王平 WANG Ping；王永敬 WANG Yong-jing；王坤 WANG Kun

（①新疆昌吉州玛纳斯县天欣煤业有限公司，昌吉 832200；②中煤科工集团沈阳研究院有限公司，抚顺 113122；③煤矿安全技术国家重点实验室，抚顺 113122）

0 引言

《煤矿安全规程》第二百六十一条“开采容易自燃和自燃煤层时，必须开展自然发火监测工作，建立自然发火监测系统，确定煤层自然发火标志气体及临界值，健全自然发火预测预报及管理制度”。目前，国内学者对煤自然发火研究主要集中在自然发火标志性气体优选，对煤发火临界值研究甚少。邬灿春等人以陕北地区油浸煤为研究对象，研究不同含油量煤自然发火标志气体。王永敬利用程序升温实验研究3#煤层自然发火标志气体，为综放工作面做好自然发火分级预警。王文清等人以变质程度低的不粘煤为研究对象，通过实验测试其在低温条件下自然发火标志气体。基于此，以B13煤层实验室试验研究与现场观测相结合的方法，确定B13煤自然发火标志气体及临界值，也为矿井各项防灭火技术措施制定提供科学依据[1-4]。

1 自然发火标志气体优选

1.1 CO气体生成规律

CO是煤氧化最早出现的气体产物，并贯穿整个氧化过程中；煤温超过62℃后，CO浓度开始加速增长，且超过62℃后煤温开始高于炉温，说明B13煤层自然发火的临界温度，一旦超过62℃，煤体的升温速度将快速增加，在215℃以前，CO产生浓度与煤温之间表现为单一递增的变化关系，如图1所示，拟合关系式为y=0.028e0.0072x，拟合优度为0.998。当煤温超过215℃后，这种指数关系不复存在，呈现出一种增长更快的关系。

1.2 烯烃气体生成规律

在煤的吸附气体中，没有烯烃气体。C2H4和C3H6气体产生的临界温度分别在110℃和140℃左右，与CO气体相比，有一个明显的时间差和温度差。C2H4出现，标志着煤氧化进入加速氧化阶段，煤温在超过253℃后迅速升高332℃。从气体浓度变化上表现为出现突起的陡峰，这是煤剧烈燃烧的表征。

1.3 C2H2气体产生规律

C2H2气体在矿井中常作为煤自然发火的重要的标志气体，实验煤样产生C2H2气体初始温度为330℃左右，这与C3H6相比又有一个明显的温度差。C2H2是煤进入燃烧阶段的标志，因此，一旦出现C2H2气体，采取措施时一定要谨慎，避免采取直接剥挖火源的办法，以免高温煤体引发瓦斯、煤尘爆炸事故。

1.4 烯烷比规律

C2H4/C2H6比值与煤温之间的关系如图3所示，该指标只有C2H4出现后方可应用，且煤温达到最高温度以后煤温忽高忽低，其比值大小也呈无规则变化，因此在煤温达到燃点以后此比值规律也应慎重分析。

1.5 链烷比规律

由图4可以看出链烷比值变化同样表现出一定的规律性，但CH4绝大部分来源于煤吸附CH4的涌出，煤氧化所产生的CH4仅占极小的部分，也就是说在实际生产过程中，很容易受到采掘工作、落煤时间的影响，因此，C2H6/CH4，C3H8/CH4指标不适合作为煤自燃的标志气体指标。

1.6 煤自然发火标志气体优选

①CO作为预测预报煤自然发火的指标气体，其预测的温度范围应在215℃之前。CO出现的临界温度较低，为27℃左右，并在整个自燃发火过程中都有CO产生，应特别加强观测[5-8]。

②烯烃气体C2H4和C3H6气体预测的温度初始温度分别在110℃和140℃左右，C2H4气体和C3H6气体的出现标志着煤氧化进入激烈氧化阶段的标志。在有CO存在的前提下，只要出现C2H4或C3H6，必须采取切实有效的灭火措施。

③C2H2气体生成临界温度为330℃左右，C2H2气体出现标志着煤已完全处于燃烧或阴燃阶段。

④C2H4/C2H6和C3H8/C2H6可作为预测煤自然发火进程的标志气体辅助指标；C2H6/CH4、C3H8/CH4不适合作为煤自然发火的标志气体指标。

⑤综上所述，由于该矿不具备实时分析C2H6、C3H6、C3H8等气体的能力，因此选择CO、C2H4、C2H2作为B13煤层自然发火的标志气体[9-13]。

2 自然发火标志气体现场观测

2.1 采空区自然发火标志气体观测

①采空区埋管方式。

在B13煤层工作面回风顺槽，埋设3个观测点，并用φ20mm无缝钢管进行保护。在每个采样点位置设置一个取气三通，为防止被水或煤泥堵塞，每个取气三通需抬高至离底板1m高位置，同时在每个采空区束管采样点内设置测温热电偶，以对采空区内不同位置的温度进行持续检测。

