煤自然發(fā)火的難易程度隨著煤的變質程度的加深而減弱，即變質程度較低的褐煤、氣煤等通常具有較強的自然發(fā)火危險，而變質程度較高的無煙煤其自然發(fā)火危險性較小。在變質程度較低的煤種中，褐煤是典型的具有較強的自然發(fā)火危險的煤種之一。筆者在對各煤種自然發(fā)火預測預報的標志氣體的研究基礎上，通過近幾年對龍口北皂礦、平莊六家礦等主采褐煤的礦井的自然發(fā)火規(guī)律的研究，并通過自然發(fā)火預測預報的實踐，得出氣體分析法預測預報典型易燃褐煤自然發(fā)火的一些經(jīng)驗，并整理成文，與廣大煤礦安全工作者探討。

1 典型易燃褐煤自然發(fā)火標志氣體的特點

1.1 CO標志氣體

眾所周知，CO作為標志氣體來預測煤自然發(fā)火已以有很長的歷史，在我國及至世界各國都得到了普遍應用。在過去相當長的時間內人們普遍認為，CO是檢測煤炭氧化自燃發(fā)展階段的最靈敏指標。但隨著科學技術的發(fā)展和對煤自然發(fā)火預測預報的不斷深入研究，人們逐漸發(fā)現(xiàn)，CO及其派生指標盡管可用，但并不是唯一的、最準確、最靈敏的指標，尤其對于典型易燃褐煤來說更是如此。

由于CO在煤自然發(fā)火過程中的檢測溫度范圍極寬，從40℃一直到進入激烈氧化階段都伴隨著CO的產(chǎn)生，這就使得這一指標的預報范圍過大。對于褐煤這樣的低變質程度煤，往往在采煤工作面、掘進工作面等作業(yè)場所常常能檢測到CO的存在。如在龍口北皂煤礦4212綜放工作面后部刮板輸送機頭、綜放支架頂部等部位，從回采到結束都能檢測到CO，其濃度在5×10^-6～30×10^-6之間。還有平莊六家礦WⅡN一段6-3炮采工作面上隅角等處，在回采過程中都能檢測到CO，濃度最大時局部超過100×10^-6，如果在這種情況下用單一的CO作主指標進行火災預測預報，則很難確定目前自然發(fā)火所處的狀態(tài)。另外，目前很多現(xiàn)場都提出褐煤煤層是否有原生賦存CO的質疑，雖然目前還末見到有確鑿證據(jù)證明原生賦存CO存在的報道，但如果這種可能性存在的話，對于褐煤來說，僅用CO作為主指標進行煤自然發(fā)火預測預報，不但難以確定自然發(fā)火的態(tài)勢，甚至連是否發(fā)生了自然發(fā)火都很難確定。

另外，在現(xiàn)場生產(chǎn)環(huán)境下，受風流大小、檢測儀器誤差、取樣地點等因素的影響，很難找出其濃度值所對應的溫度值，使得CO發(fā)生量與煤溫之間的變化關系不明確，特別是在現(xiàn)場復雜生產(chǎn)條件下，CO會出現(xiàn)時有時無的情況，使預測預報的精度和準確率大大降低，甚至出現(xiàn)漏報或誤報。

因此，在CO標志氣體應用時一定要謹慎，不能單從某一個具體檢測值來判斷自燃火災態(tài)勢，應密切注意CO變化趨勢，如果出現(xiàn)連續(xù)增長的勢頭，則應發(fā)出自然發(fā)火的預警，并配合相應的防滅火技術措施，另外，建議在現(xiàn)場自然發(fā)火預測預報中盡量使用CO的派生指標，如火災系數(shù)等，以排除風流變化的影響。

1.2 C₂H₄標志氣體

在煤層吸附的瓦斯氣體中，沒有C₂H₄氣體組份，因此可以認為C₂H₄僅是在煤氧化過程中產(chǎn)生的。

雖然C₂H₄的現(xiàn)場應用同樣也遇到和CO一樣的問題，即現(xiàn)場檢測到的C₂H₄可能時有時無、時大時小，但就其臨界溫度而言，則具有很大的應用價值。如果現(xiàn)場檢測到C₂H₄則無可置疑地可以斷定煤已經(jīng)開始自然氧化，并且此時的煤溫已經(jīng)超過其臨界溫度值（80～120℃），這比單純用CO又準確了一步，同時也可以根據(jù)檢測到的C₂H₄濃度變化的趨勢，估計自然發(fā)火溫度在這一溫度段的情況。由于C₂H₄的出現(xiàn)是煤氧化進入加速階段的標志，因此，如果井下檢測到C₂H₄應盡快采取措施，否則很可能在較短的時間內發(fā)展為明火火災。所以在礦井自然發(fā)火預測預報工作中，密切注意和觀察C₂H₄的出現(xiàn)及其濃度的變化，對礦井防滅火工作具有十分重大的意義。

1.3 C₂H₂標志氣體

C₂H₂出現(xiàn)的時間最晚，出現(xiàn)的臨界溫度值也最高，對于褐煤來說，一般在150～190℃之間。C₂H₂的出現(xiàn)表明煤的氧化已進入劇烈氧化燃燒階段，因此它是煤自燃進入燃燒階段的標志。與CO和烯烴氣體相比，其間有一個明顯的時間差和溫度差，在礦井防滅火工作中，要充分利用這一段時間，積極采取措施，控制和消滅火災事故，有效地阻止自燃向燃燒階段發(fā)展，防止事故的擴大。

