煤层自然发火标志气体及临界值确定

第51卷第12期
2020年12月Safety in Coal Mines Vol.51 No. 12 Dec. 2020
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王伟.煤层自然发火标志气体及临界值确定[J].煤矿安全,2020,51 (12) :219-223.
WANG Wei. Ascertainment of Coal Spontaneous Combustion Mark Gas and Critical V alue[j]. Safety in Coal Mines, 2020. 51( 12): 219-223.
煤层自然发火标志气体及临界值确定
王伟I’2,3
(1.煤炭科学研究总院，北京100013;2.煤科集团沈阳研究院有限公司，辽宁抚顺113122;
3.煤矿安全技术国家重点实验室，辽宁抚顺113122)
摘要：以神东矿区5个不同煤层为研究对象，利用程序升温实验优选出神东矿区煤层自然发
火标志气体，得出了不同温度条件下C0产生速率，通过现场测试工作面回风隅角及采空区C O
和02体积分数，划分采空区散热带和氧化带的宽度，建立回风隅角C0指标临界值的计算模型，
最终给出回风隅角C0指标临界值。

结果表明：神东矿区煤层自然发火标志气体为C O、C2H4、
C2H2，可分别作为煤自然发火初期、加速阶段和激烈氧化阶段的标志气体；正常开采条件下，回风
隅角C0指标临界值为90x10'当上升至350X K T6时，采空区遗煤已达临界温度（60〜70尤）。

关键词：自然发火；标志性气体；临界值;C0产生速率；临界温度
中图分类号：T D75+2.2 文献标志码：A文章编号：1003-496X(2020) 12-0219-05
Ascertainment of Coal Spontaneous Combustion Mark Gas and Critical Value
WANG Wei1，2,3
(\.China Coal Research Institute, Beijing100013, China;2.China Coal Technology and Engineering Group Shenyang Research Institute, Fushun113122, China;3.State Key Laboratory o f Coal Mine Safety Technology, Fushun113122, China) Abstract: Based on five seam coal samples from Shendong Mining Area as the study objects, the spontaneous combustion mark gases were optimized using the temperature programming experiment. Meanwhile, the CO gas production rate under different temperature conditions was obtained. The CO and 02volume fraction of return air corner and goaf was tested at the field, and the width of heat dissipation zone and oxidation zone was also divided. The computational model of CO index critical value in return air c omer was established. The study results showed that the mark gas of coal spontaneous combustion in Shendong Mining Area was CO, C2H4and C2H2which can be used as the sign for the coal spontaneous combustion initial stage, the acceleration stage and the intense oxidation stage. The critical value of the CO index in return comer was 90xl0~6. When the CO volume fraction reached 350xl0'6, the gob coal had reached the critical temperature which was 60 ^to 70 Tl.
Key words: spontaneous combustion; mark gas; critical value; CO gas production rate; critical temperature
《煤矿安全规程》(2016)“防灭火”部分增加了 “开采容易自燃和自燃煤层时，必须开展自然发火 监测工作，建立自然发火监测系统，确定煤层自然 发火标志气体及临界值，健全自然发火预测预报及 管理制度”的内容(第二百六十一条)[11。

以连续自动 或人工采样方式监测取自采空区、密闭区、巷道高
基金项目：国家重点研发计划资助项目（2018Y F C0807900);中国煤炭科工集团有限公司科技创新创业资金专项面上资助项目(2018-2-M S016)冒区等危险区域内的气体浓度或温度，可及时反映 相关区域自然发火进程，为矿井防灭火工作提供科 学依据。

由于自然发火而产生或因自然发火而变化 的，能够在一定程度上表征自然发火状态和发展趋 势的火灾气体为标志气体，如C O、烷烃气体、烯烃 气体、炔烃气体等[2_31。

特别需要指出，规程中的“临 界值”是指自然发火标志气体C O的指标临界值，其 与规程第一百三十五条规定的风流中C0浓度限值 有所区别。

C0气体的最高允许浓度0.002 4%是职
•219-
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业健康指标，而非自然发火指标。

目前，学者对此方 面的研究多集中于煤层自然发火标志气体的优化选 择上14<，对自然发火标志气体C0的指标临界值也 多通过实验确定1但是,C O的产生速率和产生量 受煤自身的物理化学性质、氧化环境、地质因素和 采掘因素等干扰，单纯通过实验测试C O临界值是 不全面甚至是不准确的，应建立在大量和长期观测 统计的基础上确定C0临界值。

