3趙各莊礦自然發(fā)火實(shí)驗(yàn)研究和結(jié)果分析

1、3趙各莊礦自然發(fā)火試驗(yàn)研究和結(jié)果分析3趙各莊礦自然發(fā)火實(shí)驗(yàn)研究和結(jié)果分析煤礦井下發(fā)生自然火災(zāi)，根本原因是煤本身具有自燃傾向性。為了探討趙各莊礦 自然發(fā)火規(guī)律，我們分別在主采煤層九煤層和十二煤層采取了 9個(gè)煤樣進(jìn)行了煤層自 燃傾向性實(shí)驗(yàn)和煤的升溫氧化實(shí)驗(yàn)，確定煤層的自燃傾向性等級(jí)和尋找適合該礦煤層 自然發(fā)火預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)的標(biāo)志氣體。3.1煤樣的采取與制備為保證所采取的煤樣新鮮而且具有一定的代表性， 采取煤樣時(shí)需按照以下采樣方 案執(zhí)行：（1）煤樣必須由受過(guò)專門(mén)訓(xùn)練的采樣人員采?。唬?）在所有煤層和分層的采煤工作面或掘進(jìn)工作面采取有代表性的煤樣；（3）在地質(zhì)構(gòu)造復(fù)雜、破壞嚴(yán)重（如有褶曲、斷層及巖漿侵入等）

2、地帶，或煤 巖組分在煤層中分布明顯（如明顯有鏡煤、亮煤、絲炭黃鐵礦夾矸等）時(shí)，應(yīng)分別加 采煤樣，并描述采樣點(diǎn)狀態(tài)；（4）在采掘工作面采樣時(shí)，先把煤層表面受氧化的部分剝?nèi)?，再將底板清理干凈，鋪上帆布或塑料布，然后沿工作面垂直方向劃兩條線，線間寬度 100150mm, 在兩線間采下厚50mm的初采煤樣；將初采煤樣打碎至小于 2030mm粒度，混合均 勻依次按圓錐縮分法，縮至2.0kg，裝入鐵筒（或厚塑料密封袋）內(nèi)封嚴(yán)運(yùn)送實(shí)驗(yàn)室。（5）采樣時(shí)，矸石或夾石不得混入煤樣中；（6）每個(gè)煤樣必須備有兩張標(biāo)簽，一張放在裝煤樣的容器內(nèi)，一張貼在容器外， 按下列要求填寫(xiě)，字跡清楚： 煤樣編號(hào)； 送樣礦、郵編及聯(lián)系

3、人姓名； 煤層名稱； 煤種（按國(guó)標(biāo)分類）； 煤層厚度； 煤層傾角； 采煤方法（掘進(jìn)面示明掘進(jìn)方法）； 經(jīng)驗(yàn)自然發(fā)火期（給出礦經(jīng)驗(yàn)統(tǒng)計(jì)值）； 采樣地點(diǎn)； 米樣人、米樣日期。（7）隨同煤樣必須給出采樣地點(diǎn)地質(zhì)柱狀圖，并說(shuō)明煤層地質(zhì)生成年代、距地表深度、采樣地點(diǎn)暴露于空氣中的時(shí)間，同時(shí)指明是否是從斷層、褶曲等地質(zhì)構(gòu)造附 近采的煤樣。（8）煤樣應(yīng)在采樣后15天內(nèi)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。煤樣采集概況見(jiàn)表3-1。將所采取的樣品用破碎機(jī)粉碎均勻后，用標(biāo)準(zhǔn)篩篩分至6080目和120目以下的煤粉置于廣口瓶中密封保存，留作實(shí)驗(yàn)測(cè)定用。表3-1采樣地點(diǎn)概況表編號(hào)采 樣 地 點(diǎn)所屬煤層翼別采煤方法煤種發(fā)火期12337西卡根提起10

4、米東幫十二（二）煤層西翼長(zhǎng)壁肥煤68個(gè)月21337上山十二（二）煤層西翼長(zhǎng)壁肥煤68個(gè)月31420迎頭中部十二（二）煤層?xùn)|翼長(zhǎng)壁肥煤68個(gè)月42132西三面十二（一）煤層?xùn)|翼長(zhǎng)壁肥煤68個(gè)月55193東下面運(yùn)輸?shù)谰琶簩游饕淼販蠚饷?12個(gè)月62597東上面九煤層西翼長(zhǎng)壁肥煤812個(gè)月71490卡根300m眼西順槽迎頭九煤層?xùn)|翼長(zhǎng)壁肥煤812個(gè)月812東2石門(mén)正峒九煤層?xùn)|翼長(zhǎng)壁肥煤812個(gè)月91097東下溜子道九煤層西翼落垛肥煤812個(gè)月3.2煤自燃傾向性實(shí)驗(yàn)2830本實(shí)驗(yàn)主要通過(guò)對(duì)煤在低溫常壓下對(duì)氧（99.99% ）的吸附量的測(cè)試，根據(jù)吸氧量 的大小來(lái)鑒定趙各莊礦各主采煤層的自燃傾向性等級(jí)，為