長期的應用與實踐表明：如果在井下監(jiān)測區(qū)域內檢測到C₂H₂的存在，則可以推斷在監(jiān)測區(qū)域內某處至少存在已經(jīng)處于陰燃或明火的高溫火點，此時應采取果斷的措施，并注意不要將高溫體直接暴露于空氣中，以免發(fā)生明火引燃瓦斯、煤塵等使事故擴大。

1.4 C₂H₄/ C₂H₆標志氣體比率（烯烷比）

褐煤自然發(fā)火過程中，C₂H₄/ C₂H₆比值隨煤溫變化的曲線呈駝峰形，其總規(guī)律是起初隨著煤溫的升高比值逐漸增大，并達到第一峰值，之后隨煤溫的升高而下降，隨著煤的氧化進入激烈氧化階段，比值又出現(xiàn)在第二次峰值。平莊六家礦C₂H₄/ C₂H₆隨煤溫的曲線如圖1所示。

在C₂H₄產(chǎn)生的開始階段，其發(fā)生速率快于C₂H₆的增長速度，因而其比值逐漸增高，并且出現(xiàn)第一次峰值，之后煤的氧化進入了加速氧化階段，C₂H₆發(fā)生速率高于C₂H₄的發(fā)生速率，因而比值又開始下降，在接近煤的激烈氧化階段后，C₂H₄的發(fā)生速率又快于C₂H₆，這樣又出現(xiàn)了第二次峰值。因此，第一次峰值出現(xiàn)是煤開始進入激烈氧化階段的標志。



圖1 平莊六家礦褐煤C₂H₄/ C₂H₆曲線

1.5 鏈烷比

鏈烷比主要包括2類：一類是長鏈的烷烴氣體與甲烷的比值（C₂H₆/CH₄，C₃H₈/ CH₄，C₄H₁₀/ CH₄），另一類是長鏈的烷烴氣體與乙烷的比值（C₃H₈/ C₂H₆，C₄H₁₀/ C₂H₆）。鏈烷比隨煤溫的變化曲線有類似于上述烯烷比的情況，如圖2所示。



圖2 平莊六家礦褐煤的鏈烷比曲線

也就是說，隨著溫的升高鏈烷比會表現(xiàn)出時升時降現(xiàn)象，出現(xiàn)類似峰值，但由于褐煤瓦斯賦存量一般都較小，實際生產(chǎn)過程中有時往往檢測不到甲烷和乙烷，另外就檢測到的甲烷來說，其大部分為吸附氣體，氧化生產(chǎn)的甲烷僅占極小的一部分。因此，從預測預報的角度來看，鏈烷比不適宜作為褐煤自然發(fā)火預測預報的指標。

2自燃火災事故預測預報的實例分析

2.1 火災事故發(fā)展簡要經(jīng)過

2001年6月15日，平莊家礦WⅡN一段6-3炮采工作面采空區(qū)開始安裝束管采樣系統(tǒng)進行采空區(qū)自燃“三帶”觀測試驗，此期間，工作面停止灌漿、灑漿等防滅火措施。為了解決上隅角瓦斯超限的問題，將工作面供風量由原來的220m³/min增加到314m³/min。7月9日上午，該工作面回風流中CO超限，其濃度達0.028％，超前支護段的CO濃度為0.036％，上隅角為0.08％～0.1％，工作面內，由上隅角沿進風方向CO濃度逐漸下降，到距上隅角15m后，CO濃度降至0.0024％以下。7×14日，工作面上隅角及回風流中均檢測出一定濃度的C₂H₄（＜8×10^-6），7月17日C₂H₄濃度發(fā)展到13×10^-6～14×10^-6，7月19日猛增到40.5×10^-6。盡管礦方采取各種措施（主要是用沙袋封堵上風側向采空區(qū)的漏風）全力以赴控制和消滅這起火災事故，但考慮到即將來臨的半個月的全礦停產(chǎn)放假以及火災表現(xiàn)出迅猛并難以控制的趨勢等因素。該工作面被迫封閉，并在密閉后方20m的地方重新布置切眼，恢復通風系統(tǒng)。

2.2 采空區(qū)自然發(fā)火征兆分析

雖然WⅡN一段6-3炮采工作面氣體采樣分析中一直沒有檢測到C₂H₂，但在該工作面采空區(qū)氣體監(jiān)測時，早在7月3日1^#測點檢測出32.2×10^-6的C₂H₂，此時C₂H₄的濃度也高達278.27×10^-6、CO濃度為249×10^-6。以此可以看出，至工作面回風流CO超限之前，采空區(qū)自然發(fā)火曾表現(xiàn)出明顯的發(fā)火征兆，由于采樣管路損壞，CO異常時沒有采集采空區(qū)氣樣，無法與工作面氣體進行對比分析，但C₂H₄和C₂H₂都是表征煤自燃加速氧化和激烈氧化階段的標志氣體，其濃度達到如此高的程度，表明采空區(qū)內確實有高溫火源存在，進一步驗證了工作面氣體分析預測的結果，并且在很短的時間內火災迅速發(fā)展，直至該工作面被迫封閉。

3 褐煤自然發(fā)火預測預報標志氣體應用的體會

依據(jù)單一的CO標志氣體，很難判斷自然發(fā)火態(tài)勢。由于受風流等因素的影響，單憑回風流或上隅角CO濃度的大小變化的小范圍波動很難做出火勢增強或減弱的預測，但當濃度發(fā)生數(shù)量級的躍遷時，如果能排除風流影響，則可以做出火勢增強的預警，但還很難判斷火災發(fā)展到何種程度，只有參考C₂H₄、C₂H₂