基于此，根据煤层自 燃具体情况通过实验研究、现场观测和统计分析相 结合的方法对神东矿区部分煤层自然发火标志气体 及临界值加以确定，以期为类似矿井自然发火标志 气体临界值确定提供一种新的方法。

I自然发火标志气体优选
依据G B/T 482—2〇08《煤层煤样采取方法》要 求，采集神东矿区上湾煤矿丨2煤层、大柳塔煤矿22 煤层、哈拉沟煤矿22煤层和榆家梁煤矿52煤层煤 样，并送至实验室进行程序升温实验。

依据G B 474—2008《煤样的制备方法》要求，将采集的煤样制 成粒度250〜180 |x m的实验样品。

依据A Q/T 1019— 2006要求，在煤自然发火气体产物模拟装置上进行 程序升温，优选适用神东矿区煤层的自然发火标志 气体及其指标。

煤样升温过程中各气体体积分数随 煤温升高的变化如图1。

-上湾煤矿12煤
-大柳塔煤矿22煤
-石圪台煤矿31煤
-布尔台煤矿42煤
-榆家梁煤矿52煤,§80000
态60 000
妾：40 000
^20 000
25 75 125 175 225
温度/V
(a)C0
+上湾煤矿12煤
+大柳塔煤矿22煤 1+石圪台煤矿31煤
专布尔台煤矿42煤 釤' ' 榆家梁煤矿52煤/ |250
S150: 25
25 75 125 175 225
温度/X：
(d)C2Hf i
—石圪€煤矿31煤
^t布尔台煤矿42煤
i12。

_+愉家梁煤矿52煤
玄100 000“
^80 000^
^<60 000^
S40 000
20000[
25 75 125 175
温度/尤
(b)C0,
225
25 75 125 175 225
温度/T：
(e ) C,H4
+上湾煤矿12煤
+大柳塔煤矿22煤
+石圪台煤矿31煤
6—布尔台煤矿42煤
+上湾煤矿12煤
+大柳塔煤矿22煤
^ 一-石邊台政士31邊
2布尔台煤矿42煤
鑫+榆家梁煤矿52煤
余15
温度/尤
(f)c2h2
图1升温过程中气体体积分数随煤温升高变化趋势图
F ig. 1C h a n g e tr e n d o f g a s v o lu m e f ra c tio n w ith c o a l te m p e r a tu re ris in g d u r in g h e a tin g p ro c e ss
1.1C O产生规律
煤氧化进程中最早出现的气体产物即为c o,其 贯穿于煤的整个氧化过程中。

由图1(a)可知，C0出现的温度较低，一般为30~40丈，以物理吸附为主，此后随煤温的升高，C0体积分数呈指数上升趋势，由缓慢增加变至急剧增加。

60~70 t时C0生成速 度加快，称为临界温度，此时，煤氧化速度加快，化 学吸附和化学反应逐渐取代物理吸附而占主导地位。

C0体积分数急剧上升的拐点温度在140丈左 右，且呈现单调递增趋势，此后煤氧之间的化学吸 附速度加快，煤氧之间的化学反应随之加快。

C0气体在煤的吸附气体中是不存在的，其是煤 •220-在氧化反应进程中较为敏感的产物，因其灵敏性常 作为检测煤早期自燃的产物，可较好的反映煤的低 温氧化特性。

C0可以作为神东矿区煤层自然发火 标志气体，只要检测到C0持续存在且浓度不断增 加，表明煤已蓄热甚至出现自燃征兆，C0生成量越 大，其发展程度越深，直至产生明火。

但是，神东矿 区煤层C0出现温度低，作为指标气体须从常温即 开始检测，检测范围广，无法准确给出煤自然发火 进程，因此，需要给出C0指标气体临界值，并同时 检测其他气体的生成情况。

1.2C02产生规律
由图1(b)可知，神东矿区各煤层煤样中c o2
出
现的最低温度为30丈，一般在500x10—左右。

在煤 样升温过程中，〇)2体积分数随煤温的变化规律大 致与C0类似，当煤体温度超过60 t以后,(：02生成 量迅速增加，其增长速率比C0的增长速率更大，在 同一温度下，C02的平均浓度是C0的2.5倍左右。

