煤层火灾的早期预测预报与标志气体关系..doc

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煤层火灾的早期预测预报与标志气体关系

十一矿吕坤

内容提要文章主要阐述煤层从氧化自热到发生明火各阶段所产生的标志气体，早期预测预报所测得的不同标志气体，根据标志气体之间的关系，判别煤层火灾的发展程度，从而采取针对性的处理措施。

关键词煤层火灾标志气体关系预测预报

煤层火灾（亦称内因火灾）是煤矿井下煤层因自身引起非控制的燃烧，造成资源、财产损失或人员伤害的一种火灾，也是煤矿主要自然灾害之一。

据“九五”期间统计，全国大约有67%的煤矿发生过煤层自燃火灾，每年冻结煤量近亿吨，直接或间接损失无法用数字表示。

目前，随着煤矿生产工艺的不断改革创新（如：

沿空送巷、大采长回采工作面布置、放顶煤开采等），煤层火灾发生频率还在逐年增高，已严重制约着煤矿的安全生产和经济发展。

本文针对煤层自燃各个阶段所产生的不同标志气体，经过预测标志气体组份，判断煤层自燃程度，尽早采取针对性的措施，破坏其发展所需的外部条件，达到消除隐患，减少损失，防患于未然，确保矿井安全生产的目的。

1煤层自燃程度与标志气体的关系

煤是以碳氢为主体并含有其他矿物元素的矿物体。

由于碳氢与氧的亲和力较强，人们普遍认为煤自燃是煤氧复合放出热量导致的结果，但由于煤体表面分子的复杂性和其结构的多样性，长期以来，人们无法弄清煤体表面活性基因与氧的复合机理、过程及其伴随的热效应。

因此，只能根据煤氧复合的煤体表面分子对氧的物理吸附，煤体表面分子的活性结构对氧的化学吸附，在产生化学吸附的部分活性结构中发生的化学反应等三个主要过程来推断煤自燃的机理，通过对国内外无数个实验室试验的结果和煤矿生产现场煤自燃现象的研究，也证实了这个推断的正确性，可应用性。

煤体自燃一般要经过潜伏期（即吸附氧化）、自热期（即氧化聚热）、发展期（即着火临界阶段）和发生明火等阶段（个别煤种并不一定经过这4个阶段），由于煤自燃的各个阶段温度不同，所产生具有代表性的气体也不同，如CO、C2H4、C2H2等，如果我们利用这些气体作为煤层自燃的标志气体，对其进行预测预报，那么对判别煤的自燃程度，及时采取针对性的措施，消除隐患，防止其发展成灾的工作有着指导性的意义。

目前我国煤矿对煤层火灾的预测预报大部份采用CO作为自燃的标志性气体，仅从CO浓度上判别煤的自燃程度，指标单一，很难准确预测煤自燃（或熄灭）的程度。

特别是采用正压通风的矿井，以CO作为预测预报的单一指标，准确性就更差一些。

但随着科学技术的发展，人类对煤层自燃内在规律的研究不断深入，发现煤在自然氧化和激烈氧化阶段中，还产生乙烯（C2H4）和乙炔（C2H2），而且这两种气体只在特定的氧化阶段和温度区间产生，因此完全可以作为煤自燃的标志气体（国内外已有很多煤矿在应用），如果把CO、C2H2、C2H4及派生指标综合起来进行预测预报，就可以准确的判别煤自燃的程度，有助于采取针对性地措施。

1.1一氧化碳（CO）

一氧化碳随着煤的氧化升温而开始产生，其产生量随着煤温的升高而增大，伴随煤层火灾的全过程。

而煤种不同，一氧化碳产生的温度也不同，如表1所示。

表1不同煤种CO产生的温度比较表

地点

老虎

台矿

古城矿

平煤集团十一矿

丁组

戊组

已组

温度

38℃

56.4℃

60℃

68℃

49℃

1.2乙烯（C2H4）

乙烯仅产生于煤的氧化自热过程中，在一定区间内，随煤温的升高而发生量增大，到达极限温度后，发生量逐渐下降，变化关系单一、明显，如表2所示。

表2不同煤种产生乙烯的温度比较表

地点

老虎

台矿

古城矿

平煤集团十一矿

丁组

戊组

已组

初始温度

118℃

108℃

152℃

120℃

110℃

极限温度

311℃

278℃

310℃

309℃

191℃

1.3乙炔（C2H2）

乙炔仅产生于煤的激烈氧化阶段，具有较强的温度区间特征，变化关系单一、明显，如表3所示。

表3不同煤种产生乙炔的温度比较表

地点

老虎

台矿

古城矿

平煤集团十一矿

丁组

戊组

已组

区间温度

291~358℃

278~399℃

319~400℃

309~408℃

218~424℃

1.4不同的煤种，在自燃过程中所产生的气体与煤的氧化升温的相关性

不同煤种吸附空气流中的氧在自燃过程中产生的气体产物（如CO2、O2、C3H8）与煤的氧化升温有着明显的相关性，但规律性、变化关系复杂不一，只能作为派生或辅助参考指标，只有CO、C2H2、C2H4与煤自燃关系密切，稳定、单一，作为代表性标志气体表征了煤自燃的过程特性，具有与煤温上升（或下降）进程同步的性质，所以根据其量值可综合判断煤自燃程度，也可作为逆指标用来判别煤层火灾熄灭程度，防止复燃。