5、研究該礦的自然發(fā)火規(guī)律提供理論上的依據(jù)。實(shí)驗(yàn)用的主要部分儀器采用煤炭科學(xué)總院撫順?lè)衷貉兄频摹癦RJ1型煤自燃傾向性測(cè)定儀”。實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)由標(biāo)準(zhǔn)柱恒溫箱、檢測(cè)器及其恒溫箱、氣路控 制系統(tǒng)、電氣控制單元等部分組成，實(shí)驗(yàn)對(duì)采自不同地點(diǎn)不同煤層的煤樣進(jìn)行吸氧量 測(cè)試及數(shù)據(jù)采集。實(shí)踐證明，煤的自熱首先開(kāi)始于吸附空氣中的氧氣。當(dāng)煤中不含或含少量硫化礦物時(shí)，其自燃主要表現(xiàn)為煤自身吸附空氣中的氧而開(kāi)始的自熱過(guò)程。煤的隨后氧化過(guò)程正是開(kāi)始于這種吸附氧以后的表面反應(yīng)，煤最初的吸氧特性反應(yīng)了有關(guān)煤自熱的某 些特性，煤吸附氧特性的參量主要有：吸附氧量、吸附環(huán)境溫度和吸附過(guò)程參量。研究固體（煤）對(duì)氣體（氧氣）的吸附性質(zhì)，其

6、吸附等溫線是一個(gè)基本的參量。 吸附等溫線的測(cè)定，也就是在一定的恒溫下，對(duì)給定的吸附劑和吸附質(zhì)測(cè)定其與一系 列相對(duì)壓力相對(duì)應(yīng)的吸附量。由于氣相色譜技術(shù)的發(fā)展，吸附量可以轉(zhuǎn)化為譜峰來(lái)測(cè) 量。在本實(shí)驗(yàn)中，吸附方式采用的是流動(dòng)的吸附劑（氧氣），為此吸附平衡氣壓力的 變化是采用改變吸附氣（氧氣）與平衡氣（氮?dú)猓┑姆謮罕葋?lái)實(shí)現(xiàn)的。在與大氣壓平 衡的情況下，兩種氣體的百分濃度之比即分壓之比， 而在色譜氣路固定時(shí)，兩種氣體 流速之比亦即為濃度之比。因此，只要調(diào)整兩種氣體的流速，即能得到不同分壓下的 吸附量，而當(dāng)吸附平衡后，流出的氣體發(fā)生了變化，色譜峰由熱導(dǎo)檢測(cè)器檢測(cè)出峰面 積。大量的試驗(yàn)研究表明，煤在低溫常壓

7、下對(duì)氧的吸附符合郎格繆爾方程的吸附規(guī) 律，在實(shí)驗(yàn)中應(yīng)滿足下述條件：固體表面是均勻的，也即對(duì)某一單一組分的煤?？?以認(rèn)為其表面是均勻的。因此，將每個(gè)單一組分的顆粒的Langmuir吸附量疊加，可使煤的吸附從總體上符合Langmuir吸附規(guī)律；被吸附分子間沒(méi)有相互作用力； 吸附為單分子吸附；在一定條件下，吸附和脫附之間可以建立動(dòng)態(tài)平衡。從而可以 按單分子層吸附理論推出的Langmuir吸附方程：2e akTp 1 亙e akTpaa式中： 一一覆蓋的表面積百分?jǐn)?shù)；a,a比例系數(shù)；a 吸附熱；k玻耳茲曼常數(shù)；p氣體的壓力；T溫度；計(jì)算吸附量。測(cè)定條件：煤樣粒度：w 0.15mm；煤樣重量：（1 0.

