判定[4]，并与物理吸氧量判定结果进行对比，结果如表1所示。

2　自然发火预测预报指标体系研究

2.1煤氧化升温热解实验

2.1.1实验过程

将原煤样破碎至40～80目，选取50 g为实验煤样，置于程序升温箱中煤样罐，然后连接好气路和测温探头，对其进行气密性检查。实验时以50 mL/min的流量向煤样罐通入干空气，设定程序升温箱升温速率和最终温度，实时记录实验时的温度，并对各阶段的气体进行采样分析[5]。

2.1.2实验结果及分析

为了便于直观地反映煤氧化升温过程中各种气体随温度的变化趋势，绘制各气体随温度变化的曲线，如图1、图2所示。

图1升温过程中CO，CO2变化趋势

图2升温过程中CH4，C2H4，C2H6，C3H8变化趋势

根据上述实验结果可知：

(1)CO，CO2，CH4，C2H6，C3H8和C2H4气体生成量随煤温的升高不断上升，趋势呈指数增长；但没有C2H2气体生成。CO，CO2，CH43种气体出现时的初始温度为30 ℃， 但CH4气体的生成量较其他气体少，这是由于该矿为低瓦斯矿井，煤中吸附的瓦斯较少，且在运输的过程中又会脱附一部分瓦斯。

(2)CO生成量在初始阶段较小，当煤温达到80 ℃时，出现突变，在此温度之后其生成量增加较快，煤氧化剧烈，化学吸附和化学反应较物理吸附相比越来越明显；CO2刚开始随温度变化比较平缓，在130 ℃以后则快速上升；C2H6和C3H8在90 ℃时便开始出现，其体积分数虽不大，但升温过程中规律较明显；C2H4在115 ℃时开始出现，在升温过程中规律也较明显；C2H2在整个升温过程中都没有出现，说明其初始温度大于200 ℃，如果出现则说明此时煤在进行剧烈的化学反应，温度已经超过了200 ℃。

(3)不同气体其生成的初始温度也是不同的，CO的初始温度为30 ℃，但此时煤已经开始氧化反应，C2H6的初始温度为90 ℃，而此时煤温已达到较高温度，C2H4的初始温度为115 ℃，C2H2的初始温度大于200 ℃，而此时已进入剧烈氧化阶段，必须采取措施。因此，可以初步确定，在低温氧化阶段指标性气体可选择CO，当温度升高时，可选择C2H6，C2H4，C2H2气体来判定是否发生自燃。

2.2自然发火指标气体灰色关联度分析

2.2.1灰色关联分析的基本方法

图1，2只能直观地分析指标气体体积分数随温度的变化关系，不能进行定量比较研究，较难判断指标气体与温度的关联程度，使得在指标气体选取时无主次，造成自然发火预测预报在一定程度上存在偏差。灰色关联分析法是对影响因素之间关系量值的一种计算方法[6]，通过对不同指标气体体积分数与温度的关联度计算，比较关联度的大小来评价不同指标气体与温度的对应关系，可达到优选指标气体的目的，分析步骤如下[7-8]：

(1)确定特征序列和因素序列。选择煤体温度为特征序列x0(T)，采集不同温度点的数据，则特征序列可表示为：x0(T)=[x0(T1),x0(T2),…,x0(Tm)]；选择各指标气体及其之间的比值为因素序列xi(T)，其中包括CO，CO2，C2H6等n个子序列，每个子序列采集与特征序列相对应的m个数据，则各子列为：xi(T)=[xi(T1),xi(T2),…,xi(Tm)]。

(1)

(3)关联度计算。参考文献[7-9]，煤体温度特征序列与指标气体因素序列间的关联度可表示为：

(2)

(4)关联度排序。将所得关联度从大到小进行排序，得到关联度序集，依此判定。如果关联度较大，则说明某个指标随煤体温度上升的过程中与其变化的趋势保持同步，可以采用该因素序列来预测温度变化，进而达到准确地进行自然发火预测预报。