煤的自燃过程中往往产生大量的C02。

由于煤 矿井下C02的来源较多，特别是神东矿区无轨胶轮 车的使用，严重干扰C02作为标志气体的准确性。

此外，c o2本身具有易溶于水、易被固体吸附的特 性，也会对c o2的测定结果造成影响。

因此，c o2可 不作为神东矿区煤层自然发火标志气体。

1.3 烷烃产生规律
煤氧化升温过程中释放的烷烃气体(c h4、c2h6)一般来源于吸附烷烃气体的释放、氧化产生及裂解 产生等。

神东矿区各煤层瓦斯含量较小，但存在高 瓦斯区域(如布尔台煤矿42煤层）。

由图1(c)、图1 (d)可知，除布尔台煤矿42煤层，其余煤层在低温 阶段C H4释放量较小，持续在10x10—以下，直至 120丈以后才略有上升，至160丈以前，其含量不超 过40x l(T•随后有较大幅度增加，浓度也在1 000x 1〇4以下。

C2H6的产生与C H4的产生有相似之处，除 布尔台煤42煤层，其余煤层在低温阶段释放量较小，持续在2x10^以下，直至130 T以后才 略有上升，至160 T以前，其含量不超过10x10'随 后有较大幅度增加，浓度也在200x10—以下。

实验过程中，C H4产生的温度为30~40丈，C2H6产生的温度为50~60尤,在130 t之前，随着煤温的 升高,{^4和(：2队的体积分数缓慢增加，此时，煤吸 附烷烃气体的释放占主导地位，煤氧化所产生的烷 烃气体仅占极小的比例，在130丈之后，(：札和C2H6的生成速率突然升高，主要是煤进入深度氧化阶 段，氧化反应获得足够的热量，煤氧化产生的烷烃 气体量远大于煤吸附烷烃气体的释放量。

基于此，不宜将C H4和C2H6作为自然发火标志性气体，但可 用作辅助性指标以判断煤是否进入深度氧化阶段。

1.4 C2H4产生规律
在煤的吸附气体中无C2H4气体组分，C2H4是煤 氧化自燃发展到一定阶段的产物。

由图1(e)可知，神东矿区煤层C2H4产生的温度为110丈左右，C:H4的产生速率随煤温的上升而呈现单一的递增关系；实验过程中C2H4浓度最高在630x l04左右D C2H4的出现是煤自燃进人加速氧化阶段的标志。

C2H4可作为煤层自然发火标志气体，在现场应 用时，由于C2H4的产生量与煤温的关系不明确，仅C2H4产生的温度有较强的应用价值，即现场检测出
C2H4，表明煤温已超过110 1,煤进入加速氧化阶
段，测点的上风侧或采空区内存自燃火源或高温隐
患，应积极采取防治措施。

1.5 C2H:产生规律
C2H2在矿井中一般都作为煤自然发火重要的标
志性气体，C2H2是煤自燃进入剧烈氧化阶段的产
物。

由图1(f)可知，神东矿区煤层各气体产物中
C2H2出现的时间最晚，出现的温度也最高，为380
丈。

C2H2出现后，煤温相继出现突起的陡峰，表明煤
已进人剧烈氧化燃烧阶段,C2H:的出现是煤自燃进
入燃烧阶段的标志。

与C O和C2H4相比，C2H2出现
的时间最晚，温度最高，在实践中，要充分利用此时
间差，及时采取有效措施对煤自燃进行防控，防止事
故的扩大和二次事故的发生。

1.6自然发火标志气体的确定
基于上述分析，确定神东矿区煤层自然发火标
志气体为C0、C2H4和C2H2。

1) C0可以作为神东矿区煤层自然发火标志气 体,其预测温度范围应在30~ 110丈之间。

但C0出
现的温度较低，仅为30 =€，煤在井下常温环境下即
可缓慢氧化生成C O,且在整个氧化过程中都有C O
产生，因此，仅依靠C0确定自然发火进程是不合理
甚至难以实现，在实际应用中应确定C0指标气体
临界值，综合判断煤自然发火初期的火灾状态。

