煤自燃火災指標氣體預測預報的幾個關鍵問題探討

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煤在氧化升溫過程中，會釋放出CO、CO₂、烷烴、烯烴以及炔烴等指性氣體。這些氣體的產生率隨煤溫上升而發生規律性的變化，能預測和反映煤自然發火狀態。CO貫穿於整個煤自然發火過程中，一般在50℃以上就可測定出來，出現時濃度較高；烷烴（乙烷、丙烷）出現的時間幾乎與CO同步，貫穿於全過程，但其濃度低於CO，而且在不同煤種中有不同的顯現規律；烯烴較CO和烷烴出現得晚，乙烯在110℃左右能被測出，是煤自然發火進程加速氧化階段的標誌氣體，在開始產生時，濃度略高於炔烴氣體；炔烴出現的時間最晚，隻有在較高溫度段才出現，與前兩者之間有一個明顯的溫度差和時間差，是煤自然發火步入激烈氧化階段（也即燃燒階段）的產物。因此，在這一係列氣體中，選擇一些氣體作為指標氣體，以及準確檢測，就能可靠判斷自然發火的征兆和狀態。

1 指標氣體及其選擇

目前，國內外可作為煤自然發指標氣體主要有CO、C₂H₆、CH₄、C₂H₄、C₂H₂、△O₂（△O₂為氧氣消耗量）等及其生成的輔助性指標。早在“七·五”期間，國家攻關項目《各煤種自然發火標誌氣體指標研究》的研究中，對我國各礦區有代表性的煤種進行了自然發火氣體產物的模擬試驗，得出了指標氣體與煤種及煤岩之間的關係。

1）隨著煤種的不同，煤自然發火氧化階段（緩慢氧化階段、加速氧化階段、激烈氧化階段）的溫度範圍、氣體產物和特性都不同；

2）各煤種從緩慢氧化階段的氣體產物優選為靈敏指標的為：褐煤、長焰煤、氣煤、肥煤以烯烴或烷比為首選，以CO及其派生的指標為輔，而焦煤、貧煤和瘦煤則以CO及其派生的指標為首選，C₂H₄或烯烷比為輔；無煙煤和高硫煤唯一依據是CO及其派生指標；

3）C₂H₄可用於氣體03manbetx 法中表征低變質程度煤著火征兆的靈敏指標，同時也可以作為判斷煤自然發火熄滅程度的指標；C₂H₄/ C₂H₂比值可以更準確地表征煤著火溫度的最高溫度點，結合其他參數可用於判斷著火前的時間。

因此，必須充分認識到CO並非唯一的煤自然發火氣體指標。它還有許多不足：檢測溫度範圍極寬；CO產生量同煤溫之間的關係不明確，特別是在現場複雜條件下，受風流、煤體原生氣體組分、測點選擇及生產過程等因素影響，難以確定煤氧化自燃的發展階段，使預測預報的準確率和精度降低。

2 煤自燃指標氣體靈敏度的提高技術

由於指標氣體在井下氣流中不濃度非常小，低於現有檢測儀器的檢測精度，使得某些本應可以有效反映井下煤自燃狀態的指標氣體就可能因檢測不出或測不準而無法利用。采用氣體的吸附與濃縮技術，可提高檢測氣體的靈敏度，改善現有指標氣體預報準確度不高的缺陷。

2.1 氣體的吸附與濃縮原理

利用多孔性吸附介質對煤自燃過程中產生的氣體的選擇吸附性能，對氣體進行吸附濃縮，達到可檢測的目的。可用於氣體吸附的多孔介質種類比較多，但活性炭具有對有機物的吸附效率高、再生能力好、價格低廉等特點，故采用果殼類活性炭作為吸附劑來吸附濃縮煤在自燃升溫過程中釋放的指標氣體。氣體經過活性炭吸附，達到吸附平衡後，可通過加熱解吸再生，解吸時，采用不同的解吸時間，確保吹掃脫附幹淨。

