姜家湾煤矿11 号煤层最短自然发火期实验研究

崔佳楠

（晋能控股集团地煤大同有限公司，山西 大同 037000）

矿井工作面采动遗留的采空区环境中，散碎煤炭自燃通常会引发矿井火灾。这种煤炭自燃火灾对我国煤矿安全生产有极其严重的影响，其危险性非常严重，决不可轻视。一旦发生煤炭自燃火灾，将会造成大量煤炭资源的燃烧损失，并给矿山带来巨大的损失。矿井火灾经常会导致瓦斯爆炸事故与煤尘爆炸事故，除了造成煤炭资源的损失，还可能会造成一些人员伤亡事故。尽管已经采取了一系列措施来预防和控制煤矿自燃火灾，但仍需要继续加强技术研究、管理措施和培训教育，以降低自燃火灾风险。根据相关统计数据显示，我国有超过50%的煤层存在自燃倾向，而采空区遗留的煤炭则是导致矿井自然发火的主要因素，占到了全部矿井火灾的90%以上。每年因煤炭火灾而燃烧的煤炭量均超过10 亿t[1]。

国内众多学者，对煤的自燃特征进行了大量研究，主要通过采用绝热氧化实验及程序升温实验对煤的自燃特征进行研究。孙喜贵等[2]利用煤的绝热氧化反应装置及差示扫描量热实验计算出了氧化升温过程中的放热量，测定了不同温度煤的比热容；王德明等[3]在程序升温实验的基础上，提出了一项快速测试方法，用于确定煤层最短发火期；康文杰等[4]通过建立煤绝热氧化时间和特征尺寸之间的函数关系推导出煤最短自然发火期快速预测模型；王文清等[5]在CO 预警值的基础上，采用CO 超限防治技术来有效预防和控制煤层的自然发火。

煤层的最短自然发火期时间是衡量煤层自燃的重要指标之一。掌握煤层的最短自然发火期对矿井火灾防治工作的开展，以及矿井火灾防治工作的进行，都起着十分重要的作用。通过准确测定煤层的最短自然发火期，可提前预警和识别潜在的自燃危险区域，并采取相应的防范措施来降低自燃火灾的风险。这不仅有助于保护工人的生命安全和财产安全，还能促进煤矿的可持续发展和安全生产环境的改善。因此，深入了解并掌握煤层的最短自然发火期对于有效防治煤矿自燃火灾具有重要的实际意义。

为保障姜家湾煤矿11 号煤层安全高效开采，防止因采空区遗留自燃而威胁工作面安全生产，本文通过实验室实验，采用煤工业性分析、煤自燃倾向性色谱吸氧鉴定、差示扫描量热与气体示踪等实验手段，测定了该煤层工业性成分、煤自燃发火倾向等级、不同温度煤的比热以及煤自燃指标气体，以此综合确定该煤层最短自然发火期，为11 号煤层开采速率以及采空区自燃发火防控提供技术参数支撑。

1 试样工业分析

在姜家湾11 号煤层进行煤样现场采集，煤的工业性分析按照 《煤的工业分析方法》（GB/T 212-2008）的要求进行，测得11 号煤工业性指标中水分（Mad）含量为0.90%，灰分（Ad）含量为6.58%，挥发分（Vdaf）含量为29.02%。按照《煤自燃倾向性色谱吸氧鉴定法》（GB/T 20104-2006）对煤层自燃倾向性进行鉴定，鉴定结果见表1。结果显示：该矿11 号煤层自燃倾向性等级属于Ⅰ类，自燃倾向性为容易自燃。

表1 实验煤样主要煤质指标

用差示扫描量热法对少量煤样进行实验分析，可以得到不同温度下实验煤样的比热容。具体数据可以参考表2。

表2 实验煤样在不同温度下的比热容

2 煤样标志性气体实验

2.1 原理分析

煤炭自燃是一种在物理和化学作用下自我加速的氧化升温过程，可分为缓慢氧化、加速氧化和激烈氧化三个连续阶段[6]。在煤氧复合学说中，认为散碎的煤体会吸附氧气并且释放出热量，释放出的热量被用于水分的蒸发，释放瓦斯，对煤体进行加热，使煤体继续反应，致使煤体燃烧上升直至着火点，引起煤层的自燃。当煤体表面接触到空气中的氧气时，煤体会通过吸附氧气进行氧化反应，同时释放出热量。这些热量被用来加热煤体本身，并提供蒸发水分所需的能量。水分蒸发后，还会产生大量的水蒸气和煤层内的瓦斯。瓦斯与氧气混合后形成可燃气体，进一步加剧了煤层的燃烧反应。随着反应的进行，煤体释放的热量不断积累，最终达到了能够维持煤层自燃的温度，导致煤层着火燃烧。因此，在煤氧复合学说中，煤体吸附氧气释放的热量在自燃过程中起到关键作用，相互作用并相互促进，最终导致煤层自燃的发生。通过在绝热环境下对煤样进行氧化升温实验，可以获得不同阶段产生的气体的种类和浓度参数，利用这些数据，可以计算出煤层自然发火的最短时间周期[7]。