2) C2H4可以作为预测煤自然发火进入加速阶段 的标志性气体，其预测的温度范围为110~380 X；。

C2H4的出现，即可做出煤已经发生自然发火的预
报，此时采取有效的防灭火措施已迫在眉睫，否则
可能发展为重大火灾事故。

3 )C2H2可作为预测煤自然发火进人激烈氧化阶
段的标志性气体，其预测的温度在380 t以上。

C2H2
出现，意味着煤即将进人或已经进入燃烧阶段，此时
制定和实施防灭火措施需谨慎，避免高温明火引燃
引爆煤尘、瓦斯等使灾害扩大或二次事故的发生。

2采空区C O体积分数现场测试
采用埋管抽气法现场观测采空区气体浓度分
布，为临界值的确定提供依据|91。

在回风巷沿巷道走
向埋设束管，共埋设束管监测点3个，各束管监测点
间距设计为20 tn，预埋束管外套m m钢管对其
进行保护，探头外套小80 m m钢管进行保护。

各监测点利用束管监测系统抽取气样，利用地
面色谱仪分析，分析的气体成分包括02、C0、C02、
•221 •
C H4、C2H4、C2H6、C2H2等。

各煤层工作面采空区C O和 02体积分数变化如图2。

c200 i18〇i r16〇[ ^140 r ;12〇^100
200
J. 180,
C 160[
釤140
汆120
K l〇〇丨
担：80[
C 60
^40
20o
122
CO体积分数20 e
〇2体积分数18 |
16余
14^
50100 150200 250 300
测点与工作面距离/m
(a)上湾煤矿12煤层
CO体积分数20 #
〇2体积分数18翁
050100 150200 250 300
测点与工作面距离/m
(b )大柳塔煤矿22煤层
-CO体积分数^
-〇2体积分数
50100 150200 250 30^
测点勻丁.作面距离/m
(c)石圪台煤矿31煤层
200
^ 6 18°'
11!^
柰余120
笠菡100
造拴80
5 -
2(\)
I22
CO体积分数00
0,体积分数
200
^180,
1^1
10^, i ?9
CO体积分数
〇2体积分数
8%.
50100 150 200250 300
测点与工作面距离/m
(d)布尔台煤矿42煤层
050 100 150 200 250 300
测点与工作面距离/m
(e)榆家梁煤矿52煤层
图2不同煤层工作面采空区C O和02变化趋势图
Fig.2 Change trend of CO and 02in gob of different coal seam working faces
由图3可知，在正常开采过程中，神东矿区煤层 工作面回风隅角C0体积分数为30x l04〜50X10'采空区中C O体积分数在距离工作面50~100 m处 出现最大值，为90x10九190x10'在距离工作面 150 m后C0体积分数基本稳定在60x10*以下。

根 据采空区02体积分数划分采空区自燃“三带”，神东 矿区采空区散热带（02体积分数大于18%)和氧化 带(〇2体积分数在8%~ 18%之间）宽度见表1。

表1神东矿区采空区散热带和氧化带宽度
T able 1W idth of heat dissipation zone and oxidation zone in the gob a re a of Shendong M ining A rea
煤层散热带宽度/m氧化带宽度A n 上湾煤矿12煤40130
大柳塔煤矿22煤25125
石圪台煤矿31煤30132
布尔台煤矿42煤23110
榆家梁煤矿52煤20105
3回风隅角C O指标临界值的确定
工作面正常开采时，回风隅角C O主要来源于 采空区散热带、氧化带内的遗煤氧化、采煤机割煤、无轨胶轮车运输等，其中，采空区散热带、氧化带内 的遗煤低温氧化是其主要来源|W1。

建立回风隅角C0指标临界值预测模型，如式（1)。

C=[K(a L t+/3L2)L H(\-0)v co]V Q(1)
式中：C为C O指标临界值，10、K为修正系 数，取1~1.2,/C值受工作面生产状况、无轨胶轮车 使用数量等影响;a为采空区氧化带内遗煤氧化修 正系数，一般取0.3〜0.4冶为采空区散热带内遗煤 氧化修正系数，一般取〇.8~l;L,、i2为采空区氧化 带、散热带的宽度,为工作面长度,m;//为工作 面采高，m;0为工作面回采率;!；〇)为根据实验确定 的煤体C0产生速率，m L/(m i n*m3);77为工作面漏风 系数，一般取0.06~0.10;(>为工作面风量,m3/m i n。

