察哈素煤矿3号煤层自然发火标志性气体研究及其应用

察哈素煤矿3号煤层自然发火标志性气体研究及其应用
芮国相;王玉怀;任建军;席晓斌
【摘要】In order to predict the spontaneous combustion in the No. 3 coal seam of Chahasu coal mine, 5 coal samples were selected from the coal seam and the effect of temperature rising programmed test on process of coal oxidation was studied. The rules of gases emissions such as CO, C2 H4 under different temperature were analyzed and the indicator gases were selected according to the test results. The grading pre - warning index of carbon monoxide was determined according to the actual conditions of Chahasu coal mine.%为了更好的预测预报察哈素煤矿3号煤层的自然发火，在3号煤层采集五组煤样，在实验室进行了煤的氧化升温模拟试验，得出了不同温度下 CO、C2 H4及其他气体的产生规律，对不同温度范围内 CO 浓度随温度变化进行了拟合。

根据试验结果确定了3号煤层自燃的标志性气体，同时根据察哈素煤矿井下实际，确定了3号煤层自燃分级预警的 CO 指标。

【期刊名称】《华北科技学院学报》
【年(卷),期】2015(000)002
【总页数】5页(P20-24)
【关键词】自然发火;标志性气体;实验研究;分级预警指标
【作者】芮国相;王玉怀;任建军;席晓斌
【作者单位】内蒙古科技大学，矿业研究学院，内蒙古包头 014010; 国电建投内蒙古能源有限公司察哈素煤矿，内蒙古鄂尔多斯 017209;华北科技学院，北京东
燕郊 101601;华北科技学院，北京东燕郊 101601;国电建投内蒙古能源有限公司察哈素煤矿，内蒙古鄂尔多斯 017209
【正文语种】中文
【中图分类】TD75+2.2
0 引言
察哈素煤矿位于鄂尔多斯东胜煤田新街矿区，井田南北走向长 13.83 km，东西倾斜宽12.02 km，面积157.95 km2。

矿井设计可采储量1833.809 Mt，矿井设计生产能力10.0 Mt/a。

矿井采用主斜井、副立井和回风立井的混合开拓方式。

矿井主采煤层为3－1煤层，煤层厚度2.05～7.15 m，平均为5.25m;煤层倾角平缓，一般为1°。

煤种属不粘煤和少量长焰煤。

煤层自然倾向性为容易自燃，最短自然发火期为39天。

31301工作面为该矿首采工作面，工作面开采过程中，由于煤层厚度赋存变化，煤层厚度个别地段最高达到6.7 m左右，在开采过程中采空区出现1.0 m～1.5 m左右的遗煤，工作面回采过程中出现了CO超标现象。

煤在低温氧化过程中产生多种气体，如CO、CH4、C2H6、C2H4等，但不同温度时各成分气体的浓度各不相同［1－3］。

能反映煤炭自热或可燃物燃烧初期特征的、并可用来作为火灾早期预报的气体称之为标志性气体［4］。

因此，按照一定的试验条件、通过试验优选适合各矿和各煤层的标志性气体，才能进行及时而准确的预报。

选择合适的煤自燃标志性气体，通过测试标志性气体的方法，可以对煤自燃火灾进行早期预测预报［5－7］。

为掌握该矿3号煤层的氧化特性，指导矿井安全生产，在31301工作面采集了五组煤样，进行了煤层自然发火标志性气体测试与分析。

1 煤样采集与实验过程
1.1 煤样的采取与制备
煤样采自察哈素煤矿31301工作面新暴露的煤层表面，在工作面不同地点采集了
五个煤样。

采样后立即放入采样罐，运至实验室。

试验时打开采样罐，将块煤进行粉碎，并将破碎煤样筛分，取粒度为1.25～1.6 mm、1.6～2 mm、2～3.5 mm、3.5～5 mm、5～7 mm部分各20%混合，每个煤样取200 g，作为试验样品，
密封于采样罐。

1.2 实验过程
在实验过程中，将准备好的试验煤样放入煤氧化模拟实验装置进行氧化升温试验。

具体升温过程如下:先以约1℃/min的速度将煤温升高15℃，然后保持煤温恒定5 min左右后，再以约1℃/min的速度将煤温升高15℃，然后保持煤温恒定5 min 左右，依次类推。

为使实验结果更加精确，对五组煤样分别进行氧化升温试验，然后对五组实验结果进行对比、分析。

2 实验结果及其分析
2.1 CO与温度变化关系
第一组煤样的实验结果如图1所示，由图可见:
(1)CO的浓度随着温度的升高而升高。

(2)煤样在实验初始阶段(30℃以后)开始出现CO，随煤温升高其浓度呈上升趋势。

(3)从60℃开始，随温度的升高其浓度升高的幅度越来越大，表示煤已经进入了加速氧化阶段;在120℃以后，其随温度升高的幅度有所减缓但让逐渐变大。

图1 第一组煤样CO浓度随温度变化曲线
根据五组煤样的实验结果，分别得出五组煤样随温度变化释放出的CO浓度曲线及其CO平均浓度曲线，如图2所示。

由此可知，煤样从低温开始，经过缓慢氧化，加速氧化阶段后均有CO的释放，并且随温度变化出现了一定的规律性，CO能够很好得表征煤的整个自燃氧化过程。

对五组煤样测试产生的CO平均浓度随温度变
化的曲线进行分段拟合，得到相应的拟合方程见表1。

通过数据分析知当温度范围在40℃ ～90℃之间时，均值变化趋势能代表煤样产生的CO浓度变化趋势。

图2 五组煤样CO浓度及其平均值随温度的变化曲线
表1 不同温度范围内CO浓度随温度变化的拟合公式及相关系数温度段℃ 公式 R2 0.99633 90～180 y= －9825.87*e(－x/84.8427)+4058.1 40～90
y=19.5564*e(x/24.735)+17.2075 0.99492
2.2 C2H4与温度变化关系
同样，根据五组煤样的实验结果，分别得出五组煤样随温度变化释放出的浓度
C2H4曲线及其平均浓度曲线。

