平朔井东煤业9号煤层自然发火指标气体优选实验研究★

张鹏飞，吴玉国，杨 凯

（1.太原理工大学 矿业工程学院，太原 030024；2.中煤平朔集团有限公司 井东煤业，山西 朔州 036006）

1 课题背景简况

煤炭自燃是个动态复杂的发展过程，在特定环境条件时煤吸附氧，经过氧化自热，热量积聚到一定程度，产热量大于放热量，便会引起煤炭自燃。煤炭自燃后其周围煤岩及空气温度升高，热解并释放出一系列的气体产物，这些气体的出现和产生量随着温度的上升会呈现出规律性的变化。利用这种变化来预测预报煤是否发生自燃及自燃的发展情况，这些能预测并反映煤自然发火状态的气体称为煤自燃性指标气体。不同的矿井、煤质、煤赋存条件、开采情况都会影响到气体产物的临界温度。因此，笔者以平朔井东煤业9号煤为研究对象，通过实验研究优选出适合9号煤的指标气体。

2 实验设计概况

1）煤样的选取：实验选用平朔井东煤业9号煤，其工业分析结果，如表1所示。

2）实验装置：利用太原理工大学的煤自燃综合特性测试装置，对平朔井东煤业9号煤样进行程序升温氧化实验。煤自燃综合特性测试装置系统图，见图1，由预热气路、传热煤样罐、程序控温箱、温度控制系统、数据采集系统组成，能实现恒温、程序升温、跟踪升温三种温控方式，可经跟踪温度绝热、预热气路绝热、绝热煤样罐绝热，最大限度地实现煤自燃绝热条件。

表1 工业分析结果

图1 煤自燃综合特性测试装置系统图

3）实验条件及过程：选用井东煤业9号煤层煤样，对现场采集的新鲜大煤块剥除表面的氧化层，保留煤芯部分，用真空袋封装运至实验室。利用颚式破碎机对煤芯粉碎研磨，筛选出0.20～0.28 mm（60～80目）的颗粒煤40 g作为实验煤样，用广口瓶封装待用。实验前，将制备好的煤样置于铜质煤样罐内，煤样罐密闭后放于程序控制箱中，连接好进、出气路及温度探头（探头水平垂直置于罐体几何中心），并检查系统气密性。实验时，向反应器内通入80 mL/min的干空气，以1℃/min的升温速率对煤样进行加热，标志性气体分析温度设为30℃～220℃（煤自然发火理论表明：150℃左右时，即煤进入加速升温阶段，煤温上升迅速，在良好的外部条件下，可以很快达到燃烧阶段，此时对于早期预报已没有意义）。

3 实验结果分析

经过实验，得到井东煤业9号煤样在通入空气后程序升温氧化过程中，气体产物随煤温变化的实验数据，经整理和分析，研究了 CO、H2、C2H4、CO/CO2、C2H4/C2H6等气体浓度（比值）随煤温升高的演化规律。

1）CO浓度（比值）随煤温升高的演化规律：从图2看出，井东煤业9号煤产生CO的临界温度30℃～50℃（煤氧化过程中可检测到CO急剧变化的温度），CO气体贯穿整个氧化过程中，其在低温氧化阶段产生量较小，浓度变化会随着温度的升高大致呈指数上升趋势。但在70℃～80℃时，CO生成量随煤温的升高也会变得迅速，说明从该温度段开始，煤进入迅速氧化阶段，煤氧复合作用加剧。对于井东煤业9号煤层，若检测到CO存在，需持续加强检测，在对煤体温度进行测定时，如果温度接近70℃左右，说明CO的温升率变得更加灵敏，应及时采取措施，以防止煤自燃扩大。参照煤炭自然发火指标气体优选的原则，30℃～50℃时已可加强监测，因此CO可作为井东煤业9号煤层检测自然发火的主要指标气体。

2）H2浓度（比值）随煤温升高的演化规律：从图3看出，井东煤业9号煤中H2生成的临界温度120℃，其产生量随煤温升高呈先增大、后减小、再增大。在120℃～180℃时，H2随温度急剧增加，说明煤自燃已进入加速氧化阶段；在180℃～210℃时，其产生量会略有下降。

3）C2H4浓度（比值）随煤温升高的演化规律：从图4看出，井东煤业9号煤中C2H4出现的温度110℃左右，其产生量会随煤温升高整体呈单一递增关系。在110℃～160℃变化浮动较小；大于160℃后，表现出明显上升趋势。当检测到C2H4浓度30 ppm时，说明煤温已达160℃，氧化进入加速氧化阶段，故可作为煤层自然发火的指标气体。

图2 井东煤业9号煤层煤样C O随温度的变化趋势图

图3 井东煤业9号煤层煤样H2随温度的变化趋势图

图4 井东煤业9号煤层煤样C2H4随温度的变化趋势图

4）CO/CO2浓度（比值）随煤温升高的演化规律：由图5可知，在30℃～50℃时，CO/CO2比值较平稳，CO和CO2生成速率相近，温度较低时，煤氧化还不完全，CO浓度较小，所以比值增加缓慢。当70℃～150℃时，比值呈单调增长趋势，此时煤进入迅速氧化阶段，随着煤温升高CO生成速率明显高于CO2。在大于150℃后，比值开始明显下降，说明CO2生成速率开始高于CO。对于井东煤业9号煤层，若能检测到CO/CO2浓度比增加迅速，则表明煤温肯定已经超过70℃，煤体将进入加速氧化阶段，应采取可行的预防措施。在70℃～80℃左右时，CO浓度会随温度变得灵敏，且CO/CO2比值增速也加快，因此，在以CO为主要指标气体的同时，可将CO/CO2比值作为检测井东煤业9号煤层自然发火的辅助指标。

图5 井东煤业9号煤层煤样C O/C O2随温度的变化趋势图

5）C2H4/C2H6：由图 6 可知，C2H4/C2H6比值随煤温总体呈增长趋势，温度100℃～150℃时浮动较小；当温度大于150℃后，比值开始出现明显上升趋势；当检测到比值超过0.5时，可以认定煤层已剧烈氧化。因此在检测仪器足够灵敏时可作为东煤业9号煤层自然发火的辅助指标。

图6 井东煤业9号煤层煤样C2H4/C2H6势图

4 结论

（1）煤样中出现CO的临界温度在30℃～50℃，产生量随温升呈指数上升趋势。因此，CO可作为井东煤业9号煤层检测自然发火的主要指标气体，并辅以CO/CO2比值来检测煤层自然发火的情况。

（2）C2H4在110℃左右出现，产生量随温升整体呈单一递增关系，可作为煤层自然发火的主要指标气体。由于H2出现的临界温度为120℃，生成量随温升先增大、后减小、再增大的趋势变化，所以单一依靠H2来检测煤层自然发火情况并不科学。

（3）C2H4/C2H6比值受环境因素影响较小，在检测仪器足够灵敏时可作为煤层自然发火的辅助指标。

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