煤在氧化升溫過程中，會(huì)釋放出CO、CO₂、烷烴、烯烴以及炔烴等指性氣體。這些氣體的產(chǎn)生率隨煤溫上升而發(fā)生規(guī)律性的變化，能預(yù)測和反映煤自然發(fā)火狀態(tài)。CO貫穿于整個(gè)煤自然發(fā)火過程中，一般在50℃以上就可測定出來，出現(xiàn)時(shí)濃度較高；烷烴（乙烷、丙烷）出現(xiàn)的時(shí)間幾乎與CO同步，貫穿于全過程，但其濃度低于CO，而且在不同煤種中有不同的顯現(xiàn)規(guī)律；烯烴較CO和烷烴出現(xiàn)得晚，乙烯在110℃左右能被測出，是煤自然發(fā)火進(jìn)程加速氧化階段的標(biāo)志氣體，在開始產(chǎn)生時(shí)，濃度略高于炔烴氣體；炔烴出現(xiàn)的時(shí)間最晚，只有在較高溫度段才出現(xiàn)，與前兩者之間有一個(gè)明顯的溫度差和時(shí)間差，是煤自然發(fā)火步入激烈氧化階段（也即燃燒階段）的產(chǎn)物。因此，在這一系列氣體中，選擇一些氣體作為指標(biāo)氣體，以及準(zhǔn)確檢測，就能可靠判斷自然發(fā)火的征兆和狀態(tài)。

1 指標(biāo)氣體及其選擇

目前，國內(nèi)外可作為煤自然發(fā)指標(biāo)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(biāo)。早在“七·五”期間，國家攻關(guān)項(xiàng)目《各煤種自然發(fā)火標(biāo)志氣體指標(biāo)研究》的研究中，對我國各礦區(qū)有代表性的煤種進(jìn)行了自然發(fā)火氣體產(chǎn)物的模擬試驗(yàn)，得出了指標(biāo)氣體與煤種及煤巖之間的關(guān)系。

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

2）各煤種從緩慢氧化階段的氣體產(chǎn)物優(yōu)選為靈敏指標(biāo)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(biāo)為輔，而焦煤、貧煤和瘦煤則以CO及其派生的指標(biāo)為首選，C₂H₄或烯烷比為輔；無煙煤和高硫煤唯一依據(jù)是CO及其派生指標(biāo)；

3）C₂H₄可用于氣體分析法中表征低變質(zhì)程度煤著火征兆的靈敏指標(biāo)，同時(shí)也可以作為判斷煤自然發(fā)火熄滅程度的指標(biāo)；C₂H₄/ C₂H₂比值可以更準(zhǔn)確地表征煤著火溫度的最高溫度點(diǎn)，結(jié)合其他參數(shù)可用于判斷著火前的時(shí)間。

因此，必須充分認(rèn)識(shí)到CO并非唯一的煤自然發(fā)火氣體指標(biāo)。它還有許多不足：檢測溫度范圍極寬；CO產(chǎn)生量同煤溫之間的關(guān)系不明確，特別是在現(xiàn)場復(fù)雜條件下，受風(fēng)流、煤體原生氣體組分、測點(diǎn)選擇及生產(chǎn)過程等因素影響，難以確定煤氧化自燃的發(fā)展階段，使預(yù)測預(yù)報(bào)的準(zhǔn)確率和精度降低。

2 煤自燃指標(biāo)氣體靈敏度的提高技術(shù)

由于指標(biāo)氣體在井下氣流中不濃度非常小，低于現(xiàn)有檢測儀器的檢測精度，使得某些本應(yīng)可以有效反映井下煤自燃狀態(tài)的指標(biāo)氣體就可能因檢測不出或測不準(zhǔn)而無法利用。采用氣體的吸附與濃縮技術(shù)，可提高檢測氣體的靈敏度，改善現(xiàn)有指標(biāo)氣體預(yù)報(bào)準(zhǔn)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(zhì)對煤自燃過程中產(chǎn)生的氣體的選擇吸附性能，對氣體進(jìn)行吸附濃縮，達(dá)到可檢測的目的?？捎糜跉怏w吸附的多孔介質(zhì)種類比較多，但活性炭具有對有機(jī)物的吸附效率高、再生能力好、價(jià)格低廉等特點(diǎn)，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(biāo)氣體。氣體經(jīng)過活性炭吸附，達(dá)到吸附平衡后，可通過加熱解吸再生，解吸時(shí)，采用不同的解吸時(shí)間，確保吹掃脫附干凈。

