预测煤自燃的气体分析法判定指标研究现状

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1、http://www.paper.edu.cn预测煤自燃的气体分析法判定指标研究现状本课题得到国家自然科学基金（项目编号：50674088）的资助。戚绪尧1,2，王德明1,21.中国矿业大学安全工程学院，江苏徐州（221008）2.中国矿业大学煤炭资源与安全开采国家重点实验室，江苏徐州（221008）摘要：煤自燃是煤矿开采面临的主要自然灾害，实现其有效预测是煤自燃灾害防治的关键技术之一。本文阐述了预测煤自燃的气体分析法判定指标的种类与实际应用情况，并对主要指标的优缺点进行了分析。认为目前气体分析法的广泛应用对煤自燃灾害的防治起到了积极作用，但由于井下风流及

2、复杂环境的影响，加之当前监测技术手段的限制，气体分析法预测煤自燃的精确性和及时性还有待进一步提高。关键词：煤自燃；预测；气体分析法；指标中图分类号：TD751引言煤自燃是煤矿开采过程中面临的主要自然灾害之一[1-3]。统计数据表明：我国具有自燃倾向性的煤层占开采煤层总数的79.93%[4]，国有重点煤矿可采厚煤层的矿井基本上都存在煤自然发火问题。煤自燃是一个复杂的物理化学过程，其发生要经历准备期和自热期等，处于不同阶段时往往表现出不同的预兆，利用这一特征可以对煤自燃发展阶段进行预测，并根据情况采取不同的治理措施，提高煤自燃防治的有效性。这是煤自燃防治工作的

3、重要环节，《矿井防灭火规范（试行）》要求每一自燃矿井均要及时掌握自然发火动向，建立自然发火观测网，确定自然发火的临界值，对全矿井的自燃危险区域进行系统地、定期地观测，一旦发现某一指标已达到临界值，应迅速作出预报[5]。根据预测原理的不同，现有预测煤自燃的方法可分为直接感觉法、气体分析法、测温法等。煤的自然发火过程可大致分为缓慢氧化阶段、加速氧化阶段和剧烈氧化阶段三个不同的发展阶段，在此期间将会产生CO、CO2、CH4、C2H4、C2H6、C3H8、C2H2等气体，且不同阶段对应着不同的气体产物种类和浓度。气体分析法就是根据煤矿井下某些气体成分的存在及其浓

4、度变化特征来识别煤炭自燃的发生及其发展程度的。由于气体分析法的测试工艺简便易行，测试结果相对可靠，目前已成为煤矿现场应用最为广泛的煤自燃预测方法之一。中国、美国、英国、波兰、印度、日本、俄罗斯等主要产煤国家均对煤氧化自燃过程中的气体产物变化规律进行了系统地研究，并提出了各自的气体分析指标体系。本文将对当前预测煤自燃的气体分析法的判定指标研究现状进行分析。2判定指标的种类总体来看，现有气体分析法的判定指标可分为两类[6]：①煤氧化所产生的气体成分；②-9-http://www.paper.edu.cn煤氧化产生气体的浓度变化或气体之间的比值关系。2.1气体成

5、分2.1.1一氧化碳（CO）一氧化碳在煤氧化自燃过程中出现较早、生成量较大、浓度增长速度也较快，其浓度与煤体温度之间存在明显的对应关系，是煤自燃早期预测非常灵敏的指标气体。英国的张伯伦、加拿大的范恩、日本的田代襄和苏联的邱图等人[7]，曾将不同煤种置于不同的温度下进行氧化实验，并一致认为CO是煤自燃早期预测的良好指标。笔者曾利用自主研制的煤自燃特性测试系统研究了不同煤种氧化产物的变化特性，实验过程如下：将50g粒度为40～80目（0.12~0.42mm）不同变质程度的煤样装入煤样罐，煤样罐置于温度控制箱内，以50ml/min的流量向煤样罐通入干空气，同时温

6、度控制箱按0.8℃/min的升温速率进行程序升温，并利用气相色谱仪对煤氧化产物的成分和浓度进行分析，得到不同煤种CO产生量与煤样温度的关系曲线如图1所示。研究结果表明：在常温下即有CO出现，CO产量随着煤温的升高而增加并呈近似指数关系；煤氧化初始阶段曲线斜率较小，CO增幅不大；当煤样温度达到一定值后，曲线斜率明显变大，CO产生量急剧增加；剧烈氧化阶段CO浓度达到最大值。图1CO气体浓度与煤温度的关系曲线Fig.1Thechangetrend-lineofCOconcentrationwiththetemperaturerising由于CO的初始产生温度比较

7、低，持续温度范围宽，绝对生成量大，只要煤矿井下检测出CO气体持续存在，且浓度不断稳定增加，就可判断此测点风流的上风侧存在高温隐患点或存在自燃火源。CO指标在煤自燃预测方面起到了积极的作用，但是CO的检测温度范围较宽，从常温一直到进入激烈氧化阶段都能够检测到CO，对煤自然发火发展到的阶段较难给出准确的判断。另外，由于煤自燃大部分发生在采空区或煤柱中，受漏风条件的影响极大，这对CO浓度的测定造成了误差，预测的可靠性也相应降低。为了减小这种因素的影响，可以采用CO的绝对生成量作为判定煤自燃发展阶段的指标，相应的计算公式如下：式中，H为CO的绝对产生量，m3/mi

8、n；C为测点气样的CO浓度，10-6；Q为测点的风量，m3/min