靳 磊，刘见中，姚海飞，张思睿

(1.煤炭科学研究总院，北京 100013；2.煤炭科学技术研究院有限公司 安全分院，北京 100013；3.煤炭资源高效开采与洁净利用国家重点实验室(煤炭科学研究总院)，北京 100013；4.中国煤炭科工集团，北京 100013)

煤矿生产过程中，煤炭自燃是煤矿在生产安全中的重大危害，严重威胁着矿井工作人员的生命与财产安全[1-4]。煤的自燃过程较为复杂，通常而言，先是进行缓慢氧化，此时还不易被察觉，然后是加速氧化，最后是剧烈氧化。在这三个阶段中，氧化反应在不断加剧，随之会生成不同种类和浓度的气体[5-7]。根据气体的种类及生成量，也能在一定程度上推论出煤的自燃氧化程度[8]。为了充分了解到煤自燃时的具体产生的气体以及其产生量与煤炭温度之间的关系，实验室通常采用程序升温法来模拟煤自燃的过程，其基本原理通俗易懂，过程简单操作[9，10]。通常采用煤自然发火模拟装置，使用程序升温炉将煤样罐中的煤加温，控制温度的增长，检测煤炭产生的CO、CO2、CH4等气体的产生量及浓度等参数随温度的数值变化。此方法被广泛运用于煤炭自燃过程的多种指标测试中，并取得不错的效果[11-13]。

由于煤炭结构和组分的复杂性与差异性，其自然发火标志气体及其指标不尽相同。因此，对于不同矿井，当煤层延伸开采时，应针对新开采煤层，取煤样进行煤层自然发火气体产物产生规律模拟实验，从而优选适合于本煤层的自然发火标志气体[14]。而珲春是中国唯一地处中、朝、俄三国交界的边境城市，地处环太平洋地震带，矿井瓦斯浓度和地温都较高，因此对该地区进行指标气体优选研究，对于指导矿井开展防灭火工作具有较大价值。

1 矿井概况

板石煤矿和八连城煤矿是珲春地区的两个典型的高瓦斯矿井。板石煤矿22煤层倾角为4°～15°，一般厚度为0.80～2.30m，平均厚度为1.34m，下距22a煤层距离1.2～16m，平均间距为8m，有0～3层夹矸。22煤层原煤水分1.65%～11.14%，平均5.34%；灰分15.21%～39.06%，平均26.18%。板石23a煤层一般厚度为0.80～3.98m，平均厚度为1.45m，煤层倾角为5°～23°，下距26煤层距离8～25m，平均间距为16m，有0～4层夹矸。23a煤层原煤水分1.23%～10.33%，平均5.36%；灰分12.96%～33.20%，平均22.74%。根据还原样着火点减氧化样着火点之差(ΔT)的方式，判别本区各估量煤层自燃倾向性等级，22和23a煤层均属于易自燃煤层。

八连城26#煤层平均为16.48m，发育在4线以东，至北界、南界和7线，有43个见煤点控制。煤层厚度0.70～3.50m，平均可采厚度为1.49m，夹矸0～3层。26#煤层原煤水分1.32%～7.58%，平均5.34%；浮煤水分2.21%～7.89%，平均5.14%；灰分产率24.20%～45.86%，平均32.55%，以中高灰煤为主。八连城18#煤层主要发育在4线以西，842与0201孔以南1.81km2范围内。煤层厚度为0.70～3.35m，平均厚度为1.16m。18#煤层为局部可采煤层。18#煤层原煤水分2.11%～8.85%，平均5.97%；浮煤水分2.18%～11.98%，平均7.09%；灰分产率10.25%～46.90%，平均26.85%。用还原样着火点减氧化样着火点之差(ΔT)判别本区各估量煤层自燃倾向性等级，各煤层均属易自燃煤层。