2.2 指標氣體吸附與濃縮規律

2.2.1 烷烴類和烯烴類氣體的吸附與濃縮

實驗研究兗州礦區某煤樣表明，煤溫在低於80℃時，檢測不到任何有機氣體組分。當煤體溫度在110℃以上時，開始檢測到乙烷、乙烯。隨著熱解溫度的進一步提高，烷烴氣體、烯烴氣體的組分數也隨之增加，140℃時開始出現甲烷、丙烷，170℃時出現了丙烯氣體，到了200℃已能檢測到丁烷和戊烷。但經濃縮處理後的指標氣體，50℃時即可檢測到甲烷、乙烷、丙烷及乙烯，80℃時出現了丙烯和異丁烷，110℃時開始檢測到丁烷，170℃時可檢測到的給分數達到最多，可檢測到丁烯和烷的出現。濃縮後，相同溫度下煤氧化分解可檢測到的氣體組分數增多，各組分氣體出現的初始溫度，也都大大降低，如乙烯從未濃縮前的110℃降至50℃，丙烯從170℃降至80℃。可見，濃縮效果明顯，使檢測出指標氣體的初始溫度大大提前，平均提前了90℃左右，極大地提高了各組分氣體檢測的靈敏度，尤其是對低濃度的氣體，其效果更顯著。

2.2.2 乙烷比及其與溫度的變化關係

通過03manbetx 不同煤礦煤樣氧化分解的烴類氣體在35℃下吸附濃縮後的解吸氣在不同溫度下的乙烷比值可以得出，各煤種氧化氣體在35℃下吸附濃縮解吸氣的乙烯/乙烷、丙烷/乙烷、丙烯/乙烷隨氧化溫度的變化情況，與0℃下吸附濃縮解吸氣的各乙烷比隨溫度的變化趨勢一致，都經曆了一個先下降然後又上升的變化過程，在這個變化過程中都有一個轉折點溫度，在這個溫度處各烴類氣體的乙烷比值達到最低點。南屯煤礦煤樣的乙烯/乙烷、丙烷/乙烷、丙烯/乙烷的比值大約在132℃、142℃、138℃左右達到最低點。這是因為在各個轉折點溫度之前，乙烯、丙烷、丙烯的生成速率高於甲烷的生成速率。同樣道理，興隆莊煤礦煤樣的乙烯、丙烷、丙烯與乙烷的比在最低點所對應的溫度分別為142℃、128℃、128℃左右。唐山煤礦煤樣的乙烯、丙烷、丙烯與乙烷的比在最低點對應的溫度分別為140℃、114℃、129℃左右。徐州義安煤礦煤樣的乙烯、丙烷、丙烯與乙烷的比在最低點所對應的溫度分別為171℃、150℃、162℃左右。古交煤礦煤樣的乙烯、丙烷、丙烯與乙烷的比則分別在132℃、132℃、118℃左右的到達最低點。

2.2.3 烯烷比值及其與溫度的變化關係

根據各煤樣氧化分解的烴類氣體在35℃下吸附濃縮後的解吸氣在不同溫度下的甲烷比值及其與溫度的關係，各個煤種的氧化氣體在35℃下吸附濃縮解吸氣的乙烯/乙烷、丙烯/丙烷隨氧化溫度的變化情況，與0℃下吸附濃縮解吸氣的各烯烷比隨溫度的變化趨勢一致，也都經曆了一個先下降然後又上升的變化過程，都有一個轉折溫度，在這個轉折溫度處各烴類氣體的烯烷比值達到最低點。南屯煤礦煤樣的乙烯/乙烷和丙烯/丙烷的值大約在148℃和151℃左右到達最低點。由此可以看出轉折點溫度之前乙烷、丙烷的釋放速率大於乙烯、丙烯的釋放速率，使吸附劑吸附的乙烯、丙烯的量大於乙烷、丙烷的量，所以產生了這種先升後降的變化關係。

因此，判斷井下煤自燃的狀態，關鍵是掌握煤升溫過程中各指標氣體的生成速率與溫度的關係，掌握濃縮後指標氣體生成最、甲烷比、乙烷比、烯烷比與煤體溫度的變化關係，才能可靠的預報煤炭自燃。

3煤炭自燃指標氣體的檢測技術

3.1 人工檢測

人工檢測一直是煤炭自燃指標氣體的主要檢測手段，它是在自燃的危險區域，人工取樣，通過色譜議03manbetx ，給出指標氣體的成分與濃度，以此判斷煤的自燃程度。該法適用性強、投入設備少，簡單易行，但人工取樣工作量大，間隔時間長，不能進行連續實時檢測。

3.2 礦井監測係統

安全與環境監測係統可以連續監測CO、CO₂、O₂等環境參數，根據這些環境參數的變化進行自燃的預報，但是由於傳感器數量種類少、價格昂貴、布置範圍小，沒能充分發揮監測係統用於煤炭自燃預報應有的作用。