2.2 指標(biāo)氣體吸附與濃縮規(guī)律

2.2.1 烷烴類和烯烴類氣體的吸附與濃縮

實(shí)驗(yàn)研究兗州礦區(qū)某煤樣表明，煤溫在低于80℃時(shí)，檢測不到任何有機(jī)氣體組分。當(dāng)煤體溫度在110℃以上時(shí)，開始檢測到乙烷、乙烯。隨著熱解溫度的進(jìn)一步提高，烷烴氣體、烯烴氣體的組分?jǐn)?shù)也隨之增加，140℃時(shí)開始出現(xiàn)甲烷、丙烷，170℃時(shí)出現(xiàn)了丙烯氣體，到了200℃已能檢測到丁烷和戊烷。但經(jīng)濃縮處理后的指標(biāo)氣體，50℃時(shí)即可檢測到甲烷、乙烷、丙烷及乙烯，80℃時(shí)出現(xiàn)了丙烯和異丁烷，110℃時(shí)開始檢測到丁烷，170℃時(shí)可檢測到的給分?jǐn)?shù)達(dá)到最多，可檢測到丁烯和烷的出現(xiàn)。濃縮后，相同溫度下煤氧化分解可檢測到的氣體組分?jǐn)?shù)增多，各組分氣體出現(xiàn)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℃?？梢?，濃縮效果明顯，使檢測出指標(biāo)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(guān)系

通過分析不同煤礦煤樣氧化分解的烴類氣體在35℃下吸附濃縮后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(jīng)歷了一個(gè)先下降然后又上升的變化過程，在這個(gè)變化過程中都有一個(gè)轉(zhuǎn)折點(diǎn)溫度，在這個(gè)溫度處各烴類氣體的乙烷比值達(dá)到最低點(diǎn)。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(dá)到最低點(diǎn)。這是因?yàn)樵诟鱾€(gè)轉(zhuǎn)折點(diǎn)溫度之前，乙烯、丙烷、丙烯的生成速率高于甲烷的生成速率。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(diǎn)所對應(yīng)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(diǎn)對應(yīng)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(diǎn)所對應(yīng)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(dá)最低點(diǎn)。

2.2.3 烯烷比值及其與溫度的變化關(guān)系

根據(jù)各煤樣氧化分解的烴類氣體在35℃下吸附濃縮后的解吸氣在不同溫度下的甲烷比值及其與溫度的關(guān)系，各個(gè)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(jīng)歷了一個(gè)先下降然后又上升的變化過程，都有一個(gè)轉(zhuǎn)折溫度，在這個(gè)轉(zhuǎn)折溫度處各烴類氣體的烯烷比值達(dá)到最低點(diǎn)。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(dá)最低點(diǎn)。由此可以看出轉(zhuǎn)折點(diǎn)溫度之前乙烷、丙烷的釋放速率大于乙烯、丙烯的釋放速率，使吸附劑吸附的乙烯、丙烯的量大于乙烷、丙烷的量，所以產(chǎn)生了這種先升后降的變化關(guān)系。

因此，判斷井下煤自燃的狀態(tài)，關(guān)鍵是掌握煤升溫過程中各指標(biāo)氣體的生成速率與溫度的關(guān)系，掌握濃縮后指標(biāo)氣體生成最、甲烷比、乙烷比、烯烷比與煤體溫度的變化關(guān)系，才能可靠的預(yù)報(bào)煤炭自燃。

3煤炭自燃指標(biāo)氣體的檢測技術(shù)

3.1 人工檢測

人工檢測一直是煤炭自燃指標(biāo)氣體的主要檢測手段，它是在自燃的危險(xiǎn)區(qū)域，人工取樣，通過色譜議分析，給出指標(biāo)氣體的成分與濃度，以此判斷煤的自燃程度。該法適用性強(qiáng)、投入設(shè)備少，簡單易行，但人工取樣工作量大，間隔時(shí)間長，不能進(jìn)行連續(xù)實(shí)時(shí)檢測。

3.2 礦井監(jiān)測系統(tǒng)

安全與環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)可以連續(xù)監(jiān)測CO、CO₂、O₂等環(huán)境參數(shù)，根據(jù)這些環(huán)境參數(shù)的變化進(jìn)行自燃的預(yù)報(bào)，但是由于傳感器數(shù)量種類少、價(jià)格昂貴、布置范圍小，沒能充分發(fā)揮監(jiān)測系統(tǒng)用于煤炭自燃預(yù)報(bào)應(yīng)有的作用。

