李 穎，朱令起

（1.華北理工大學(xué)，河北 唐山 063210；2.河北能源職業(yè)技術(shù)學(xué)院， 河北 唐山 063004；3.河北省礦業(yè)開發(fā)與安全技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，河北 唐山 063210）

前言

煤炭資源作為我國的主要能源之一，對我國的經(jīng)濟(jì)發(fā)展起著重要的作用，而隨著淺部煤炭資源逐漸減少，地下開采的深度越來越大，由于煤層賦存狀態(tài)和成因復(fù)雜、通風(fēng)安全和遺煤問題突出，煤自然發(fā)火事故頻繁發(fā)生且難以預(yù)測，給礦山的安全生產(chǎn)和人員的生命安全造成巨大威脅。

目前，世界上各國煤礦采用的煤自然發(fā)火指標(biāo)氣體主要有 CO、CO2、CH4、C2H2、C2H4等等，而不同的煤礦因煤變質(zhì)程度，煤巖特性、以及煤的粒度、孔隙度等因素導(dǎo)致煤的活性不同，煤炭氧化反應(yīng)過程中生成指標(biāo)氣體的體積分?jǐn)?shù)、臨界溫度和隨煤體溫度的變化規(guī)律也不同，本文選取開灤6家煤礦實(shí)驗(yàn)煤樣進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，優(yōu)選煤自燃定量指標(biāo)，分析其與煤溫的變化關(guān)系，對準(zhǔn)確預(yù)測煤自燃發(fā)火有著重要作用。

1 試驗(yàn)系統(tǒng)與流程

（1）試驗(yàn)系統(tǒng)

實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)是由煤升溫氧化系統(tǒng)、氣體進(jìn)樣和分析系統(tǒng)、數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)等部分組成。

（2）試驗(yàn)儀器

①程序升溫儀

該儀器的優(yōu)點(diǎn)是結(jié)構(gòu)比較簡單，操作相對容易，裝載煤樣簡便，因此維護(hù)與保養(yǎng)也較為容易，同時(shí)收集的氣體容易轉(zhuǎn)移至其他儀器進(jìn)行下一步分析，完全可以滿足實(shí)驗(yàn)要求。

②氣相色譜儀

GC-4085型氣相色譜儀是監(jiān)測氣體成分與體積濃度的實(shí)驗(yàn)裝置。

（3）實(shí)驗(yàn)流程

①煤樣的制備

從煤礦上取到新鮮煤樣，及時(shí)放入密封袋中，帶回實(shí)驗(yàn)室，盡量降低其被氧化的可能性。實(shí)驗(yàn)時(shí)抽取煤樣，使用顎式破碎機(jī)將選取的煤樣進(jìn)行破碎，篩分出60~80目（0.18~0.25mm）的各類煤種250g以上，在密封袋中儲存。

②實(shí)驗(yàn)方法

連接好程序升溫儀的電源，監(jiān)測其氣密性；稱取煤樣放入煤樣罐中；30℃時(shí)開始采集氣體，每升高20℃收集一次氣體，直到煤溫增加到260℃停止加溫；使用氣相色譜儀對其進(jìn)行數(shù)據(jù)總結(jié)分析。

2 數(shù)據(jù)整理與定量指標(biāo)分析

通過煤的程序升溫實(shí)驗(yàn)，實(shí)時(shí)記錄了實(shí)驗(yàn)中CO氣體、CO2氣體、乙烯（C2H4）以及部分烷烴氣體的釋放濃度，實(shí)驗(yàn)結(jié)束后對實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行整理，得到不同煤種CO/△O2、CO2/CO、C2H6/C2H4以及Graham指數(shù)相對應(yīng)的定量指標(biāo)隨煤溫變化的數(shù)據(jù)，并繪制點(diǎn)線圖。

圖1中CO/△O2的值變化規(guī)律顯示，樣本呈緩速上升的趨勢，在55℃左右突破0,CO在55℃之前并沒有生成且在80℃之前增加量并不是十分明顯，比值的變化是在80℃～300℃的低溫階段里開始明顯呈線性上升趨勢平穩(wěn)上升。

圖1 CO/△O2隨煤溫變化趨勢圖

圖2中CO2/CO比值隨著溫度的升高呈指數(shù)下降趨勢。在80℃之前，煤自燃的低溫階段主要生成CO2，CO2/CO比值大于40，此時(shí)煤自燃處于緩慢氧化過程，同時(shí)緩慢產(chǎn)生熱量；在80℃之后，CO開始逐漸大量產(chǎn)生，CO濃度的加速生成使得比值呈負(fù)指數(shù)趨勢下降。

圖2 CO2/CO隨煤溫變化趨勢圖

圖3中C2H6/C2H4值呈現(xiàn)先緩慢增長后逐漸下降的趨勢，普遍在100℃左右C2H6/C2H4比值突破0，意味著C2H6隨著氧氣的消耗開始逐漸生成，且以一個(gè)比較快的速度迅速釋放。由于前期C2H6/C2H4比值的增長幅度并不明顯，在300℃之后，比值開始呈線性下降趨勢，因此，在100℃～300℃時(shí)，可以把C2H6/C2H4作為煙煤自燃早期預(yù)測預(yù)報(bào)的輔助指標(biāo)。

圖3 C2H6/C2H4隨溫度變化曲線圖

Graham指數(shù)：

從圖4中可以看到，ICO指數(shù)隨著煤溫的變化是呈現(xiàn)緩慢上升的趨勢的，在80℃左右突破零，開始出現(xiàn)ICO指數(shù)，雖然整體趨勢較緩，但是可以用來做煤層自燃預(yù)測預(yù)報(bào)。

圖4 ICO隨溫度變化曲線圖

總體來看，在煤樣的低溫階段＜200℃有以下氣體指標(biāo)：

表1 預(yù)報(bào)定量指標(biāo)優(yōu)選

3 結(jié)論

采集開灤6家礦山樣煤，進(jìn)行程序升溫實(shí)驗(yàn)，通過數(shù)據(jù)初步整理確定CO/△O2、CO2/CO、C2H6/C2H4以及Graham指數(shù)作為煤自燃預(yù)測定量指標(biāo)。

①溫度＜80℃，預(yù)報(bào)定量指標(biāo)選擇CO2/CO、CO/△ O2。

②溫度在81℃～140℃之間，預(yù)報(bào)定量指標(biāo)選擇CO2/CO、CO/△O2、ICO 。

③溫度在141℃～300℃之間，預(yù)報(bào)定量指標(biāo)選擇 CO2/CO、C2H6/C2H4、CO/△ O2、ICO 。