神东矿区煤层不同温度下C O产生速率见表2。

表2不同温度下C O产生速率
Table 2 C O gas production rate at
different tem peratures
煤层
C0 产生速率/( m L •m i n-1•n T3)
常温(20〜30^)临界温度(60〜70丈)上湾煤矿12煤0.67 2.45
大柳塔煤矿22煤0.58 2.28
石圪台煤矿31煤0.65 2.07
布尔台煤矿42煤0.55 2.12
榆家梁煤矿52煤0.62 2.88根据式（1)，结合表1和表2分别计算的在常温 条件和临界温度条件下C0指标临界值见表3。

•222
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表3不同温度工作面回风隅角CO指标临界值
Table3 Critical value of the C O index in upcast corner at different tem peratures
煤层修正
系数
氧化带
遗煤氧化
修正系数
散热带
遗煤氧化
修正系数
工作面
长度/m
采高/m回采率漏风率
风量
/(m3,m i n-1)
C O指标
临界值(常温
条件)/1〇4
C O指标
临界值(临界温
度条件)/1〇4
上湾煤矿12煤1.150.50.93106.50.90.08220089326大柳塔煤矿22煤1.150.50.93505.20.90.08 1 50086338石圪台煤矿31煤1.150.50.93205.40.90.07 1 90090288布尔台煤矿42煤1.150.50.93405.40.90.06 1 73085326榆家梁煤矿52煤1.150.50.93304.50.90.06 1 70073313
通过工作面回风隅角C O体积分数可对采空区
遗煤氧化程度进行定性分析。

根据表3,神东矿区工作面在正常开采条件下
C0体积分数小于90x10'当C0体积分数上升至
350x10*时，采空区遗煤已达临界温度，采空区遗煤
氧化速度加快，此时必须及时采取防治措施，避免
遗煤进一步氧化。

4结语
1) 神东矿区煤层自然发火的标志气体为C0、
C2H4和C2H2，分别作为煤自然发火初期、自然发火
加速阶段、自然发火激烈氧化阶段的标志气体。

并
给出在常温（20~30 和临界温度（60~70 条件
下C0的产生速率。

2) 通过现场测定，给出神东矿区不同煤层工作 面正常回采条件下回风隅角及采空区的C0体积分
数，并根据〇2体积分数划分了采空区散热带和氧化
带宽度。

3) 正常开采条件下，回风隅角C0指标临界值 为90x10'当回风隅角C0体积分数上升至350x
1〇4时，说明采空区遗煤已达临界温度，必须及时采
取防治措施。

参考文献：
[1]国家安全生产监督管理总局，国家煤矿安全监察局.
煤矿安全规程[M].北京:煤炭工业出版社，2016.
[2]梁运涛.煤炭自然发火预测预报的气体指标法[J].煤
炭科学技术，2008，36( 6): 5-8.
[3]罗海珠，梁运涛.煤自然发火预测预报技术的现状与
展望[J].中国安全科学学报，2003,13(3) :76-78.
[4]秦红星，戴广龙，张树川，等.基于煤低温氧化试验下
的标志气体优选及应用[J].煤炭科学技术，2015,43
(6)： 65-70.
[5]朱令起，周心权，谢建国，等.自然发火标志气体实验分析及优化选择[〗].采矿与安全工程学报，2008,25 (4) =440-443.
[6]余明高，周世轩，褚廷湘，等.立体瓦斯抽采条件下煤
自燃预测预报标志气体的优化选择[J].河南理工大
学学报（自然科学版），2012,31(1):1-5.
[7]邬剑明，彭举，吴玉国.平朔矿区煤自然发火指标气体
选择的试验研究[J].煤炭科学技术,2012,40(2) :67. [8]李耀明.预报煤炭自燃的C0指标气体临界值研究
[J].安徽理工大学学报（自然科学版），20丨1，31(3):
57-61.
[9]齐庆杰，祁s,周新华.供风量对采空区自燃动态影响
及防灭火技术[J].中国安全科学学报，2019,29(4):
120-126.
[10]翟小伟，马灵军，邓军.工作面上隅角C O浓度预测
模型的研究与应用[J].煤炭科学技术，2011，39
(11)：59-62,
作者简介：王伟（1984—），山东新泰人，副研究员，煤 炭科学研究总院在读博士研究生，从事矿井防灭火方面的研究工作。

(收稿日期：2020-05-07;责任编辑：陈洋）
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