中图分类号：TD752.2           文献标识码：             文章编号：

作者简介：徐光文，（1972-），男，安徽铜陵人，工程师，从事矿井通风管理工作。

煤自燃作为煤矿五大灾害之一，不仅对环境造成了严重破坏，还危及矿企安全生产和矿工的生命安全^[1]。为了及时发现煤炭自燃现象，防止其引发后续事故，许多专家学者对煤自燃预测预报做了大量研究，主要包括煤自燃倾向性预测法、指标气体法、温度测量法等方法^[2]。

目前，针对这方面的研究，张玉涛等^[3]提出以突变温度作为煤自燃倾向性的评价指标。王海涛等^[4]、邬剑明等^[5]分别以同一矿区不同煤层煤样、粒径为研究对象，根据程序升温实验中煤的产气规律判断出CO和C₂H₄可作为煤自燃预测预报的主要指标气体。岳宁芳等^[6]结合煤氧化过程中产气规律，确定优选以CO、O₂、C₂H₄和C₂H₆为主，以φ(CO)/ φ(O₂)、φ(C₂H₄)/ φ(C₂H₆)为辅的指标气体，为煤自燃预测预报提供一定的指导作用。董绍朴等^[7]通过测量煤标志气体的临界温度和其体积分数随温度的变化，确定了以CO等为主、烷烯比为辅的指标气体。

鉴于此，本文选择临涣矿区10煤层煤样，通过分析煤氧化过程中产气规律的分析，为防治矿井中煤自燃提供一定依据。

1  实验装置及条件

1.1  实验装置

采用GC-4175（ZRJ-1）煤自燃特性测试仪，对临涣矿10煤1067工作面不同位置采集的3个煤样进行程序升温实验，并通过GC-4000A气相色谱仪测定3个煤样在氧化升温过程中产生的O₂、CO、CO₂、C₂H₄、C₂H₆等气体及其浓度来判断煤的自燃性。

1.2  实验条件

将临涣矿10煤1067工作面不同位置采集的3个煤样进行破碎处理并筛选出粒径60-120目的煤样，在真空环境下存放以便后续实验使用。3个煤样的工业分析如下表1所示。实验时，称取50g煤样置于煤样罐中，调节空气流量为100ml/min、升温范围为30-240℃、升温速率1℃/min。当煤样温度达到30℃，气相色谱仪检测到煤样罐出气口气体浓度稳定后，即可开始程序升温实验。

表1 实验煤样的工业分析

3 实验结果分析

3.1 单指标气体分析

通过对临涣矿10煤1067工作面不同位置采集的3个煤样进行程序升温实验，测得O₂、CO、CO₂、CH₄、C₂H₄和C₂H₆，各气体产生浓度随温度变化如下图1-5所示：

图1 各煤样氧浓度随温度变化曲线

图2 各煤样CO₂浓度随温度变化曲线

由图2可以看出，CO₂的释放贯穿煤氧反应整个阶段，且实验测试所用气体为空气，这导致煤会吸附少量CO₂，并且由于CO₂在井下影响因素较多，所以其不适合单独作为指标气体。

图3 各煤样CO浓度随温度变化曲线

由图3可知，50℃以前，3个煤样均无CO产生，煤氧化进程非常缓慢。温度分别到达50℃、60℃和70℃时，1、2和3号煤开始产生CO，此时煤氧反应释放出少量热量，煤氧反应进入自热前期。当温度超过70℃后，CO生成量随温度升高明显增加，煤氧反应速度加快。温度超过160℃以后，CO生成量呈快速上升，煤氧反应剧烈进行。总体上看，反应在120℃及以前，3个煤样CO产生量相差不大，超过120℃以后，相同温度下，CO产生量1号煤>2号煤>3号煤。因此，CO气体适合作为煤自燃指标气体。