束管監(jiān)測系統(tǒng)是一種有效的專用監(jiān)測技術(shù)，常用的束管監(jiān)測系統(tǒng)是用聚乙烯管通過地面抽氣泵將氣體抽到地面，經(jīng)氣樣分選器依次將不同測點(diǎn)氣樣送往色譜儀進(jìn)行分析。但由于束管監(jiān)測系統(tǒng)線路長、管理較困難。為改善這一現(xiàn)象，采用計(jì)算機(jī)技術(shù)與氣體分析技術(shù)相結(jié)合，即用小抽氣泵通過束管抽取取樣點(diǎn)的氣體，通過氣樣傳感器分析氣體成分，并把信號傳輸?shù)降孛嬗?jì)算機(jī)對氣體分析數(shù)據(jù)進(jìn)行處理并作出預(yù)報(bào)。

3.3 監(jiān)測點(diǎn)布置

在自燃火災(zāi)的監(jiān)測中，監(jiān)測點(diǎn)布置至關(guān)重要，實(shí)踐證明，監(jiān)測點(diǎn)的布置應(yīng)按照以下原則進(jìn)行：

1）預(yù)計(jì)易發(fā)火區(qū)域。按照礦井生產(chǎn)環(huán)境及煤層自然發(fā)火條件，把各危險(xiǎn)區(qū)域作為監(jiān)測對象，即根據(jù)上述煤炭自燃的時(shí)間和空間特性分析布置。

2）測點(diǎn)布置在高負(fù)壓區(qū)。從全負(fù)壓角度考慮，只要漏風(fēng)風(fēng)流經(jīng)過易燃點(diǎn)，各泄漏通道以負(fù)壓最高處最易反映易發(fā)火區(qū)域的真實(shí)情況。

3）提供最佳排除炮煙影響環(huán)境。井下放炮產(chǎn)生大量的CO，經(jīng)過測點(diǎn)時(shí)就反映到CO監(jiān)測儀器上來，給非連續(xù)監(jiān)測帶來困難，因此要設(shè)法排除炮煙干擾。

4）測點(diǎn)具有恒定的漏風(fēng)量。如果進(jìn)行相對量監(jiān)測，漏風(fēng)量不穩(wěn)定，監(jiān)測儀上所反映的數(shù)值無法表達(dá)發(fā)火過程中的真實(shí)情況，即使對絕對量進(jìn)行監(jiān)測，由于微小風(fēng)量測算困難，也會(huì)造成很大誤差。因此，監(jiān)測過程中如無特殊需要，盡量不改變通風(fēng)系統(tǒng)，改變后則要及時(shí)調(diào)整測點(diǎn)，各參數(shù)量重新對比整理。

5）測點(diǎn)應(yīng)避開溫差自然風(fēng)壓的影響。如1圖示，當(dāng)易燃點(diǎn)受下行風(fēng)流風(fēng)壓作用時(shí)，測點(diǎn)按常規(guī)應(yīng)布置在B處。但當(dāng)易燃點(diǎn)溫度逐漸升高，由于存在標(biāo)高差異，溫差自然風(fēng)壓逐漸增大，此值如果大于全風(fēng)壓時(shí)，B點(diǎn)氣體成分將無法反映易燃點(diǎn)的真實(shí)情況。假設(shè)在高溫點(diǎn)兩測A、B之間無分支風(fēng)流，則：h₁=h-h₂式中h₁為漏風(fēng)風(fēng)流風(fēng)壓，h₂為AB間所具有的自然風(fēng)壓，h為高溫影響下的自然風(fēng)壓。



圖1 監(jiān)測點(diǎn)布置圖

當(dāng)h₁＜0，高溫點(diǎn)漏風(fēng)風(fēng)流方向與全風(fēng)壓風(fēng)流方向一致，測點(diǎn)可布置在B點(diǎn)。當(dāng)h₁＞0時(shí)，B點(diǎn)無法觀測災(zāi)區(qū)氣體情況，在這種情況下，應(yīng)在預(yù)計(jì)高溫點(diǎn)A、B兩側(cè)均設(shè)側(cè)點(diǎn)，前期可用B測，后期則改用A點(diǎn)進(jìn)行監(jiān)測。

4 某礦綜放面生產(chǎn)期間自燃火災(zāi)的預(yù)測預(yù)報(bào)及治理

某大型煤礦綜放面生產(chǎn)期間，采用安全檢測系統(tǒng)、束管監(jiān)測系統(tǒng)和和人工檢測的辦法來對自燃火災(zāi)進(jìn)行早期的預(yù)測預(yù)報(bào)，并根據(jù)預(yù)測預(yù)報(bào)結(jié)果進(jìn)行相應(yīng)的處理，見表1，表2。

表1 綜放面上隅角支架后部氣體監(jiān)測預(yù)報(bào)表

CO濃度<?namespace prefix = o ns = "urn:schemas-microsoft-com:office:office" ?>

C₂H₆濃度

C₃H₈濃度