8、0001） g；載氣：N2 （純度不低于99.95%）;吸附氣：02（純度不低于99.95%）；載氣流速：（30 0.5）ml/分鐘；吸附氣流速：（20土 0.5）ml/分鐘；熱導(dǎo)溫度：85C；橋絲溫度：70 C；吸附、脫附溫度：30C；吸附時(shí)間：20mi n。用制備好后的粒度為120目以下的煤樣進(jìn)行各項(xiàng)基礎(chǔ)參數(shù)的測(cè)試及吸氧量的測(cè) 定。實(shí)驗(yàn)流程圖見(jiàn)圖3-1所示。通過(guò)對(duì)煤樣進(jìn)行氧氣的吸附和脫附，經(jīng)熱導(dǎo)檢測(cè)器檢 測(cè)其變化，由打印機(jī)打印出色譜峰，及色譜峰面積。在進(jìn)行煤樣的基礎(chǔ)參數(shù)測(cè)試前， 要將煤樣進(jìn)行空氣干燥2小時(shí)。n煤樣吸附氧的實(shí)驗(yàn),得到脫附峰面積煤樣脫水處理煤樣真比 重的測(cè)定35計(jì)算煤樣的吸氧量

9、并進(jìn)行分類圖3-1煤自燃傾向性實(shí)驗(yàn)流程圖通過(guò)對(duì)煤樣的基礎(chǔ)測(cè)試結(jié)果與煤樣吸附氧氣的色譜峰面積即可計(jì)算出各煤樣的吸氧量。計(jì)算按下式進(jìn)行:VdKRc1 S11 Rc1 s 1W02 Rc2d 0V11(1 Wf)W。式中：K儀器常數(shù)，分/積分示值；Rc1實(shí)管載氣流速，ml/min ；Rc2空管載氣流速，ml/min ;a 1實(shí)管時(shí)氧氣在混合氣中的體積百分比; a 2空管時(shí)氧氣在混合氣中的體積百分比;do煤樣比重，g/ml ；Vi樣品管體積，ml;Wo煤樣重量，g;Wf煤樣水分，%;51 實(shí)管峰面積，積分示值；52 空管峰面積，積分示值；由計(jì)算出的煤在低溫常壓下的吸氧量，并根據(jù)煤礦安全規(guī)程中的煤自燃傾

10、向 性分類表（表3-2）的規(guī)定，鑒定出煤層的自燃傾向性59o表3-2 煤自燃傾向性分類表（褐煤、煙煤類）自燃等級(jí)自燃傾向性30E常壓煤的吸氧量cm3/g,干煤備注I容易自燃 0.71n自燃0.41 0.70不易自燃111111譜柱2分析系統(tǒng)轉(zhuǎn)化爐多路采樣器332實(shí)驗(yàn)條件氧化爐：圖3-2實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖樣品重量一一2g樣品粒度一一6080目升溫速率1.5C /min氣相色譜儀： 柱箱溫度一一95 C熱導(dǎo)溫度一一100C汽化溫度一一150 C轉(zhuǎn)化溫度一一360C橋絲溫度130 CTCD載氣H2純度99.98%FID N2 純度 99.99%H2 純度 99.98%空氣盡量純（除去微量有機(jī)物）3.3

11、.3氣相色譜儀的工作原理414748氣相色譜法是以氣體作為流動(dòng)相的色譜法，各種色譜儀的分離原理大致相同，即當(dāng)被分離的物質(zhì)組分在流動(dòng)相載氣如N2、H2等惰性氣體的攜帶下，通過(guò)一個(gè)裝有固定相（或是具有活性的吸附劑或是在固定惰性膽體涂有固定劑的填充物）的填充柱時(shí)，利用被分離物質(zhì)在色譜柱內(nèi)兩相之間分配系數(shù)不同，經(jīng)過(guò)多次反復(fù)分配之后， 分配系數(shù)較?。丛诠潭ㄏ嗌媳晃交蛉芙饬^?。┑慕M分，首先被載氣帶出色譜柱，分配系數(shù)大的組分則遲被帶出色譜柱。 經(jīng)過(guò)一定時(shí)間即通過(guò)一定量的載氣后， 試樣中 的各個(gè)組分就彼此分離，而先后流出色譜柱。本實(shí)驗(yàn)所采用的是 GC-4000型微機(jī)化氣相色譜儀。GC-4000型微機(jī)化氣

12、相色譜 儀的分析單元主要由色譜柱恒溫箱、熱導(dǎo)檢測(cè)器恒溫加熱塊、氣化室加熱塊和轉(zhuǎn)化爐 等四部分組成。氫火焰離子化檢測(cè)器放在汽化室恒溫加熱塊上。因儀器是雙流路，所以分析單元中兩個(gè)汽化室安裝在同一加熱塊上。熱導(dǎo)檢測(cè)器（TCD）是目前氣相色譜儀上應(yīng)用最廣泛的一種通用型檢測(cè)器。它結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，穩(wěn)定性好，靈敏度適宜，線性范圍寬，對(duì)所有被分析物質(zhì)均有響應(yīng)，而且不 破壞樣品，多用于常量分析。TCD的工作原理為當(dāng)載氣混有被測(cè)樣品，由于熱導(dǎo)系 數(shù)不同，破壞了原有熱平衡狀態(tài)，使熱絲溫度發(fā)生變化，隨之電阻也就改變，電阻值 的變化可以通過(guò)惠斯登電橋測(cè)量出來(lái)，所得電信號(hào)的大小與組分在載氣中的濃度成正 比，經(jīng)放大后，記錄下來(lái)作