②观测结果。

由于3#束管出现异常，无法采集采空区内气体，因此仅能1#和2#测点采集气样分析采空区气体变化规律，见图6所示。

采空区回风侧距离切顶线水平距离为0～4m的范围为散热带，4～47.2m的范围为氧化带，超过47.2m的区域则为窒熄带。

2.2 回风隅角自然发火标志气体观测

由图7可以看出，回风隅角CO出现波动，但稳定在24ppm以下。通过计算可得，回风隅角CO平均浓度为11ppm。

2.3 回风流自然发火标志气体观测

由图8可以看出，工作面割煤、放煤对回风流气体组分影响较小，几乎可以忽略不计；回风流CO浓度平均为4ppm。

3 自然发火标志气体临界值

C2H4、C2H2等气体在常温下并不产生，且一旦产生，该气体组分有无就可判断采空区遗煤所处的自燃状态。因此，确定B13煤层自然发火标志气体临界值为CO气体的临界值。采煤工作面CO气体来源主要分为三个方面：①采空区遗煤氧化；②生产过程中煤体氧化；③支架顶煤氧化、放炮和无轨胶轮车等其它外部因素产生[8-13]，据此可建立[CO]浓度计算数学模型：

式中：x—修正系数；Qg—目标区域风量，m3/s；—采空区遗煤氧化CO生成速率，m3/s；—推采时煤体氧化CO生成速率，m3/s；—放炮等其它生成CO速率，m3/s。

①采空区遗煤CO生成速率

式中：Q—为实验室供风量，m3/s；t—取气时间间隔，s；Vm—实验煤样量，m3；—流经实验煤样后气流中CO摩尔体积浓度，mol/m3。

式中：δCO（TS）—温度为TS时破碎煤体的CO气体产生速率，mol/（m3/s）。

②工作面生成过程中CO产生速度

式中：v—工作面推进速度，m/d。

式中：QF—工作面实际供风量，m3/s；Cs、CF—分别为工作面生成和非生产时工作面回风流内CO浓度平均值，%。

③工作面串联通风区域放炮、无轨胶轮车等其它原因导致CO生成速度：=V放炮+V其它

其它CO气体来源可能包括井下使用无轨胶轮车等情况，对于该煤矿不存在此情况，可忽略不计。因此，可得到下式：

式中：MZ—能产生影响的爆破炸药总量，kg ；—单位炸药导致的煤层CO气体涌出速度，m3/（kg·s）。

将上述公式代入（1）可得到工作面或任意采空区位置的CO临界值：

根据采空区现场观测及计算可得，散热带内遗煤平均温度为22.2℃，氧化带遗煤平均温度为24.41℃；采空区进风侧遗煤厚度7.54m，回风侧遗煤厚度7.93m，过渡架不放煤区域遗煤厚度8.19m，放煤区域遗煤厚度1.19m。工作面割煤期间对CO产生可忽略不计，生成速度为0。工作面进风量为1064.61m3/min，回风量为1503.48m3/min，工艺巷进风量为237.38m3/min，回风隅角过风量为309.15m3/min，氧化带过风量为42.12～101.09m3/min，散热带过风量与隅角过风量相等。单位炸药导致CO产生速度为0.02×106m3/s。根据实验数据，B13煤层CO生成速率以氧气浓度10%（71℃）和氧气浓度20.9%（62℃）时的CO平均生成速度，计算得4.57×10-6mol/（m3/s）。

综合上述，将各参数代入公式（9），在不考虑修正系数条件下，得到表1内的理论计算结果。

将表1内数据代入公式（9），可分别计算出不同区域的修正系数，如表2所示。在非预裂爆破影响时间段内，并利用表2修正系数和表1重新代入公式（9）计算得到B13煤层自然发火标志气体CO临界值如表3所示。

表1 工作面正常条件下不同区域CO标志气体浓度

表2 修正系数计算结果

表3 不同煤温下工作面不同区域CO气体临界值

4 结论

①CO、C2H4、C2H2、C3H6、C2H4/C2H6、C3H8/C2H6可以作为B13煤层自然发火的标志气体或发火指标。对于新疆某煤矿，不具备实时分析C2H6、C3H6、C3H8等气体的能力。因此选择CO、C2H4、C2H2作为B13煤层自然发火的标志气体。

CO在常温25℃就可产生，CO预测的温度范围从常温至215℃；C2H4气体产生时对应煤温为110℃，是煤进入激烈氧化阶段的标志气体；C2H2气体产生时对应煤温为332℃，是煤已经开始燃烧或阴燃的标志气体。

②采空区散热带CO发火临界值为57ppm，氧化带CO发火临界值为287ppm，回风隅角CO发火临界值为23ppm，回风流CO发火临界值为5ppm。在CO存在前提下，只要C2H4和C2H2出现，必须采取切实有效的灭火措施。