2013 年 第 5 期
ＳＣＩＥＮＣＥ ＆ ＴＥＣＨＮＯＬＯＧＹ ＩＮＦＯＲＭＡＴＩＯＮ
○矿业论坛○
科技信息
煤层自然发火期及自然发火标志性气体指标研究
马炳辉 赵红星 魏玉良 （山西煤炭运销集团有限公司 长治有限公司一通三防部，山西 长治 046000）
【摘 要】为了明确煤层自然发火标志性气体的种类及在煤层自燃整个进程中所起的标志性作用，更好的把握煤层自然发火的进程，进而 采取相应的措施防灭火，对唐口煤业的煤样进行了氧化试验，结果表明 CO 可以作为预测预报自然发火的指标气体，其预测的温度范围应该在 72℃~188℃之间。 但是 CO 的出现临界温度很低，仅为 66℃左右，并在整个自然发火过程中都有 CO 产生，仅靠 CO 浓度来确定煤自然发火的 进程有一定难度，应在实际生产过程中不断发现并 总 结 CO 派 生 指 标 的 规 律 ，并 借 助 这 些 指 标 综 合 判 断 自 然 发 火 初 期 （2℃~188℃）的 火 灾 状 态。 烯烃气体 C2H4 可以作为预测预报煤自然发火加速阶段的标志气体，其预测的温度范围应在 180℃~230℃之间。 其代表 C2H4 可以视为煤氧 化已确实进入自热加速阶段的标志气体。 C2H4/C2H6 可作为判别煤自然发火进程的标志气体指标，其第一峰值是煤的氧化已进入激烈氧化阶 段的标志。
【关键词】
1 煤的自然发火期
煤的自然发火期就是煤体温度达到自然发火点的时间值，对于煤 的自然发火期的研究，一般都是通过实验的方法，间接模拟采空区或 煤体内部的环境条件，通过煤体在一定的外在条件的影响下，煤体达 到发火的时间统计。 针对唐口煤业自然发火期的研究，唐口煤业有限 公司委托抚顺分院对其自然发火期进行了实验。 实验的结论如下： 1．1 最短自然发火期： 通过煤样绝热氧化实验确定 3 上煤 样 的 最 短 发火期为 54 天。 1．2 自然发火期范围： 考虑煤矿井下现场环境影响及仪器在 测 定 过 程中添加系数、仪器常数的因素，自然发火期的范围为 54~118 天。
其中，程序控温炉其炉膛为不锈钢内胆，外加石棉保温层。 炉中装 有 1200W 的加热器，其加热功率由计算 机 程 序 控 制 。 内 装 1400r/min 的电扇，以保证炉中空气温度的均匀。 炉温保持在计算机设定的温度， 控温精度为±0.1℃。 煤样罐采用铸铜结构，密封材料为聚四氟乙烯，能 耐 350℃以上的高温，并在其内部安装精密铂电阻感温元件。
此次实验煤样取自新暴露煤壁，并现场封装，运至实验室。 按一定 比例，合理选择一定量各试点煤块在常温下进行破碎，用分子筛选取 其中 40~80 目的煤样颗粒 50g，作为实验用煤样。 2.3 实验装置
图 1 煤氧化试验系统
图 1 表示煤氧化试验验系统的组成。 图 2 为试验装置图。 该试验 系统主要由程序控温炉、煤样罐、测温元件、温度测量和控制系统、气 体质量流量控制器、除湿和降温装置、氧气分析仪和计算机等构成。
图 2 煤氧化试验装置图
气体流量控制采用质量流量控制器，流量范围为 10～4000mL/min。 2.4 实验步骤
此次实验具体步骤如下： 1）用天平称取煤样 50g 放入煤样罐中，加盖，用螺丝拧紧。 2）把煤样罐放入炉膛内，接好供气、出气及其温度探头。 关上炉膛 门。 3）接好实验仪器各电源开关。 4）打开空气钢瓶，调节减压阀，使其空气流量为 100mL/min。 5）按试验装置操作步骤依次开启试验装置。 6）启动测试仪，调至恒温 30℃运行约 30 分钟。 7）按程序升温操作步骤，设置好装置各参数。 8）待各参数稳定，启动程序升温，开 始 实 验 ，每 隔 10℃采 集 气 样 ， 分析气体成分。 2.5 实验结果 研究表明，烯烃和炔烃以及 CO 是煤自然发火过程中碳氧化 反 应 的产物，这几种气体组分在煤吸附气体中不存在的（亦有吸附气体中 有 CO 的 报 道 ，但 极 为 少 见 ），因 此 ，这 几 种 气 体 组 分 也 是 标 志 煤 炭 自 然氧化进程的特征气体组分。 一般来说，煤自燃吸附气体产物生成规律主要表现为：开始烷烃 气体有较高解吸浓度，并随着煤温的升高逐渐降低，到最低点后又随 温度的升高而增大，但增大的速率较小。 这种变化规律主要受煤的物 理、化学性质，特别是煤的表面性能所影响。 开始时，解析气体组分主 要来自大孔赋存和表面物理吸附的烷烃，随着煤体温度的升高，中孔 和微孔内吸附的烷烃气体也相继解析出来。 从生成量值上看，与煤的 变质程度、煤的粒度、空隙结构特性、煤岩煤化组成极为相关，不同的 煤种有较大的差异。 由此可以推断，该矿煤样瓦斯吸附量较低，随着煤 温的升高，其吸附气体的释放量的变化不明显。 有下表 1 中数据可以 看出：常温~109℃前，烷烃气体中 C2、C3、C4 烷烃（即乙烷、丙烷和丁烷） 均检测不到， 甲烷释放量微乎其微， 持 续 在 25ppm 以 下 ， 直 到 接 近 154℃后 才 略 有 上 升 。 唐口煤业煤样自燃氧化气体总的生产规律是随着煤温的上升而 逐渐增大，但不同的氧化气体组分所表现出来的生成规律在量值和生
2 自然发火标志性气体指标研究
煤炭自燃的早期预报是矿井防火技术的重要组成部分，预测指标 的优选及其指标值的确定是预测准确与否的关键。为了确定适合于唐 口矿煤矿的自燃标志性气体， 煤炭科学总院抚顺分院受唐口煤业委 托，进行了该矿煤炭自燃标志性气体的试验。 2.1 测试目的
煤炭氧化和热解过程中会产生一系列的气体，气体的成分和浓度 与煤温有较好的对应关系， 因而可用作预报煤炭自燃的标志性气体。 其中 CO 和烷烃、烯烃等气体，具有较好的灵敏性和可测性，是最常用 的标志气体。本试验将研究唐口矿煤矿标志气体的出现温度以及其浓 度与温度的关系，为煤炭自燃的早期预测预报打好基础。 因此通过应 用煤自然发火模拟装置进行在不同氧含量的空气中进行自然发火规 律的模拟试验，测试和掌握煤矿井下自然发火的相备