13、為定性定量的依據(jù)（色譜圖）。氫火焰離子化檢測(cè)器（FID ）是對(duì)有機(jī)物敏感度很高的檢測(cè)器，由于它具有響應(yīng) 的一致性，線性范圍寬，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，對(duì)溫度不敏感等特點(diǎn)，所以FID對(duì)有機(jī)物進(jìn)行微量分析時(shí)應(yīng)用得非常廣泛。FID在工作時(shí)需要載氣、氫氣和空氣。當(dāng)氫氣在空氣中燃 燒時(shí)，火焰中的離子很少，但如果有碳?xì)浠衔锎嬖跁r(shí)，離子就大大增加。當(dāng)從柱后 流出的載氣和被測(cè)樣品用氫氣混合在空氣中燃燒時(shí)，有機(jī)化合物被電離成正負(fù)離子， 正負(fù)離子在電場(chǎng)的作用下就產(chǎn)生了相對(duì)燃燒物質(zhì)量的電流，這個(gè)電流經(jīng)微電流放大器放大后，可用記錄儀或數(shù)據(jù)處理機(jī)記錄下來(lái)作為定性定量的依據(jù)一一色譜圖。3.3.4實(shí)驗(yàn)方法取粒度為6080目的煤樣2.0

14、00g放入氧化爐中，緊固好后，調(diào)節(jié)好空氣流量， 打開(kāi)控溫儀，將升溫速率設(shè)定為1.5C /min。準(zhǔn)備好后，即可升溫氧化，溫度每升高1015C取氣樣一次，用氣相色譜儀進(jìn)行各氣體組分 （N2、02、CO、CO2、CH4、C2H6、 C3H8、C2H4、C3H6、i-C4H10、n-C4H10、C2H2）分析。分析氧氣、氮?dú)鈺r(shí)用氫氣作載 氣，分析烴類氣體及一氧化碳、二氧化碳時(shí)用氮?dú)庾鬏d氣。分離后的氣體組分由A4800 色譜數(shù)據(jù)工作站進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，得到氣體含量報(bào)告。3.4實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析3.4.1煤層自燃傾向性的鑒定32354546煤的自燃傾向性是煤的一種自然屬性，它取決于煤在低溫下的氧化能力，并同時(shí) 受

15、到煤的變質(zhì)程度、煤的水分、煤的含量、煤的粒度、煤的瓦斯含量、煤的孔隙度、 導(dǎo)熱性等因素的影響，是煤層發(fā)生自燃的基本條件。所以，鑒定煤的自燃傾向性對(duì)煤 的早期自然發(fā)火預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)技術(shù)的研究至關(guān)重要。趙各莊礦各煤樣的基礎(chǔ)參數(shù)分析結(jié)果和吸氧量計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表3-3 o表3-3趙各莊礦自燃傾向性鑒定結(jié)果統(tǒng)計(jì)表編號(hào)煤層名稱工業(yè)分析真比重g/ml吸氧量ml/g干煤分類水分%灰分%揮發(fā)份%全硫%趙1122.1027.0134.841.251.49620.5062n趙2123.3018.7435.151.151.46450.5579n趙3122.269.7627.862.481.38290.5509n趙4121.16

16、9.8332.631.491.30760.5348n趙591.6816.9436.950.431.31360.5446n趙691.3614.5134.890.571.43330.6187n趙791.0317.5426.810.331.42590.6239n趙890.9414.2927.770.351.45380.4153n趙991.4924.7830.010.351.55290.5091n煤自燃的發(fā)生和發(fā)展，是很多因素共同影響，相互作用的結(jié)果。這些因素包括內(nèi) 在因素和外在因素，而且在某些情況下，外在因素起著至關(guān)重要的作用，它在很大程 度上是可以由人來(lái)控制的。煤的自燃傾向性是煤的一種自然屬性。

