王三伟

（国网能源哈密煤电有限公司大南湖一矿，新疆 哈密 839000）

1 背景

我国煤矿采空区自然发火危害严重[1]，其中由煤自燃导致的内因火灾占采空区火灾总数的60%[2-3]，因而煤自燃事故的预防历来受到煤矿安全管理工作者的重视。煤自燃在发生发展过程中，在不同的温度阶段会产生不同种类、不同浓度的指标性气体[4-5]，通过观测这些煤自燃指标气体，可以对煤自燃事故起到良好的预警和防范作用[6]。煤自燃指标气体生成规律的科学研究，对现场煤自燃事故的预防有重要意义。

大南湖一矿目前所采的3 煤属于低变质易自燃煤层（Ⅰ级容易自燃煤层），暴露后极易氧化，最短自然发火期仅为37 d。因而，从煤质的角度而言，大南湖一矿面临的煤自燃风险较为严重，开展3 煤煤样煤自燃预警指标气体分析研究对于大南湖一矿安全生产具有重要价值。

2 实验过程

2.1 实验原则

煤自然发火的预测预报指标气体就是指煤氧化升温过程中释放出来的与矿井大气成分有区别并足以能够用来判断自然发火征兆的气体或其比值等参数[7]。在煤自燃早期的发生发展过程中，依据各标志性气体的产生、变化规律推断煤自然发火所处的状态和发展趋势。因此，煤自燃预警标志性气体的选取必须具备的原则：（1）灵敏性。一旦有煤炭到达一定的温度时，相应的煤自燃指标气体一定出现，且随着煤体温度的升高生成量稳定增加；（2）规律性。标志性气体的生成量与煤体温度指标呈良好的函数关系，且重复性良好；（3）可测性。矿用普通色谱分析仪可以检测到标志性气体的存在。

2.2 实验方案

（1）实验设备

煤自燃标志性气体测试设备采用PTOS-3系统，如图1。系统包括预热管路、煤样反应罐、程序升温控制箱、数据采集等装置。该系统能实现程序升温、恒温和跟踪升温三种温度控制方式，是国内外自动化程度最高的小型煤自燃实验台，具有测试煤样量小、实验周期短、体积小、可重复性好及操作方便等优点。

图1 煤自燃标志性气体测试系统

（2）实验过程

在1307 工作面采集新鲜煤样若干千克，通过保鲜膜密封包裹，然后运送至实验室。用颚式破碎机对所采煤样进行破碎，并筛选出0.18～0.25 mm（60～80 目）的颗粒50 g 作为实验煤样。

将煤样置于铜质反应罐内，将反应罐放于程序控温箱中，依次连接好进气管路、温度探头和出气管路，并检查实验装置的气密性。实验采用的气体为干空气，气体流量为50 mL/min。通过程序升温控制装置对煤样进行程序升温，初始温度为30 ℃，每到达一个指定温度，恒定5 min 后测试出气管路的气体成分和浓度，测试温度范围为30～220 ℃。

3 实验结果

实验过程中，不同温度下所取煤样气体成分、浓度和指标气体分析情况，见表1。

表1 煤样指标气体原始数据表

对1307 工作面煤样程序升温过程中的气体生成变化进行绘图，如图2。由图中可知：煤样在30～220 ℃的氧化过程中有规律地出现CO2、CO、CH4，且CO2的产生量随煤温升高基本呈指数上升趋势，CO 随煤温的升高呈单一递增关系；H2在100 ℃时出现，C2H6在60 ℃出现，它们的产生量随煤温的上升也呈指数上升趋势；C2H4在90 ℃出现，在200 ℃前基本呈指数上升趋势，200～220 ℃之间增长趋势急剧减缓；全程无C2H2出现。

图2 1307 工作面煤样煤自燃标志性气体变化趋势图

CO 在30 ℃即开始出现，其在低温阶段生成量较小，但在80 ℃以后CO 温升率迅速增加，说明此时煤已经开始加速氧化，物理吸附越来越弱，而化学吸附和化学反应占据了主要地位。H2和C2H4的出现，说明此时煤与氧气已经发生了较强的化学反应。C2H2在30～220 ℃没有出现，说明一旦该气体出现，则采空区已出现超过220 ℃的高温点。C2H6在60 ℃时开始产生，随着煤温的增加基本呈指数规律上升，可以作为大南湖一矿的煤自燃指标性气体。由于大气中含有较高的CO2浓度，因此煤自燃中产生的微量CO2很难被检测到，故不能用作煤自燃指标性气体。CH4本身就赋存在原煤中，煤层开采过程中即会解吸释放出大量CH4，实验产生的CH4很可能是煤体原生CH4解吸产生，因而CH4也不适合作为煤自燃指标性气体。

综上，1307 工作面煤样煤自燃标志性气体及预警温度见表2。大南湖一矿煤样应以CO 作为指标性气体，并辅以H2、C2H6、C2H4、C2H2来掌握煤炭自燃情况：CO 的出现说明煤已经发生氧化反应，C2H6的出现说明煤温升到了60 ℃，C2H4的出现说明煤温升到了90 ℃，H2的出现说明煤温升到了100 ℃，C2H2的出现说明煤温已超过220 ℃。

表2 1307 工作面煤样煤自燃标志性气体及预警温度

4 实验结论

采用煤自燃标志性气体测试设备对大南湖一矿1307 工作面煤样煤自燃过程中的标志性气体生成规律进行了研究，研究表明：CO2、H2、C2H6、C2H4随着煤体温度的升高基本呈指数性变化规律，CO随煤体温度的升高呈单一递增关系；大南湖一矿煤样应以CO 作为指标性气体，并辅以H2、C2H6、C2H4、C2H2来掌握煤炭自燃情况；CO 的出现说明煤已经发生氧化反应，C2H6的出现说明煤温升到了60 ℃，C2H4的出现说明煤温升到了90 ℃，H2的出现说明煤温升到了100 ℃，C2H2的出现说明煤温已超过220 ℃。