王月紅，周寧，張九零，朱壯

(華北理工大學 礦業(yè)工程學院，河北 唐山 063009)

0 引 言

煤自燃是近年來煤礦安全領域中的重要研究內(nèi)容，煤層即將燃燒前能夠及時發(fā)出預警是研究煤炭自然發(fā)火規(guī)律的關鍵，預警不僅保證了安全管理人員有時間去采取有效的措施將火災事故消滅在發(fā)生之前，而且還能更好地保護礦業(yè)資源及井下工作人員的生命安全。其中，選取正確的自燃預測指標氣體成為最關鍵的問題。從目前的研究看，趙婧昱等[1]、武福生[2]、許崇幫等[3]、劉寶志[4]、秦紅星等[5]注重運用控制試驗變量來改變對煤自燃試驗的環(huán)境條件，其中升溫速率、干空氣流量和氧氣體積分數(shù)等試驗變量則被用來確定煤在外界環(huán)境影響下的自燃指標氣體。指標氣體的研究結果顯示，多數(shù)煤種以CO，C2H6，CH4，C2H4等氣體體積分數(shù)作為現(xiàn)場火災預警的輔助參考指標[6-9]。為了排除環(huán)境條件的影響因素，一些學者應用復合指標氣體預測法判斷礦井下的煤層是否發(fā)生自燃。駱大勇[10]，楊朔等[11]、任江朋[12]、安幫等[13]、寧政權[14]研究煤樣在氧化過程中的不同溫度階段復合指標氣體釋放規(guī)律，其中O2/(CO+CO2)、C2H6/C2H4、CO2/CO與O2/CO2等復合指標氣體在特定溫度條件下受試驗條件影響較小。眾多學者通過試驗得到了各煤種相對應的自燃指標氣體，卻忽略了因選擇預測指標氣體過多，在現(xiàn)實操作當中會偶爾出現(xiàn)預測結果出現(xiàn)較大偏差的問題。為了更好地應用指標體系，就需要判斷各指標氣體與溫度的關聯(lián)程度。本文應用灰色關聯(lián)法，對各自燃指標氣體體積分數(shù)隨溫度的變化規(guī)律進行探討，依據(jù)所得關聯(lián)度值大小對各指標氣體由大到小依次排序，關聯(lián)度越大，證明此指標氣體預測預報結果就越接近真實情況。最后通過一系列計算優(yōu)化，使整個體系具有更佳的實用性和更好的準確性。

1 試 驗

1.1 煤樣制備

按照《煤層煤樣采取方法》(GB/T 482-2008)，在山西常村、范各莊、東歡坨、內(nèi)蒙古以及崔礦采取試驗所需煤樣。選取大塊煤，剝?nèi)ケ砻嫜趸瘜?，然后用顎式破碎機將其破碎，篩分，得到煤粉均徑為0.097 5 mm的煤樣，將制備好的煤樣用量杯測量其體積后用電子天平稱取80 g，立即裝入樣品袋中，保證煤樣新鮮，盡量減少空氣氧化影響。

1.2 工業(yè)分析

工業(yè)分析試驗是探究煤質(zhì)特點的基礎性試驗。利用煤樣工業(yè)分析試驗結果，可得出煤種的基本參數(shù)。通過對試驗結果分析，為煤自然發(fā)火預防工作以及采空區(qū)自然發(fā)火預報體系提供依據(jù)。本文利用5E-MAG6700全自動工業(yè)分析儀對試驗煤樣進行工業(yè)分析試驗，其結果如表1所示。

表1 各煤樣工業(yè)分析結果

由表1可以得出，伴隨煤種變質(zhì)程度逐漸降低，其水分含量依次增加，其中山西常村無煙煤水分質(zhì)量分數(shù)為0.98%，崔礦褐煤水分質(zhì)量分數(shù)為13.70%；煤種中揮發(fā)分隨煤種變質(zhì)程度降低不斷增加，山西常村無煙煤中揮發(fā)分最低為12.25%，崔礦褐煤揮發(fā)分最高為29.09%；煤種中固定碳含量隨煤種變質(zhì)程度的降低不斷減少。山西常村無煙煤中固定碳質(zhì)量分數(shù)最高為74.88%，崔礦褐煤固定碳質(zhì)量分數(shù)為48.23%。試驗中各煤樣均呈現(xiàn)良好的變質(zhì)程度差異性。

1.3 氧化升溫試驗

本次氧化升溫試驗的主要設備是KSS-5690A型氣相色譜儀和升溫氧化爐，具體的試驗操作過程：取出用電子秤精確稱量的80 g煤樣，均勻裝入煤樣反應罐，將裝好的反應罐與裝置的進出氣路接好，并用氣泡水對各個管路口進行氣密性檢測，打開控溫裝置，運用程序升溫軟件進行試驗。試驗過程中，為了保證試驗的精密度，要時刻關注煤樣的溫度變化，電腦系統(tǒng)記錄煤樣從反應罐產(chǎn)生的氣體組分及質(zhì)量分數(shù)，每升高10 ℃測量1次，煤樣在爐中氧化升溫到280 ℃時結束試驗。