17、它取決于煤在常溫 下的氧化能力，是煤層發(fā)生自燃的基本條件。而在生產(chǎn)過(guò)程中，一個(gè)煤層的自燃的狀 況并不完全取決于煤的自燃傾向性，在一定程度上還受煤層的地質(zhì)賦存條件、開(kāi)拓、 開(kāi)采和通風(fēng)條件等的影響。自然火災(zāi)的形成必須具備以下三個(gè)基本條件：(1) 、具有低溫氧化特性即自燃傾向性的煤呈碎裂狀態(tài)堆積存在；(2) 、通風(fēng)供氧維持煤的氧化過(guò)程不斷發(fā)展；(3) 、在煤的氧化過(guò)程中生成的熱量大量蓄積，難以及時(shí)放散。九煤層自燃傾向性等級(jí)為U類自燃煤層，因而只要具備自燃的條件即可發(fā)生自 燃。九煤層為單一厚至中厚煤層，煤呈碎塊狀、粉未狀，煤體較為破碎，易于吸氧蓄 熱。趙各莊礦煤層地質(zhì)條件復(fù)雜，斷層較多，在斷層附近，煤

18、體松軟破碎，并會(huì)伴生 一些小構(gòu)造，這會(huì)增加煤的自燃危險(xiǎn)性。該礦現(xiàn)開(kāi)采深度已超過(guò)1000米，地壓大，因此煤層頂?shù)装?、煤柱因受力裂隙發(fā)育，使得空氣進(jìn)入煤體，產(chǎn)生緩慢氧化，隨著氧 化過(guò)程的加深，易于出現(xiàn)自燃現(xiàn)象。九煤層頂板為灰白色礫粗砂巖，高嶺石膠結(jié)，易 風(fēng)化，容易形成大面積懸頂，掘進(jìn)巷道因頂板易風(fēng)化而容易變形，因此，需要加強(qiáng)頂 板的管理，防止頂板發(fā)生抽冒，引起浮煤吸氧蓄熱氧化而發(fā)生自燃。十二煤層自燃傾向性等級(jí)為U類自燃煤層，因而只要具備自燃的條件即可發(fā)生自 燃。十二煤層頂板為腐泥質(zhì)粘土巖，節(jié)理發(fā)育，破碎，易冒落，加之開(kāi)采深度的增加， 地應(yīng)力加大，造成頂板管理困難，易于出現(xiàn)浮煤，為自燃的發(fā)生創(chuàng)造了條

19、件。十二煤 層為厚煤層，采用分層開(kāi)采，也會(huì)較易出現(xiàn)遺煤。在最近幾年曾多次出現(xiàn)高溫點(diǎn)，1437、 2132工作面發(fā)生煤層自燃，說(shuō)明十二煤層確實(shí)具有自燃的危險(xiǎn)性。分析2132工作面的賦存情況，2132工作面F4、F3兩斷層的落差較大，在斷層帶及其附近及頂板因受 力，裂隙發(fā)育，松軟破碎，并會(huì)伴生一些小構(gòu)造，所以施工過(guò)程中，在接近和過(guò)斷層 時(shí)頂板易于塌冒，在冒頂區(qū)，空氣易于進(jìn)入浮煤內(nèi)，造成煤體氧化，生成的熱量又不 容易散發(fā)出去，從而蓄熱，促進(jìn)煤體進(jìn)一步氧化，最后，如果生成的熱量不能及時(shí)散 發(fā)出去，就會(huì)造成自燃的發(fā)生。因此，在開(kāi)采十二煤層時(shí)，需要注意頂板的管理工作， 同時(shí)，加強(qiáng)通風(fēng)管理，防止風(fēng)量過(guò)小，造

20、成浮煤蓄熱而引起自燃。通過(guò)對(duì)趙各莊礦第九煤層和十二煤層進(jìn)行自燃傾向性鑒定與實(shí)際自燃發(fā)火情況 的對(duì)比分析，可以得到以下結(jié)論：(1) 趙各莊礦九煤層和十二煤層均屬于u類自燃，即只要存在煤自燃的三個(gè)條件，就會(huì)導(dǎo)致煤層自然發(fā)火。(2) 煤層的自燃還與地質(zhì)斷層和通風(fēng)不良的影響有關(guān)，所以在今后生產(chǎn)中一定 要加強(qiáng)頂板的管理，保持良好的通風(fēng)條件。尤其是十二煤層在開(kāi)采過(guò)程中，改進(jìn)采礦 方法，盡量減少遺煤。342煤層自然發(fā)火預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)標(biāo)志氣體的優(yōu)選36 44342.1標(biāo)志氣體選擇的依據(jù)選擇適當(dāng)?shù)臉?biāo)志氣體是應(yīng)用氣體分析法進(jìn)行煤自燃早期預(yù)報(bào)的前提，而適當(dāng)?shù)臉?biāo)志氣體一般認(rèn)為應(yīng)具備以下幾個(gè)基本特征：(1) 靈敏性。當(dāng)煤發(fā)生