2.2.2指标气体灰色关联度计算

根据上述实验所得结果，将煤自然氧化过程分为3个阶段，计算升温过程中各指标气体与温度的关联度，结果如表2所示。

表2　指标气体灰色关联度计算结果

2.3指标气体优选

从表2可以看出，第一阶段(30～90 ℃)：CH4与温度的关联度最大，应作为首选预测指标，CO2次之，应作为第二预测指标，再次为CO和CO2/CO。但从实验所得结果可以看出，CO2在该温度段增长较为缓慢，且空气本身含有CO2，在通风过程中，势必对其会造成影响，就CH4而言，同样在该温度段增长较为缓慢且量很小，同时该矿本身瓦斯涌出后与风流发生传质作用，使得新鲜风流成为含瓦斯风流，体积分数较煤自燃产生的瓦斯大很多，在测试自燃过程产生的CH4时存在一定困难。因此，在该温度阶段，选择CO为第一预测指标，CO2/CO为第二预测指标。

第二阶段(90～130 ℃)：C3H8/C2H6与温度的关联度较大，应作为首选预测指标，CH4/C2H6次之，应作为第二预测指标，再次为C2H6，CO2，CO2/CO，C3H8，CO，CH4。但从实验所得结果可以看出，就CO2而言变化趋势与第一阶段基本相同，在132 ℃之前且无明显上升，而在132 ℃以后，CO2体积分数随温度变化明显增加，CO2/CO较第一阶段相比，随温度升高，其比值的降低远没有第一阶段明显，基本和第一阶段末时的值相差不大，就CH4而言，与第一阶段影响相同。因此，在该温度阶段，选择C3H8/C2H6为第一预测指标，C2H6为第二预测指标，CO2为第三预测指标。

第三阶段(130～200 ℃)：C3H8/C2H6与温度的关联度较大，应作为首选预测指标，C2H4/C2H6次之，应作为第二预测指标，再次为CH4/C2H6，CO2/CO，CO2，CH4，C2H6，CO，C3H8，C2H4，但就CH4而言，对其影响与前两个阶段相同。因此，在该温度阶段，选择C3H8/C2H6为第一预测指标，C2H4/C2H6为第二预测指标，CO2/CO为第三预测指标。

3　结论

本文以梁宝寺3号煤层为背景，利用色谱吸氧法和氧化动了学法对煤自燃倾向性进行了分析，同时利用程序升温法对煤氧化升温过程中各指标气体随温度变化的规律进行了研究，在此基础上，基于灰色关联分析法，分析了煤自燃各个阶段的预测预报指标，主要结论如下：

(1)梁宝寺3号煤自燃倾向性为容易自燃。

(2)当温度在30～90 ℃时，可选择CO为第一预测指标，CO2/CO为第二预测指标；在90～130 ℃时，可选择C3H8/C2H6为第一预测指标，C2H6为第二预测指标，CO2为第三预测指标；在130～200 ℃时，可选择C3H8/C2H6为第一预测指标，C2H4/C2H6为第二预测指标，CO2/CO为第三预测指标。

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Study on Characteristics of Coal Spontaneous Combustion and Index Systems of Spontaneous Combustion Predict

QIN Yi1,2YANG Shengqiang2HUANG Wei1TANG Xue1

(1.ChongqingSafetyEngineeringInstitute,ChongqingUniversityofScienceandTechnologyChongqing401331)

Coal seam No.3 in Liangbaosi as the background, chromatography oxygen and oxidation dynamic is compared to analyze the spontaneous combustion tendency and at the same time, by raising the temperature of coal oxidation pyrolysis experiments on the heat, the change rules of the gas in the process of temperature change are analyzed. Combined with the qualitative and quantitative analysis based on the experiment and grey relation method, it is optimized and selected the first prediction index, the second prediction index and the third prediction index in the different stages of temperature of coal spontaneous combustion forecasting and the coal spontaneous combustion forecasting system is established, which has great significance to effectively suppress the occurrence of the mine and similar mine fire.

spontaneous combustion firespontaneous combustion tendencyoxidation heating grey correlation analysisprediction

2015-11-12)

国家自然科学基金(51174198)，重庆科技学院重点项目培育基金(CK2015Z15)。

秦毅，男，1988年生，助教，硕士学位，主要研究方向为地下工程火灾防护。