2.2 氧化升温实验

通过绝热氧化反应装置进行氧化升温实验。实验过程：1）11 号煤层内选取合适煤样，在实验室进行破碎加工成粒径2.0～3.0 mm 煤炭颗粒，放置在装置内；2）将装置内空气设置为升温0.5 ℃/min，120 mL/min 的流量条件运送；3）抽取不同条件温度气体，通过色谱仪测定空气内气体含量。

根据实验过程中11 号煤层煤样升温氧化过程中气体浓度的变化（详见表3），确定了煤样的临界温度为162 ℃。同时能得到最高温度及最低温度的对应关系，如图1。

图1 煤样最低温度、最高温度和进气温度对应关系

表3 实验煤样升温氧化过程中气体浓度变化

2.3 标志性气体实验结果分析

1）由图2 可知，CO 气体浓度随着温度的增加呈指数形式增加。在低温阶段，煤炭仍会发生氧化反应，但在153 ℃之前CO 气体的浓度相对较低并且增长缓慢。随着实验煤样的温度逐渐升高，CO浓度也逐渐增加。虽然在低温阶段气体浓度变化相对平稳，但当实验煤体的温度达到153 ℃时，煤体中的煤氧复合反应开始加速，生成CO 气体的浓度快速上升。因此，CO 气体可以作为判断煤炭自燃的重要指标之一。

图2 CO 随温度变化曲线

2）从图3 和图4 来看，C2H4和C2H2气体浓度变化在图像上表现相似。在实验初期，未检测到C2H4和C2H2气体，由此表明煤样中并不含有C2H4和C2H2这两种气体。当煤体的温度升高到90 ℃，便开始有少量气体的产生，并且随着煤体温度的增加，其浓度呈指数级增长，但总体浓度并不高。

图3 C2H4 随温度变化曲线

图4 C2H2 随温度变化曲线

因此，可作为指标气体的为CO。

3 煤层最短自然发火期

3.1 数学模型

煤自燃是一种氧化产热及向环境进行热交换的过程。在没有外界热量进出的封闭条件下，实验煤样的氧化反应所释放的热量完全用于蒸发煤样中的水分、释放瓦斯等气体以及加热煤体自身。这一过程将使得煤样从初始常温升温到达交叉点温度所需的时间，记录为该煤层的最短自然发火期。则可建立如下最短自然发火期数学相关关系式（1）：

式中：τ为煤层最短自然发火期，d；、为煤体在温度为ti、ti+1时的比热容，kJ/（kg·K）；ΔWp为ti、ti+1温度段内煤样中所含水分的蒸发量，%；λ为水蒸发时的吸热，J/kg；Q'为瓦斯的解吸热，J/m3；Δup为ti、ti+1温度段内实验煤样的瓦斯解析量；m³/kg；、为煤样在温度在ti、ti+1时对瓦斯的吸附量，m³/kg。

计算在不同温度下实验煤样的吸附瓦斯量，可以利用下面的经验公式（2）：

式中：p为瓦斯压力，kPa；q（ti）、q（ti+1）为实验煤样在温度为ti、ti+1时释放热量的速率，J/（kg·min）。

自然发火期则可以按公式（4）计算：

综上所述，根据以上得出的公式（4），作为对该矿11 号煤层实验煤样在不同温度条件下自然发火期的计算公式。

3.2 自然发火期计算结果

经过数学模型求解，并参考该矿实验煤样的检测数据，根据最终的分析结果表明，在常温至363 K 之间，实验煤样几乎没有水分蒸发的迹象。然而，进一步观察发现，水分主要在363 K 至393 K 之间开始蒸发[8]。因此，根据实验结果，煤样的最短自然发火期=（-8.8+7.46+14.60+11.53+6.99+5.12+2.14+0.72+0.28+0.11=40.15，约为40 d。解算表详见表4。

表4 实验煤样最短自然发火期解算表

考虑井下生产过程中影响煤自燃的因素众多，为了更贴近矿井实际情况，给出煤层自然发火修正系数为1.2，综合计算出该煤层最短自然发火期为48 d。

4 结论

1）进行了煤层工业性成分、煤自然发火倾向等级测试，发现姜家湾煤矿11 号煤层煤样水分含量为0.90%，灰分含量为6.58%，挥发分含量为29.02%；煤层自燃倾向等级属于Ⅰ类，易自燃。

2）开展了煤氧化升温实验，明确了煤升温加热氧化的临界温度为162 ℃，且明确了CO 是自燃的首选标志气体，通过观察CO 的相对量和变化率可以预测煤炭是否会发生自燃。

3）基于该煤层煤自燃特性，构建了煤自然发火数学模型，结合井下实际工程，给出煤层自然发火修正系数为1.2，综合计算出该煤层最短自然发火期为48 d。该数据可为11 号煤层开采速率以及采空区自然发火防控提供参数支撑。