21、自熱且煤溫升高到一定程度時(shí)，該氣體一定會(huì)出現(xiàn)，并隨著煤溫的升高其生成速率穩(wěn)定增加；(2) 規(guī)律性。在一定區(qū)域范圍內(nèi)的各煤樣在熱解時(shí)，出現(xiàn)該氣體的最低溫度基 本相同，其生成速率的變化與煤溫之間有較好的對(duì)應(yīng)關(guān)系且重復(fù)性較好；(3) 可測(cè)性?，F(xiàn)有檢測(cè)儀器能夠檢知并能滿足檢測(cè)要求。除以上三個(gè)基本特征外，作為適當(dāng)?shù)臉?biāo)志氣體還應(yīng)具備以下兩個(gè)特征，即：煤吸附率低和風(fēng)流中原始含量低。煤吸附率低是為了保證不會(huì)因標(biāo)志氣體在流動(dòng)過(guò)程中被 煤大量吸附，而影響檢測(cè)。如撫順老虎臺(tái)礦煤層的氣煤，由于對(duì)丙烷和乙烷的吸附能 力強(qiáng)，若以此作為標(biāo)志氣體，很難保證預(yù)報(bào)精度。風(fēng)流中的原始含量低是指除煤自熱 外沒(méi)有其它原因使風(fēng)流含有所要

22、采用的標(biāo)志氣體，以免對(duì)預(yù)測(cè)結(jié)果產(chǎn)生干擾。如神東礦區(qū)的大柳塔礦，由于特殊的生產(chǎn)條件，即便沒(méi)有煤自熱，風(fēng)流中也經(jīng)常含有一定濃 度的CO,顯然這種情況下若僅以CO作為標(biāo)志氣體將不利于對(duì)自燃過(guò)程的準(zhǔn)確預(yù)報(bào)。除上述之外，在選擇標(biāo)志氣體時(shí)還應(yīng)注意對(duì)煤自燃解吸氣體和煤自燃氧化氣體加 以區(qū)別對(duì)待。自燃解吸氣體是指原本就吸附于煤孔隙表面，因煤升溫而解吸出來(lái)的氣 體，其主要成分是CH4和CO2,還有少量的烷烴氣體。煤自燃氧化氣體是指煤和空氣 發(fā)生氧化作用分解出來(lái)的氣體，包括 CO、CO2、及CH4、C2H6、C3H8、C4H10、C2H4、 C3H6、C2H2等烴類氣體。一般來(lái)說(shuō)，烯烴和炔烴及一氧化碳是煤氧化反應(yīng)

23、產(chǎn)生的， 它們的產(chǎn)生是直接與煤溫和煤質(zhì)相關(guān)的。而 CH4和CO2等既可能是由煤中解吸出來(lái)的，也可能是由于氧化產(chǎn)生的，它們的產(chǎn)生既受煤質(zhì)和煤溫的影響， 也受煤對(duì)這些氣 體原始吸附量的影響，因而可能具有較強(qiáng)的區(qū)域性 5658。在選擇標(biāo)志氣體時(shí)必須針 對(duì)具體礦（區(qū)）進(jìn)行專門(mén)的實(shí)驗(yàn)研究，不能簡(jiǎn)單照搬其它礦（區(qū)）的結(jié)論。342.2趙各莊礦標(biāo)志氣體的選擇趙各莊礦是一個(gè)百年老礦，自然發(fā)火嚴(yán)重。該礦目前采用氣體分析方法來(lái)進(jìn)行自 然發(fā)火的預(yù)測(cè)，但是對(duì)于用何種氣體作為標(biāo)志氣體以及采用何種有效的預(yù)測(cè)手段，沒(méi)有作過(guò)系統(tǒng)的研究，至今也不明確。通過(guò)此次煤的氧化升溫試驗(yàn)，將能夠解決此問(wèn)題。附表1表19是實(shí)驗(yàn)所得數(shù)據(jù)。同時(shí)為

24、了更好地選擇標(biāo)志氣體，還進(jìn)行了格 拉哈姆系數(shù)、鏈烷比、烯烷比的計(jì)算，結(jié)果如附表2: 19所示。為了進(jìn)一步的分析， 把實(shí)驗(yàn)所得的九個(gè)煤樣數(shù)據(jù)做成以溫度為橫坐標(biāo)，各氣體濃度或比值為縱坐標(biāo)的曲 線，各曲線圖見(jiàn)附錄Ao)mPP(5 04 54 03 53 02 52 0C 1 51 050T5 01 0 01 5 02 0 02 5 03 0 0圖3-3各煤樣CH濃度與煤溫關(guān)系（1）甲烷：趙各莊礦是一個(gè)高瓦斯礦井，在生產(chǎn)過(guò)程中，始終能檢測(cè)到甲烷（CH4）的存在，礦井中的甲烷氣體主要是在成煤時(shí)期吸附形成的， 所以低溫時(shí)甲烷氣體主要 是解吸產(chǎn)物。隨著煤溫度的升高，空氣中的氧與煤發(fā)生氧化反應(yīng)生成甲烷，由圖3

