煤矿煤自燃指标气体检测试验研究

高莉  ,何巍 ,王亚倩

济宁市质量计量检验检测研究院 山东 济宁272000

摘要：煤与氧相互作用理论是当前煤自燃机理研究的主导理论，在理论和实践上都得到充分证明和推广。但是，由于地质条件、不同地理区域和煤炭退化等内部和外部因素，天然气产品差异很大，从缓慢氧化到在自然环境中将煤暴露于空气后加速氧化不等。必须研究煤自燃过程中气体产品的组成、浓度和变化率，判断煤自燃过程或发展趋势，并利用气指数法准确预测煤自燃情况，以指导煤矿灭火工作。在此基础上，本文讨论了这一问题。

关键词：煤炭自燃；预测；指标气体；试验研究

前言

中国是一个能源大国，煤炭是能源的主要来源，年生产和消费居世界前列。但是，中国也是一个煤炭自燃导致严重油井大火的国家，每年经济损失数十亿元。煤自燃预报技术可以有效减少煤自燃引起的矿井火灾。预测方法包括指示性气体方法、磁测量方法、温度测量方法、遥感方法等。说明气体被广泛用作预测煤炭自燃的主要手段，主要问题是预测煤炭自燃时气体的敏感度和准确性。

1 问题提出

煤炭自燃早期预测是矿井灭火技术的重要组成部分。采用先进的探测技术，对处于热状态的煤进行早期探测，以便及时采取有效的技术措施，处理高温点或热源，扑灭初期火灾。优化预测指标和确定指标值是预测准确性的关键。国内外学者对此做了大量的研究工作，提出了多种预测方法和指标。最常用的方法是测量矿井空气成分的变化(氧气浓度下降，伴随着自燃气体浓度上升)。根据煤热解理论，在煤热解时，与煤热解有关的一些气体(如CO和烃类气体等)会发生变化。这些热解相关气体的量与热解的发展程度有关。利用这一理论，可以选择一种或多种煤热解伴生气体作为煤自燃早期预测的指示气体。因此，可作为煤自燃指标的热解伴生气应具有以下特点:(1)生成量应随热解的发展而定期变化，并与煤的温度有良好的对应关系；(2)具有良好的灵敏度和可测量性，可用于检测其浓度与矿井正常大气条件下煤的温度的关系。鉴于此，国内外广泛采用CO作为煤自燃早期预报的指示气体。此外，在国内外，多使用烃类气体作为指示气体，或者使用两种气体的浓度比或浓度变化比作为预测指标。但是，对煤自燃过程伴生气的组成和浓度进行全面测试和研究不仅困难，而且不现实。因此，实验室现场条件模拟是一种有效的方法。

2 实验系统

为了研究煤自燃过程中不同温度下气体成分的变化，设计并制作了模拟煤氧化的热解试验系统。实验系统由以下四个主要部分组成:(1)氧化热解试验装置:由煤罐、加热炉和保温层组成；(2)煤样温度检测及温度控制装置:用热电偶和毫伏计测量煤样温度，用埋在煤样中的温度检测探头和气相色谱仪的温控器检测煤样温度。根据预定要求设定取样温度，待煤温度达到预定温度并停留2分钟后，取气体样品；(3)供风系统:由风机、流量计和管道组成。用于氧化煤样的空气由风机供给，并通过流量计和管道进入氧化炉底部的环管。为了使气流均匀，在环管的两侧和底部钻孔，为气体样品分析系统；(4)提供400-1200升/小时的空气，采用装有氢火焰检测器和热传导检测器的气相色谱仪。烃类气体的分析精度为0.01×10·-6，CO的分析精度为0.1×10·-6。。

3试验煤样和试验结果

3.1煤样的采集及制备

在新暴露的墙壁上采集新鲜煤样品，在现场密封，并根据氧化和取样标准送往实验室。在加热煤样之前，分析密封袋内的空气成分，研究室温下煤的氧化性能。然后，将大型煤样粉碎，颗粒大小在2至50毫米之间，然后放入氧化炉进行热解吸实验。

3.2试验特点

试验的最重要特点是试验条件接近现场的实际情况，如:(1)煤样的粒度较高，从2毫米到50毫米不等。除了手工分解个别大型样品外，这些主要是最初收集的煤炭样品；例如，经过测试的煤样的物理化学性质与开采区留下的煤的物理化学性质相似。(2)用小型风机连续输送空气，保证流经氧化煤样品的空气，调节流量控制阀，使气流接近从热氧化区漏出煤的风速。

3.3实验结果分析

为全面研究y矿煤的自然氧化情况，从y矿1个采煤工作面和6个掘进工作面选取了3个煤样，进行了氧化热解试验。试验结果表明:在y矿的所有煤样中，氧化热解过程中，CO、C2H4和C2H6气体定期出现，且气体生成量随煤的温度升高而增加，具有明显的规律。

(1)首次在不同位置的煤样中，在氧化热解过程中，同一指标的气体在温度上差异很大。根据试验结果表明，首次出现CO的温度范围为19.0-61.9℃，平均为40.1℃。第一次出现CH的温度范围为46.1-180.4℃，平均为102.8℃，第一次出现CH的温度范围为46.4-147.0℃，平均为即使在同一位置的不同位置，最早气体的温度差异也很大。主要原因是不同部位煤样粒度分布不同，煤样成分也不同，导致氧化热解试验前低温氧化程度不同。此外，13槽煤的平均CO温度总体上低于8槽煤。(2)y煤(无论是13槽煤还是8槽煤)在低温下容易氧化热解。从密封煤样袋中采集的气体样品含有CO和CaH6气体，这一事实证明了这一点。(3)实验中还发现裂解气含有CH和h，但产量小。前两种气体的温度分别高于90℃和130℃。

虽然煤的自燃受许多因素的影响，但是煤的自然氧化过程必然会在正常大气中产生含量很低的CO，同时煤形成过程中产生的烃类气体也会被解吸。通过实验研究，煤在潜伏期和自热期释放的CO、C2H4和CH3气体浓度随着煤的温度升高而有规律地增加。因此，CO、C2H4和C2H6可以作为煤自燃预测的指示气体。然而，由于低温氧化和热解气体含有CO和CH6，因此必须在固定点和固定时间内连续观察。当检测到上述三种指示气体浓度稳定上升时，可以判断在回流的上风侧有高温点或火源。由于上述三种指示气体的煤温度都出现在热解试验中，并暴露在不同的位置，较大的变化使得使用这些指标预测自燃变得更加困难。因此，应正确考虑和利用指示气体与煤温度的关系，并结合现场实际补充和修正，防止误显示和泄漏造成损失。

结束语

在煤的自然氧化过程中，随着温度的升高，气体产物的种类和浓度因煤种而异。同时煤样要以CO为指示气体，辅以C2H4和C2H2，才能知道煤的自燃分布情况。

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