2 程序升温实验

2.1 实验设备

程序升温实验通常使用煤自然发火模拟装置，其大致结构如图1所示。其中程序升温炉用于控制温度，采用温度测控系统实现跟踪升温。煤样罐为纯铜材质制成，用于放置煤样，其内部含有铂丝温度探头，与测温仪相连，时刻监测煤样温度。空气由进气管按照一定的速度与气量进入，再通过预热铜管进入煤样罐内与煤样发生反应，弯曲的铜管足以让空气在其中缓慢有序地进入。当气体产生后从出气管出来，经过干燥管将其中带有的水分吸收，剩余的气体被气相色谱仪检测，气相色谱仪可分析O2、CO、CO2、CH4、C2H4、C2H6、C3H8等气体的浓度与含量。

图1 煤自然发火模拟装置

2.2 实验煤样

板石和八连城煤矿是珲春典型的高瓦斯矿井。本次试验分别取自板石矿22、23a煤层以及八连城煤矿18#、26#共4种煤样。实验煤样应选取刚从煤矿中得到大块的新鲜煤样，然后用工具除去煤样外壳已经被氧化的部分，再将剩余部分进行粉碎，分别选取0～1mm、1～3mm、3～5mm、5～10mm共4种粒径的煤，并等质量共1000g混合，最后进行程序升温实验。

2.3 实验过程

首先，将称好的1000g煤样装入煤样罐中，装入时最好能做到均匀分布；然后将煤样罐放入程序升温炉内；接着将测温仪的传感器分别布置在程序升温炉和煤样罐的几何中心，再连接好进出气管等所有管道，并检查装置的气密性；最后就可以开始从进气管通入空气。通入空气时，应该注意空气的流量与速率，通常是控制在130mL/min的空气流量和0.5℃/min的速率。在实验的温度设定上，通常将范围定在30～200℃，然后每隔10℃就抽取气体，再经过干燥管去除其中的水分，最后用气相色谱仪对该气体进行检测分析。

3 实验结果分析

3.1 气体的产生量

1)CO的产生规律。煤层CO浓度随煤温的变化曲线如图2所示，由图2可知，板石矿的煤样在室温环境下就已经发生了缓慢的煤氧复合反应，并伴有微量的CO产生，而八连城矿的煤样在30～40℃左右也开始有微量CO生成。板石矿在30～50℃时CO增加量比较缓慢，到60℃时CO产生速率加快；而八连城矿在50～90℃时CO增加量比较缓慢，到100℃时CO产生速率加快。从整体上看，在实验过程中，随温度的升高，四种煤样中的CO的产生量增加，大致上是呈一种指数形态的单调递增，符合一定的规律。因此，CO可以作为煤自然发火标志气体，用于煤自燃的预测预报。

图2 煤层CO浓度随煤温的变化曲线

2)烃类气体产生规律。四种煤样随煤温变化产生的C2H4、C2H6、C3H8变化规律如图3—5所示。从图3可以看出，四种煤样产生的C2H4量随煤样的温度升高而呈现单调递增的趋势，其中板石23a的趋势最为明显，八连城26#的变化趋势相对缓慢。此外，C2H4的出现大概是在温度达到80～120℃时，这也说明煤已经自燃并进入加速氧化阶段。因此，C2H4也可以作为煤自燃标志气体，用于煤自燃的预测预报。从图4可知，C2H6的产生量与C2H4几乎有着相同的图线趋势，都是呈单调递增的趋势，但稍有不同的是，在板石矿22煤层中，在60℃时就已经有C2H6气体生成，出现温度较低，而且存在同一浓度值对应两个不同温度的情况，不宜作为预测预报指标。而板石矿23a煤层和八连城的18#和26#三个煤层，C2H6产生量呈现一定的规律性，可以作为辅助指标，用于煤自燃的预测预报参考。从图5可知，C3H8产生量与前几种气体相似，都是随煤温升高大体上呈增大趋势。但板石矿22煤层及八连城18#煤层曲线有波动，存在同一浓度对应不同温度的情况，不宜作为预测预报指标。板石矿23a煤层和八连城26#煤层曲线规律性良好，但一个浓度较大一个较小，仅可作为辅助预测预报指标。

图3煤层C2H4浓度随煤温的变化曲线

图4 煤层C2H6浓度随煤温的变化曲线

图5 煤层C3H8浓度随煤温的变化曲线

3.2 气体比值

目前国内常用CO和C2H4作为煤自然发火标志气体，但实际现场与实验室不同，环境更为复杂，还需要考虑矿井下复杂多变的环境与其他条件的影响，尤其是在一些煤自燃高发地区和采空区。因此，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，从多角度更全面地进行预测预报煤自燃情况。