25、-3可以看出，各煤樣甲烷生成量總的趨勢(shì)是增加的， 但在此過(guò)程中很難分辨出甲烷是煤 氧化產(chǎn)生物還是煤脫附產(chǎn)物，所以在這里不把甲烷作為標(biāo)志氣體。（2）一氧化碳（CO）:趙各莊礦近幾年的氣樣檢測(cè)表明了在正常生產(chǎn)中，井下沒(méi)有發(fā)現(xiàn)CO的存在，只是在煤層中出現(xiàn)了高溫點(diǎn)時(shí)，才檢測(cè)出了 COo說(shuō)明了 CO 主要是煤自燃氧化的產(chǎn)物，并對(duì)煤的自燃氧化表現(xiàn)了很高的靈敏性。 通過(guò)此次對(duì)所采九個(gè)煤樣的氣樣分析，如圖3-4,也可以看出CO的含量隨溫度的升高，表現(xiàn)出了極強(qiáng)的規(guī)律性，有著良好的指數(shù)對(duì)應(yīng)關(guān)系。所以，CO可作為該礦的標(biāo)志氣體。OO57m PPOOO765006000550050004500400035003000

26、25002000150010005005000度濃OC5 01001502 0 02 5 03 0 03 5 04 0 0溫度 (C )圖3-4各煤樣CO濃度與煤溫關(guān)系（3）二氧化碳（CO2）：由圖3-5可以看出，CO2的含量隨溫度升高總體上呈現(xiàn) 上升趨勢(shì)，且變化趨勢(shì)與 CO基本相同，都5是在180C以后，濃度發(fā)生急劇變化。 但是CO2易受井下外界環(huán)境的影響。井下風(fēng)流中的CO2、炮眼中的CO2、以及井下酸 性水與碳酸鹽的反應(yīng)生成的 CO2,都會(huì)使得無(wú)法判別氣樣中的 CO2是否是由煤氧化產(chǎn) 生的。因?yàn)镃O2變化趨勢(shì)與CO相同，所以在檢測(cè)CO的同時(shí)，可以檢測(cè)CO2，并根 據(jù)它的濃度變化，對(duì)CO的預(yù)

27、測(cè)結(jié)果加以印證，但不能把它作為標(biāo)志氣體。410860) m圖3-5各煤樣CO濃度與煤溫關(guān)系（4）烷烴：除了甲烷氣體，在趙各莊礦日常氣樣檢測(cè)報(bào)告中，都沒(méi)發(fā)現(xiàn)其它烷烴的存在。在這次的煤的氧化升溫試驗(yàn)中，各個(gè)煤樣在煤溫達(dá)到100C左右時(shí)，開(kāi)始出現(xiàn)乙烷（C2H6）,隨煤溫的升高，有的煤樣還出現(xiàn)了丙烷（C3H8）和丁烷（i-C4Hi0和N-C4H10）。由曲線圖3-6可以看出，乙烷的出現(xiàn)及其隨溫度變化，表現(xiàn)出了很強(qiáng)的 規(guī)律性，而丙烷和丁烷只是某些氣體偶然可見(jiàn)， 不符合作指標(biāo)氣體的要求，所以只選 用已烷作為標(biāo)志氣體。（5）烯烴：此次氧化試驗(yàn)中，共檢測(cè)出了兩種烯烴：乙烯（C2H4）和丙烯（C3H6） 氣體。

28、由所得數(shù)據(jù)和作圖曲線分析，乙烯（C2H4 ）的出現(xiàn)及濃度隨溫度變化出現(xiàn)了很 強(qiáng)的規(guī)律性。乙烯（C2H4）與煤溫之間的關(guān)系明確而又簡(jiǎn)單，環(huán)境條件對(duì)乙烯產(chǎn)生的 影響又小，所以采用乙烯作為標(biāo)志氣體。而丙烯在各煤樣出現(xiàn)的溫度差別較大， 規(guī)律 也不明顯，所以不選用作為標(biāo)志氣體。5 01001502 0 02503 0 03504 0 0溫度 （C ）)mpp度濃6 H2 C圖3-6各煤樣C2f濃度與煤溫關(guān)系)mpp度濃4 H2 C圖3-7各煤樣C2Hk濃度與煤溫關(guān)系（6）格拉哈姆系數(shù)（CO/A 02）:由曲線圖3-8可以看出，格氏系數(shù)（CO/A O2）隨煤體溫度的升高呈現(xiàn)先升高再降低的趨勢(shì)，并且在180