2 結果與分析

通過氧化升溫試驗以及氣相色譜分析，整理出不同變質(zhì)程度煤樣升溫氧化試驗產(chǎn)生的不同氣體體積分數(shù)與溫度變化的規(guī)律，結合煤自燃指標氣體選取原則[15]篩選煤的自燃預測指標氣體。

2.1 非烴類氣體體積分數(shù)變化規(guī)律

(1)CO氣體。由圖1可知，最早出現(xiàn)CO氣體的煤樣為崔礦褐煤，最晚出現(xiàn)CO氣體的煤樣為山西常村無煙煤。隨著煤種變質(zhì)程度加深，CO出現(xiàn)的時間逐漸延長。在相同升溫速率、通風等試驗條件下，煤樣變質(zhì)程度越淺，其釋放的CO體積分數(shù)在同一溫度下越高。

圖1 CO，CO2，和O2體積分數(shù)隨溫度變化曲線

(2)CO2氣體。CO2在各種煤樣中都有附著情況，30 ℃時均有CO2氣體釋放出來。在試驗中監(jiān)測到的CO2氣體，一部分來自于煤樣升溫時釋放出來附著的CO2，另一部分則來自于溫度升高，煤樣開始發(fā)生氧化反應產(chǎn)生的CO2。由于自身附著的CO2含量高，則無法單獨準確表征煤自燃的狀態(tài)。

(3)O2氣體。在本次升溫氧化試驗中，是將空氣通入煤樣罐內(nèi)使煤樣發(fā)生氧化反應，所以，開始監(jiān)測時(30 ℃)O2就已經(jīng)出現(xiàn)，由于煤樣升溫氧化時，煤中含碳有機物和O2發(fā)生反應，所以O2含量的變化呈現(xiàn)出很好的規(guī)律性。煤樣隨著溫度升高，氧氣消耗量持續(xù)增長；煤種變質(zhì)程度越淺，其耗氧量就越高。因此，O2可以作為本次試驗的自燃指標氣體進行研究。

2.2 烴類氣體體積分數(shù)變化規(guī)律

(1)CH4氣體。由于山西常村無煙煤以及東歡坨氣煤都附著CH4且該氣體出現(xiàn)最大體積分數(shù)的時間較晚(圖2)，不能單一作為各煤種自燃指標氣體。

(2)C2H4氣體。作為不飽和烯烴，是煤樣在升溫氧化過程中得到的一種產(chǎn)物，且在原始煤層中不存在附著現(xiàn)象。C2H4出現(xiàn)的溫度以及釋放量隨著溫度升高不斷加大；隨著變質(zhì)程度的降低，該氣體出現(xiàn)的溫度也隨之降低，釋放量也越大，具有很好的規(guī)律性?？梢宰鳛楸敬卧囼灥淖匀贾笜藲怏w。

圖2 CH4，C2H4和C2H6體積分數(shù)隨溫度變化曲線

(3)C2H6氣體。5種煤樣中都可以監(jiān)測到C2H6氣體，特別是山西常村無煙煤最為明顯，如圖3所示。山西常村無煙煤在試驗剛剛進行監(jiān)測即30 ℃時，就已經(jīng)監(jiān)測到C2H6存在，這說明山西常村無煙煤中附著有C2H6，隨著溫度升高，C2H6釋放出來。剩余4種煤樣均呈現(xiàn)出相同趨勢，只是由于變質(zhì)程度不同，內(nèi)部結構差異，氣體出現(xiàn)的溫度以及釋放量有所差別，但不影響整體趨勢。所以C2H6可以作為本次試驗中除山西常村無煙煤以外的崔礦褐煤、內(nèi)蒙古長焰煤、東歡坨氣煤、范各莊3551肥煤的自燃指標氣體。

2.3 氣體體積分數(shù)比值規(guī)律分析

(1)烷烯比φ(C2H6)/φ(C2H4)。山西常村無煙煤在升溫氧化前階段有大量自身附著的C2H6釋放，所以C2H6不適合作為山西常村無煙煤自燃的指標氣體。但如果應用烷烯比，就可以避免前期附著的C2H6干擾。因為當出現(xiàn)C2H4氣體時，附著在煤樣上的C2H6已經(jīng)迅速降低。

圖3 烷烯比與鏈烷比隨溫度變化曲線

事實證明，對于各煤種煤樣而言，烷烯比數(shù)值和煤樣升溫均具有很好的規(guī)律性，可以作為本次試驗煤的自燃指標氣體。

(2)鏈烷比φ((C2H6)/φ(CH4)。山西常村無煙煤、東歡坨氣煤等在升溫氧化前階段有大量自身附著的CH4釋放；同時，山西常村無煙煤還附著大量的C2H6，這些原因?qū)е赂髅悍N煤樣的鏈烷比隨著溫度升高未呈現(xiàn)出穩(wěn)定的規(guī)律，所以本次試驗不以鏈烷比作為煤自燃的指標氣體。

