煤在氧化升溫過(guò)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(cè)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(guò)程中，一般在50℃以上就可測(cè)定出來(lái)，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(guò)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(cè)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(kāi)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(cè)，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(guó)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(guó)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(duì)我國(guó)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(zhǎng)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(wú)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(cè)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(chǎng)復(fù)雜條件下，受風(fēng)流、煤體原生氣體組分、測(cè)點(diǎn)選擇及生產(chǎn)過(guò)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(cè)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(cè)儀器的檢測(cè)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(cè)不出或測(cè)不準(zhǔn)而無(wú)法利用。采用氣體的吸附與濃縮技術(shù)，可提高檢測(cè)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(duì)煤自燃過(guò)程中產(chǎn)生的氣體的選擇吸附性能，對(duì)氣體進(jìn)行吸附濃縮，達(dá)到可檢測(cè)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(duì)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(lái)吸附濃縮煤在自燃升溫過(guò)程中釋放的指標(biāo)氣體。氣體經(jīng)過(guò)活性炭吸附，達(dá)到吸附平衡后，可通過(guò)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?jī)贾莸V區(qū)某煤樣表明，煤溫在低于80℃時(shí)，檢測(cè)不到任何有機(jī)氣體組分。當(dāng)煤體溫度在110℃以上時(shí)，開(kāi)始檢測(cè)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(kāi)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(cè)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(cè)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(kāi)始檢測(cè)到丁烷，170℃時(shí)可檢測(cè)到的給分?jǐn)?shù)達(dá)到最多，可檢測(cè)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(cè)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?jiàn)，濃縮效果明顯，使檢測(cè)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(cè)的靈敏度，尤其是對(duì)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(guò)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(shì)一致，都經(jīng)歷了一個(gè)先下降然后又上升的變化過(guò)程，在這個(gè)變化過(guò)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(duì)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(duì)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(duì)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(shì)一致，也都經(jīng)歷了一個(gè)先下降然后又上升的變化過(guò)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(guò)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(cè)技術(shù)

3.1 人工檢測(cè)

人工檢測(cè)一直是煤炭自燃指標(biāo)氣體的主要檢測(cè)手段，它是在自燃的危險(xiǎn)區(qū)域，人工取樣，通過(guò)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(jiǎn)單易行，但人工取樣工作量大，間隔時(shí)間長(zhǎng)，不能進(jìn)行連續(xù)實(shí)時(shí)檢測(cè)。

3.2 礦井監(jiān)測(cè)系統(tǒng)

安全與環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)可以連續(xù)監(jiān)測(cè)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(méi)能充分發(fā)揮監(jiān)測(cè)系統(tǒng)用于煤炭自燃預(yù)報(bào)應(yīng)有的作用。

束管監(jiān)測(cè)系統(tǒng)是一種有效的專用監(jiān)測(cè)技術(shù)，常用的束管監(jiān)測(cè)系統(tǒng)是用聚乙烯管通過(guò)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(cè)點(diǎn)氣樣送往色譜儀進(jìn)行分析。但由于束管監(jiān)測(cè)系統(tǒng)線路長(zhǎng)、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(guò)束管抽取取樣點(diǎn)的氣體，通過(guò)氣樣傳感器分析氣體成分，并把信號(hào)傳輸?shù)降孛嬗?jì)算機(jī)對(duì)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(cè)點(diǎn)布置

在自燃火災(zāi)的監(jiān)測(cè)中，監(jiān)測(cè)點(diǎn)布置至關(guān)重要，實(shí)踐證明，監(jiān)測(cè)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(cè)對(duì)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(cè)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(guò)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(guò)測(cè)點(diǎn)時(shí)就反映到CO監(jiān)測(cè)儀器上來(lái)，給非連續(xù)監(jiān)測(cè)帶來(lái)困難，因此要設(shè)法排除炮煙干擾。

4）測(cè)點(diǎn)具有恒定的漏風(fēng)量。如果進(jìn)行相對(duì)量監(jiān)測(cè)，漏風(fēng)量不穩(wěn)定，監(jiān)測(cè)儀上所反映的數(shù)值無(wú)法表達(dá)發(fā)火過(guò)程中的真實(shí)情況，即使對(duì)絕對(duì)量進(jìn)行監(jiān)測(cè)，由于微小風(fēng)量測(cè)算困難，也會(huì)造成很大誤差。因此，監(jiān)測(cè)過(guò)程中如無(wú)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(cè)點(diǎn)，各參數(shù)量重新對(duì)比整理。

5）測(cè)點(diǎn)應(yīng)避開(kāi)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(cè)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(wú)法反映易燃點(diǎn)的真實(shí)情況。假設(shè)在高溫點(diǎn)兩測(cè)A、B之間無(wú)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(cè)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(cè)點(diǎn)可布置在B點(diǎn)。當(dāng)h₁＞0時(shí)，B點(diǎn)無(wú)法觀測(cè)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(cè)，后期則改用A點(diǎn)進(jìn)行監(jiān)測(cè)。

4 某礦綜放面生產(chǎn)期間自燃火災(zāi)的預(yù)測(cè)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(cè)系統(tǒng)、束管監(jiān)測(cè)系統(tǒng)和和人工檢測(cè)的辦法來(lái)對(duì)自燃火災(zāi)進(jìn)行早期的預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)，并根據(jù)預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)結(jié)果進(jìn)行相應(yīng)的處理，見(jiàn)表1，表2。

表1 綜放面上隅角支架后部氣體監(jiān)測(cè)預(yù)報(bào)表

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

C₂H₆濃度

C₃H₈濃度