束管監測係統是一種有效的專用監測技術，常用的束管監測係統是用聚乙烯管通過地麵抽氣泵將氣體抽到地麵，經氣樣分選器依次將不同測點氣樣送往色譜儀進行03manbetx 。但由於束管監測係統線路長、管理較困難。為改善這一現象，采用計算機技術與氣體分析技術相結合，即用小抽氣泵通過束管抽取取樣點的氣體，通過氣樣傳感器分析氣體成分，並把信號傳輸到地麵計算機對氣體分析數據進行處理並作出預報。

3.3 監測點布置

在自燃火災的監測中，監測點布置至關重要，實踐證明，監測點的布置應按照以下原則進行：

1）預計易發火區域。按照礦井生產環境及煤層自然發火條件，把各危險區域作為監測對象，即根據上述煤炭自燃的時間和空間特性分析布置。

2）測點布置在高負壓區。從全負壓角度考慮，隻要漏風風流經過易燃點，各泄漏通道以負壓最高處最易反映易發火區域的真實情況。

3）提供最佳排除炮煙影響環境。井下放炮產生大量的CO，經過測點時就反映到CO監測儀器上來，給非連續監測帶來困難，因此要設法排除炮煙幹擾。

4）測點具有恒定的漏風量。如果進行相對量監測，漏風量不穩定，監測儀上所反映的數值無法表達發火過程中的真實情況，即使對絕對量進行監測，由於微小風量測算困難，也會造成很大誤差。因此，監測過程中如無特殊需要，盡量不改變通風係統，改變後則要及時調整測點，各參數量重新對比整理。

5）測點應避開溫差自然風壓的影響。如1圖示，當易燃點受下行風流風壓作用時，測點按常規應布置在B處。但當易燃點溫度逐漸升高，由於存在標高差異，溫差自然風壓逐漸增大，此值如果大於全風壓時，B點氣體成分將無法反映易燃點的真實情況。假設在高溫點兩測A、B之間無分支風流，則：h₁=h-h₂式中h₁為漏風風流風壓，h₂為AB間所具有的自然風壓，h為高溫影響下的自然風壓。



圖1

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td="14194"> 監測點布置圖

當h ₁＜0，高溫點漏風風流方向與全風壓風流方向一致，測點可布置在B點。當h ₁＞0時，B點無法觀測災區氣體情況，在這種情況下，應在預計高溫點A、B兩側均設側點，前期可用B測，後期則改用A點進行監測。

4 某礦綜放麵生產期間自燃火災的預測預報及治理

某大型煤礦綜放麵生產期間，采用 安全檢測係統、束管監測係統和和人工檢測的辦法來對自燃火災進行早期的預測預報，並根據預測預報結果進行相應的處理，見表1，表2。

表1 綜放麵上隅角支架後部氣體監測預報表

CO濃度

C₂H₆濃度

C₃H₈濃度

預報結果

處理措施

＜50×10^-6

無

無

正常

（50～500）×10^-6

無

無

采空自燃隱患

查明原因，注膠防火

（500～1 000）×10^-6

無

有

有

無

有

采空區已自燃

采空區已自燃

采空區已自燃

立即注膠滅火

立即注膠滅火

停止生產，立即注膠滅火

（1 000～3 000）×10^-6

有

有

采空區有明火

停止生產，立即注膠滅火

表2 回風流氣體監測預報表

CO濃度

C₂H₆濃度

C₃H₈濃度

預報結果

處理措施

（0～24）×10^-6

（24～100）×10^-6

＞100×10^-6

無

無

無

無

無

無

正常

有自燃隱患

有明火

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td="14194">查明原因，盡快采取注膠防滅火

立即停止生產，查明原因，迅速采取有效防滅火措施

5 結論

指標氣體在煤自然發火狀態的預測預報和該類火災的早期預防方麵有積極的意義，早就被世界各主要采煤國家采用。但由於指標選擇及現有的檢測技術問題，往往不能正常發揮指標氣體的作用。作者結合現場使用情況係統地 總結了“七·五”及其以後我國關於指標氣體研究的重要成果，對指標氣體的選擇有指導性意義。另外，介紹了指標氣體濃縮及其檢測原理和技術，為指標氣體在礦井火災預測預報方麵的應用提供借鑒。

《礦業 安全與環保 》 （許延輝，許滿貴、徐精彩）

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