2煤层自燃火灾的预测预报

2.1煤层自燃火灾的预测预报

一般分3个阶段，即：

（1）早期预测预报：

主要检查有无煤层自燃现象和隐患。

（2）中期预测预报：

主要检查煤层火灾隐患发展趋势和处理后的效果。

（3）晚期预测预报：

主要检查煤层火灾处理后的熄灭趋势和有无复燃的可能。

2.2煤层火灾的预测预报方法

煤层火灾的预测预报方法一般分两种，定性预测和定量预测。

（1）定性预测：

气体预测即检查CO、O2、CO2和水温，以及气体温度和煤层火灾的外部预兆特征。

（2）定量预测：

气体预测即CO、C2H2、C2H4的绝对值和外部预兆的烟气、明火特征。

从形式上来讲，定性与定量的预测是人们对煤层火灾机理掌握后直觉上和理论判断上的预测，但其测试方法上大同小异。

我国目前对煤层火灾的预测预报方法可谓五花八门，从50年代的现场比长式CO检测，60年代的气样色谱化验，80年代的束管红外分析，90年代的气相色谱分析，以及红外测温、同位素氡测试、地质窥探（包括地质雷达和埋测技术），以及仿生嗅味测试技术，应有尽有，其测试技术越来越高，定量测试数据越来越准。

3煤层火灾的早期预测预报

3.1以一氧化碳（CO）为标志气体预测预报

由于一氧化碳是产生于煤自燃全过程中的气体组份，产生的始温度低，应作为煤层火灾早期预测预报的主要标志气体进行测试，其方法是：

有条件的可利用“束管”监测系统进行连续监测，根据所测CO量值的线性关系进行分析性预测预报。

在没有条件的情况下，可利用比长管在现场定人、定时、定量的测试，并将测试结果进行线性分析进行预测预报。

为提高CO量值，煤层火灾预报的准确程度，可用下式加以验证：

H=CO×Q（m3/min）

式中CO—为测点风流中的含量，%；

Q—为测点风流量，m3/min；

H—为测点单位时间内CO绝对涌出量，m3/min。

利用上式来验证预报的准确程度，最大的优点是排除了风量的干扰，把所测的CO绝对值与本矿的发火临界指标值相对比，就可达到准确的预测预报。

3.2以乙烯（C2H4）作为敏感性气体预测预报

乙烯是表征煤体氧化进入加速阶段所生成的气体，随煤温变化关系单一，当测出C2H4气体组份时，煤体水份已干馏，可燃气体产生量增大，CO成倍增加，出现煤焦油味，有的煤种这时还产生烟雾，此刻煤体氧化能力增强，迅速加快，可以把C2H4作为敏感标志气体进行预测预报。

3.3以乙炔（C2H2）作为突防性标志气体预测预报

乙炔气体是唯有煤在进入激烈氧化趋向产生明火阶段才产生的标志气体，检测出C2H2气体组份时，标志着煤本体已完成从氧化聚热到着火的全部准备，这时煤已被干馏，然后CO大量产生，烟雾较浓，可以把C2H2作为灾防性标志气体进行预测预报。

综上所述，煤在氧化自燃阶段所产生的CO、C2H2、C2H4三种气体基本上标志了煤层火灾各个阶段的氧化状态。

及时预测出这三种气体的产生，基本上能判别煤层自燃处在什么阶段，相应发出准确的预报，以便迅速采取针对性的措施，消除隐患，防止发展成灾。

4结束语

在德意志联邦没有统一之前，西德有一学者将煤元素结构列成这样一组化学式—C100H120O5N3S，虽然此化学式未包罗其它矿物元素，但此式基本表明了碳、氢在煤体氧化自燃过程中的主导作用，当掌握了煤氧化自燃的内在规律后，在煤炭开采过程中，有意识的去破坏煤氧化自燃各个阶段所需的外部条件，就能有效地防止煤层火灾的发生。

退一步讲，即使产生了煤层火灾隐患，若煤层火灾的早期预测预报工作扎实，手段齐备，装备齐全（任何一种均可），就能及时发现隐患，准确判断煤自燃处在什么样的阶段，可以将隐患消除在灾害之前，达到防患于未然的目的。