29、C左右急劇增加，表明CC的濃度大大增加，氧化加劇。在 200r左右達(dá)到最大值，隨后隨溫度增加而下降，說(shuō) 明部分的CC與02反應(yīng)生成了 CC2,所以使得CC/A02的值降低，也進(jìn)一步說(shuō)明了煤 的氧化程度加劇。但是在實(shí)際生產(chǎn)中，02的變化比較復(fù)雜，所以不能把它作為標(biāo)志 氣體。(7)鏈烷比：在試驗(yàn)過(guò)程中，只有甲烷和乙烷穩(wěn)定地出現(xiàn)，可用的鏈烷比指標(biāo) 只有C2H6/CH4。由曲線圖3-9可以看出，各個(gè)煤樣的C2H6/CH4-溫度曲線所表現(xiàn)的規(guī) 律不是很明顯，波動(dòng)較大，又因?yàn)樵摰V是高瓦斯礦井，CH4的性質(zhì)無(wú)法確定，所以這里不選用C2H6/CH4作為標(biāo)志氣體。20 AOC圖3-8各煤樣CO/AC2與煤溫關(guān)系

30、度505 0 5 0 5 0 53 3 2 2 1 1 0 0 O-4 H C/6 H2 C圖3-9各煤樣GH/CH4與溫度關(guān)系(8)烯烷比(C2H4/C2H6):因?yàn)橐蚁┖鸵彝槎茧S煤溫的升高表現(xiàn)了很強(qiáng)的規(guī)律6 H2 P4 H2C性，經(jīng)作圖分析，如圖3-10, C2H4/C2H6指標(biāo)與煤氧化升溫過(guò)程有著良好的對(duì)應(yīng)關(guān)系, 而且該指標(biāo)能夠消除風(fēng)流的影響，因此采用該指標(biāo)作為該礦的標(biāo)志氣體。 鼻*麗屮片椚5.5-5 . 0.4.5.4 . 03 . 5匚3.0.2 . 5_2 5 03 0 03 5 04 0溫 度 （C ）圖3-10各煤樣GH/Qr比值與煤溫關(guān)系3.4.2.3各標(biāo)志氣體與煤溫的變化關(guān)

31、系通過(guò)對(duì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)作圖分析，適合于趙各莊礦煤炭自然發(fā)火早期預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)的標(biāo)志氣體為CO、C2H6、C2H4和C2H4/C2H6。一般認(rèn)為煤的自燃氧化過(guò)程分為三個(gè)階段： 緩慢氧化階段、加速氧化階段和激烈氧化階段。下面就各標(biāo)志氣體隨煤溫變化關(guān)系進(jìn) 一步詳細(xì)研究，并給出三個(gè)氧化階段的溫度范圍4953。(1) 一氧化碳(CO)與煤溫變化關(guān)系圖3-11 180 C時(shí)CO濃度變化曲線圖圖3-12 220 C時(shí)CO濃度變化曲線圖如圖3-4及附圖A2所示，九個(gè)煤樣CO的濃度變化的總趨勢(shì)基本相同，都隨煤 的加熱氧化溫度的升高而升高。由圖可以看出，各煤樣的CO出現(xiàn)的臨界溫度值為4050C之間，因?yàn)橼w各莊礦正常生產(chǎn)時(shí)，礦井里沒(méi)有發(fā)現(xiàn)CO的存在，所以，只要檢測(cè)到CO,就表明煤體溫度已經(jīng)達(dá)到 40C以上，并開(kāi)始了緩慢氧化。煤溫在 40180C之間時(shí)，CO的濃度變化不大，氧化處于潛伏期，也就是緩慢氧化階段。當(dāng)超 過(guò)180C以后，CO濃度急劇增大，且由圖3-8可以看出，CO/A O2指標(biāo)值也急劇升 高，充分表明了煤氧化開(kāi)始加速，進(jìn)入了加速氧化階段，如果此時(shí)不采取措施，煤很 快就會(huì)燃燒，此變化如圖3-11和圖3-12表示。由以上分析可知，從低溫開(kāi)始，經(jīng)過(guò)緩慢氧化、加速氧化直至激烈氧化階段均有 CO的釋放，并且隨溫度變化出現(xiàn)了極強(qiáng)的規(guī)律性，可見(jiàn)，