1)链烷比。四种煤样φ(C3H8)/φ(C2H6)随煤温的变化曲线如图6所示，由图6可知，八连城煤矿26#煤层φ(C3H8)/φ(C2H6)规律性良好，可以作为辅助指标进行煤自燃预测预报，而其余三种煤层没有规律，因而均不能作为指标气体用于煤自燃的预测预报。

图6 四种煤层φ(C3H8)/φ(C2H6)随煤温的变化曲线

2)烯烷比。四种煤样的φ(C2H4)/φ(C3H8)随煤温的变化曲线如图7所示。由图7可知，板石矿23a煤层该指标随煤温升高而单调递增，八连城矿26#煤层该指标随煤温升高而单调递减，二者呈现一定的规律性，均可作为辅助指标；而板石22和八连城18#煤层在该指标上，均不具有单调变化性规律，因而不能用于煤自燃的预测预报。

图7 四种煤层φ(C2H4)/φ(C3H8)随煤温的变化曲线

4 煤自燃临界温度

4.1 煤自燃临界温度模型

根据CO生成量，计算煤自燃临界温度的模型。由阿仑尼乌斯方程和反应速率公式可知，CO的产生率为[15，16]：

在理想状态下，假定氧气的初始浓度始终不变，风流只是沿着煤样罐的轴向匀速流动，煤样的质量反应前后也不变，煤样罐内的煤温也是均匀的，则沿煤样罐轴向dz处煤样的CO标准生成速率为[15-17]：

Sv(CO)dx=kvgdc

(2)

式中，S为煤样罐的底面积，m2；k为单位换算系数，取22.4×109；vg为气体流速，m3/s；c为煤氧化过程中CO产生量，%。

将式(2)带入式(1)并对两端积分后再取自然对数得：

式中，L为煤样罐的高度，m；Cout为煤样罐出口的CO浓度，%。

从式(3)可以得知，当供应的空气流量保持一定量时，lnCout与1/Ti存在一定的线性关系，通过具体的计算，可得出其曲线的斜率为-E/R，可以得出煤在氧化反应中不同阶段里的活化能，而煤发生自燃时的温度，就是其活化能发生突变的温度，也就是煤自燃的临界温度。

4.2 煤自燃临界温度分析

图8 四种煤样的lnCout与1/Ti函数变化关系

四种煤样的lnCout与1/Ti函数变化关系如图8所示。由图8可得知，随着煤的温度不断上升，lnCout与1/Ti函数的斜率会在某个临界点发生突变，这个突变点也就是煤自燃的临界温度。再对不同反应阶段的拟合曲线进行计算，得出板石22、23a、八连城18#和26#煤样的活化能发生突变的1/Ti分别为0.002673、0.002615、0.002537、0.002261，其分别对应的临界温度为101.0℃、97.6℃、121.0℃、169.1℃。临界温度数值的大小反映了煤初期氧化能力的强弱，临界温度越低，氧化能力就越强，通过计算可以得出，板石23a的煤样氧化能力最强，也就是它从缓慢氧化到加速氧化最为容易，而八连城26#的煤样氧化能力最弱，从缓慢氧化到加速氧化最为困难。

5 结 论

1)通过分析板石煤矿和八连城煤矿中的4种煤样，在程序升温实验过程中CO、C2H4、C2H6、C3H8气体的产生量以及其链烷比、烯烷比，可总结得出珲春地区高瓦斯矿井可以将CO和C2H4作为煤层自然发火标志气体，用于煤自燃的预测预报，并结合规律性较好的C2H6和C3H8作为辅助参考指标。此外，从上述气体分析结果也可以得出，如果某煤层链烷比或烯烷比也有良好的规律性，亦可作为自燃预测预报的辅助参考指标。

2)根据CO生成量而形成煤自燃临界温度的计算模型，分别计算得出板石煤矿22、23a、八连城煤矿18#和26#煤自燃临界温度为101.0℃、97.6℃、121.0℃、169.1℃。