图4 各煤样C₂H₄浓度随温度变化曲线

由图4可知，3个煤样产生C₂H₄的温度一致，都在170℃，并且这3个煤样的浓度差距不大。因此，170℃即为这三个煤样的干裂温度。一旦环境中检测出C₂H₄气体，表明采空区温度达到170℃，煤样进入加速氧化阶段。可以将C₂H₄作为10煤的指标气体。

图5 各煤样C₂H₆浓度随温度变化曲线

由图5可知，3个煤样产生C₂H₆的温度差距较大，所以不将C₂H₆单独作为指标气体。煤样在30℃时煤样罐出气口就检测有CH₄，但3号煤在30℃时CH₄浓度与1和2号煤差距太大，且3个煤样变化规律差异较大，CH₄瓦斯存在吸附性，不适合作为指标气体。

3.2 多组分指标气体

3个煤在低温时就有CO和CO₂，可将两者结合起来分析以减小误差；同理可结合C₂H₄/C₂H₆进行分析。多指标气体不仅可以排除风流变化、也是煤自燃过程分析减小误差的重要手段。CO/CO2指标气体随温度变化曲线如图6所示：

图6 CO/CO₂指标气体随温度变化曲线

图7 C₂H₄/C₂H₆指标气体随温度变化曲线

由图6可知，CO/CO₂比值随温度升高总体上呈现出上升趋势。30-50℃之间，3个煤样的CO/CO₂值为0；50-70℃之间，CO/CO₂值在0-0.022之间时，开始进行氧化反应；70-150℃时，此时3个煤样氧化反应速度之间加快。CO/CO₂值随温度升高增加变快；超过150℃之后，CO/CO₂值为比值出现振荡式上升，且3个煤样变化差距较大。因此，在CO/CO₂值在0-0.3之间时，结合CO产气规律，即煤温在30-150℃之间，CO/CO₂可作辅助指标气体。

由图7可知，C₂H₄/C₂H₆不具备较好的波动规律，且主要在C₂H₄开始产生时才有数值。所以不将C₂H₄/C₂H₆作为辅助指标气体。

4 结论

通过对临涣矿10煤3个煤样氧化实验研究，得出以下结论：

 临涣矿10煤以CO作为主要指标气体，在采空区气体中检测出CO表明煤温超过50℃，气体浓度为9ppm时，煤温达到70℃。

煤样在170℃产生C₂H₄，可将C₂H₄作为临涣矿10煤进入加速氧化阶段的指标气体。

 可将CO/CO₂作为辅助指标气体。当检测到CO/CO₂值在0-0.022之间时，煤开始煤氧反应；当其值在0.22-0.3之间时，氧化反应速度加快；其值超过0.3时，温度以达到150℃以上。

参考文献

[1]文虎,郭曦蔓,张铎,程小蛟,魏高明,唐瑞.建北煤矿高瓦斯煤层自燃早期预报指标优选研究[J].矿业安全与环保,2022,49(03):1-8.

[2]陆伟,王德明,戴广龙,仲晓星.煤物理吸附氧的研究[J].湖南科技大学学报(自然科学版),2005(04):6-10.

[3]张玉涛,李亚清,邓军,张辛亥.煤炭自燃灾变过程突变特性研究[J].中国安全科学学报,2015,25(01):78-84.

[4]王海涛,刘永立,沈斌,范春虎,张龙江.长焰煤自燃指标气体特征分析[J].煤炭技术,2021,40(11):167-170.

[5]邬剑明,彭举,吴玉国.平朔矿区煤自然发火指标气体选择的试验研究[J].煤炭科学技术,2012,40(02):67-69.

[6]岳宁芳,金彦,孙明福,杨程帆,冉学超,程明.基于多指标气体的煤自燃进程分级预警研究[J].安全与环境学报,2020,20(06):2139-2146.

[7]董绍朴,刘剑,李艳昌,白雪松,刘庆海.基于主成分分析法的东荣一矿煤层自然发火指标气体实验研究[J].矿业安全与环保,2019,46(02):1-5.