由图3可知，当温度达到120℃时，C2H4开始出现，并随着温度的升高含量变化的幅度越来越大，因此，C2H4对于煤炭进入加速氧化阶段具有一定的表征。

图3 五组煤样C2H4浓度及其平均值随温度的变化曲线
根据C2H4浓度平均变化曲线，对C2H4浓度随温度变化曲线进行分段拟合，并
得到相应的拟合公式见表2。

通过数据分析知当温度范围在120℃ ～180℃之间时，均值变化趋势能代表煤样产生的C2H4浓度变化趋势。

表2 不同温度范围内C2H4浓度随温度变化的拟合公式及相关系数温度段，℃ 公式 R2 120～145 y=2.00391*e(x/13.723)－0.327 0.99123 150～180 y= －
48.60955+0.38277x 0.99736
2.3 CO2与温度变化关系
根据五组煤样的实验结果，分别得出五组煤样随温度变化释放出的CO2浓度曲线及其平均浓度曲线。

五组数据中第一、第四组偏差较大，在计算平均值时以其余三组为依据，得出CO2平均浓度曲线。

由图4可知，CO2随温度变化也存在着比较强的规律性，但是它受外界因素的影响，不是一个很好的表征因素。

图4 五组煤样CO2浓度及其平均值随温度的变化曲线
2.4 C2H6与温度变化关系
根据五组煤样的实验结果，分别得出五组煤样随温度变化释放出的C2H6浓度曲线及其平均浓度曲线。

五组数据中第四组偏差较大，在计算平均值时以其余四组为依据，得出C2H6平均浓度曲线。

分析实验结果可知，C2H6从升温实验初始阶段没有出现，C2H6在温度达到120℃时才开始出现，然后随温度的升高C2H6浓度增加的幅度变大，而后其增加的幅度变小。

C2H6对于煤炭进入加速氧化阶段具有一定的表征。

2.5 烯烷比(C2H4/C2H6)与温度变化关系
根据五组煤样的实验结果，得出五组煤样各自烯烷比(C2H4/C2H6)曲线。

由图可知，在低温阶段烯烷比为0，当温度达到115℃时烯烷比由零开始突增，其后当温度达到140℃，其值增加幅度有所减小。

烯烷比值的变化说明煤体开始进入加速氧化阶段。

图5 五组煤样C2H6浓度及其平均值度随温度的变化曲线
图6 五组煤样烯烷比(C2H4/C2H6)及其平均值随温度变化图
2.7 实验结论
五组煤样从低温开始，经过缓慢氧化、加速氧化阶段各种气体随温度变化出现了一定的变化，根据煤炭自燃标志性气体的选取原则，结合五组煤样程序升温气体浓度变化曲线及煤矿井下的实际条件，选择CO和C2H4作为3号煤层煤炭自燃氧化的标志性气体，C2H6、C2H4/C2H6值作为煤炭自燃辅助预警指标。

3 煤炭自燃分级预警CO指标
根据现场观测与分析并参考相邻矿区的经验，察哈素煤矿31301工作面的CO由以下原因产生:
(1)采空区浮煤氧化;
(2)井下防爆车辆尾气产生;
(3)工作面采煤机割煤过程中局部高温点生产。

其中浮煤氧化为产生CO的主要原因，如果工作面车辆集中，也将造成CO超限。

根据相邻矿区的经验结合矿井的实际情况，确定回采工作面回风隅角CO管理按24 ppm管理，日常管理以50 ppm为限，自燃预警浓度按80 ppm进行管控，当CO浓度有升高趋势或大于80 ppm时，必须查明原因，采取措施，将 CO浓度控制不超过80 ppm。

当工作面上隅角的CO浓度大于50ppm时，O2浓度低于18%时，必须设专人监护，人员方可进入端头架和回风顺槽进行作业。

当工作面端头架意外 O2浓度低于16%，CO浓度大于50 ppm时，应及时汇报，停止工作，撤出人员，进行处理。

在日常管理中，当上隅角CO达到50ppm时，应每天对上隅角进行抽样分析。

当CO浓度连续升高大于5 ppm/天时，应加快工作面推进速度、实施注氮、注浆、均压等措施。

当井下CO浓度超过预警浓度80 ppm时，必须立即通知相关领导。

相关人员接到井下CO浓度预警通知时，必须立即查明原因，按照车辆尾气和煤炭自燃等原因进行分别处理。

4 结论
(1)根据煤炭自燃氧化标志性气体的选取原则，结合煤样程序升温实验结果，选择CO和C2H4作为3号煤层煤炭自燃氧化的标志性气体;C2H6、C2H4/C2H6值作为该煤层煤炭自燃辅助预警指标。

(2)煤样在30℃以后开始出现CO，说明煤已经发生低温氧化反应。

在115℃ ～120℃左右时开始出现C2H4，C2H4气体具有灵敏性、规律性和可测性。

只要检测到C2H4气体，说明此时煤已进入加速氧化阶段。

(3)根据井下具体条件，31301回采工作面回风隅角CO按24 ppm管理，日常管理以50 ppm为限，自燃预警浓度按80 ppm进行管控。

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