依據(jù)煤自燃指標氣體選取原則，初步篩選出的指標氣體如表2所示。表2中“√”表示該種氣體為選定的煤自燃指標氣體；“×”表示該種氣體不作為本次煤自燃指標氣體的研究對象。

表2 不同煤樣煤自燃指標氣體

3 自燃發(fā)火指標氣體灰色關聯(lián)分析

由于指標體系中含有不同的指標氣體，某些外界因素可能會導致某個指標氣體與其他指標氣體之間存在著矛盾。因此，就需要確定以哪一個指標氣體為主，哪一個指標氣體為輔，哪一個指標氣體應該放棄。自燃前階段是預防煤自燃的關鍵時期。所以有必要利用灰色關聯(lián)分析確定這一階段哪種指標氣體具有更高的可靠度，從而使整個指標氣體系統(tǒng)更加完善。

3.1 灰色關聯(lián)分析的基本步驟

(1)確定反映系統(tǒng)行為特征的參考溫度(t)數(shù)列和影響系統(tǒng)行為的煤升溫氧化過程中的指標氣體為比較序列。

Yi=[yi(1),yi(2),…,yi(n)]，

Xi=[xj(1),xj(2),…,xj(n)]，

(1)

式中,yi(n),xj(n),分別為第n次試驗中第i個參考序列和第j個比較數(shù)列的數(shù)據(jù)。

(2)對參考數(shù)列和比較數(shù)列進行無量綱化處理。

(2)

(3)求參考數(shù)列與比較數(shù)列的灰色關聯(lián)系數(shù)ξi(k)。

ξi(k)=min|imin|k‖t(k)|Xi(k)|+ξmax

|imax|k|t(k)|Xi(k)‖/(|t(k)|xi(k)|+

ξmax|imax|k|t(k)|Xi(k)|),

(3)

式中：ξi(k)為Xi對t在k時刻的灰色關聯(lián)系數(shù)；ξ為分辨系數(shù)，一般在0～1間，通常取0.5。

(4)求關聯(lián)度ri。

(5)關聯(lián)度排序。

3.2 量化分析討論

利用灰色關聯(lián)分析，對各煤樣的指標氣體與溫度依次進行灰色關聯(lián)分析，得到本次試驗不同煤種指標氣體灰色關聯(lián)度，通過計算，得到本次試驗各變質(zhì)程度煤樣指標氣體灰色關聯(lián)度，如表3所示。表3中“×”表示該種氣體不作為本次煤自燃指標氣體的研究對象。

表3 不同煤樣指標氣體灰色關聯(lián)度

由以上對灰色關聯(lián)分析可知，當灰色關聯(lián)度越大，則說明該指標氣體與煤自燃氧化升溫發(fā)展的程度越擬合，越能代表此時煤層(堆)的狀態(tài)。

從表3可知：山西常村無煙煤在升溫氧化中期，氣體預測灰色關聯(lián)度大小排序為rO2>rCO>r烷烯比>rC2H4。但由于O2一直存在于煤層(堆)周圍的氣體中，只能依靠其體積分數(shù)變化加以判斷，這無疑使現(xiàn)場實際監(jiān)測儀器和工作量增加，所以若井下滿足監(jiān)測條件，則選擇O2作為指標氣體，反之不予采用。因此，在山西常村無煙煤升溫氧化的中期階段首選預測指標為CO，第二預測指標為烷烯比，第三預測指標為C2H4。

同理，由表3可知，其他4種不同變質(zhì)程度煤樣在煤自燃升溫氧化中期指標氣體的灰色關聯(lián)大小關系。范各莊3551肥煤氣體預測灰色關聯(lián)度排序依次為rC2H6>rCO>r烷烯比>rC2H4；東歡坨氣煤依次為rC2H6>rC2H4>r烷烯比>rCO；內(nèi)蒙古長焰煤依次為rC2H6>rCO>r烷烯比>rC2H4；崔礦褐煤依次為r烷烯比>rCO>rC2H4>rC2H6。

4 結 論

(1)參照指標氣體的選取特征，排除氣體附著在煤體導致的干擾現(xiàn)場火災監(jiān)測預警情況，過濾CO2，CH4和鏈烷比這3個參數(shù)指標。

(2)隨著溫度升高，除山西常村無煙煤外其他煤樣均在升溫過程中產(chǎn)生的氣體體積分數(shù)(CO，C2H4，C2H6)均呈曲線上升趨勢。隨著變質(zhì)程度加深，在同一溫度下，煤在氧化升溫過程中產(chǎn)生的指標氣體體積分數(shù)(CO，C2H4)隨之降低，氣體出現(xiàn)的溫度點也隨之升高；C2H6的情況則正好相反。

(3)根據(jù)灰色關聯(lián)結果可知，變質(zhì)程度最深的無煙煤自燃預測的首選指標氣體為CO，范各莊3551肥煤、東歡坨氣煤、內(nèi)蒙古長焰煤自燃預測的首選指標氣體為C2H6，變質(zhì)程度最淺的崔礦褐煤自燃預測的首選指標為烷烯比。