煤層火災(zāi)的早期預(yù)測預(yù)報(bào)與標(biāo)志氣體關(guān)系

1、5/8煤層火災(zāi)的早期預(yù)測預(yù)報(bào)與標(biāo)志氣體關(guān)系礦XXXX內(nèi)容提要文章主要闡述煤層從氧化自熱到發(fā)生明火各階段所產(chǎn)生的標(biāo)志氣體，早期預(yù)測預(yù)報(bào)所測得的不同標(biāo)志氣體，根據(jù)標(biāo)志氣體之間的關(guān)系，判別煤層火災(zāi)的發(fā)展程度，從而采取針對性的處理措施。關(guān)鍵詞煤層火災(zāi)標(biāo)志氣體關(guān)系預(yù)測預(yù)報(bào)煤層火災(zāi)（亦稱內(nèi)因火災(zāi)）是煤礦井下煤層因自身引起非控制的燃燒，造成資源、財(cái)產(chǎn)損失或人員傷害的一種火災(zāi)，也是煤礦主要自然災(zāi)害之一。據(jù)九五期間統(tǒng)計(jì)，全國大約有67%的煤礦發(fā)生過煤層自燃火災(zāi)，每年凍結(jié)煤量近億噸，直接或間接損失無法用數(shù)字表示。目前，隨著煤礦生產(chǎn)工藝的不斷改革創(chuàng)新（如：煤層火災(zāi)發(fā)生頻率 本文針對煤層自燃 判斷煤層自燃程 達(dá)到消除

2、隱患，減沿空送巷、大采長回采工作面布置、放頂煤開采等），還在逐年增高，已嚴(yán)重制約著煤礦的安全生產(chǎn)和經(jīng)濟(jì)發(fā)展。各個(gè)階段所產(chǎn)生的不同標(biāo)志氣體，經(jīng)過預(yù)測標(biāo)志氣體組份,度，盡早采取針對性的措施，破壞其發(fā)展所需的外部條件,少損失，防患于未然，確保礦井安全生產(chǎn)的目的。1煤層自燃程度與標(biāo)志氣體的關(guān)系煤是以碳?xì)錇橹黧w并含有其他礦物元素的礦物體。由于碳?xì)渑c氧的親和力較強(qiáng)，人們普遍認(rèn)為煤自燃是煤氧復(fù)合放出熱量導(dǎo)致的結(jié)果，但由于煤體表面分子的復(fù)雜性和其結(jié)構(gòu)的多樣性，長期以來，人們無法弄清煤體表面活性基因與氧的復(fù)合機(jī)理、過程及其伴隨的熱效應(yīng)。因此，只能根據(jù)煤氧復(fù)合的煤體表面分子對氧的物理吸附，煤體表面分子的活性結(jié)構(gòu)對

3、氧的化學(xué)吸附，在產(chǎn)生化學(xué)吸附的部分活性結(jié)構(gòu)中發(fā)生的化學(xué)反應(yīng)等三個(gè)主要過程來推斷煤自燃的機(jī)理，通過對國內(nèi)外無數(shù)個(gè)實(shí)驗(yàn)室試驗(yàn)的結(jié)果和煤礦生產(chǎn)現(xiàn)場煤自燃現(xiàn)象的研究，也證實(shí)了這個(gè)推斷的正確性，可應(yīng)用性。煤體自燃一般要經(jīng)過潛伏期（即吸附氧化）、自熱期（即氧化聚熱）、發(fā)展期（即著火臨界階段）和發(fā)生明火等階段（個(gè)別煤種并不一定經(jīng)過這4個(gè)階段），由于煤自燃的各個(gè)階段溫度不同，所產(chǎn)生具有代表性的氣體也不同，如CO、C2H4、C2H2等，如果我們利用這些氣體作為煤層自燃的標(biāo)志氣體，對其進(jìn)行預(yù)測預(yù)報(bào)，那么對判別煤的自燃程度，及時(shí)采取針對性的措施，消除隱患，防止其發(fā)展成災(zāi)的工作有著指導(dǎo)性的意義。目前我國煤礦對煤層火災(zāi)

4、的預(yù)測預(yù)報(bào)大部份采用CO作為自燃的標(biāo)志性氣體，僅從C。濃度上判別煤的自燃程度，指標(biāo)單一，很難準(zhǔn)確預(yù)測煤自燃（或熄滅）的程度。特別是采用正壓通風(fēng)的礦井，以C。作為預(yù)測預(yù)報(bào)的單一指標(biāo)，準(zhǔn)確性就更差一些。但隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，人類對煤層自燃內(nèi)在規(guī)律的研究不斷深入，發(fā)現(xiàn)煤在自然氧化和激烈氧化階段中，還產(chǎn)生乙烯（C2H4）和乙快（C2H2）,而且這兩種氣體只在特定的氧化階段和溫度區(qū)間產(chǎn)生，因此完全可以作為煤自燃的標(biāo)志氣體（國內(nèi)外已有很多煤礦在應(yīng)用），如果把C。、C2H2、C2H4及派生指標(biāo)綜合起來進(jìn)行預(yù)測預(yù)報(bào)，就可以準(zhǔn)確的判別煤自燃的程度，有助于采取針對性地措施。1.1 一氧化碳（CO）一氧化碳隨著煤的

5、氧化升溫而開始產(chǎn)生，其產(chǎn)生量隨著煤溫的升高而增大，伴隨煤層火災(zāi)的全過程。而煤種不同，一氧化碳產(chǎn)生的溫度也不同，如表1所示。表1不同煤種co產(chǎn)生的溫度比較表地點(diǎn)XX臺(tái)礦溫度3856.4xx礦平煤集團(tuán)十一礦丁組60戊組68已組491.2 乙烯（C2H4）乙烯僅產(chǎn)生于煤的氧化自熱過程中，在一定區(qū)間內(nèi)，隨煤溫的升高而發(fā)生量增大，到達(dá)極限溫度后，發(fā)生量逐漸下降，變化關(guān)系單一、明顯，如表2所不。表2不同煤種產(chǎn)生乙烯的溫度比較表地點(diǎn)XX臺(tái)礦初始溫度極限溫度118311108278xx礦平煤集團(tuán)十一礦丁組152310戊組1203090c已組1101911.3 乙快（C2H2）乙快僅產(chǎn)生于煤的激烈氧化階段，具有

6、較強(qiáng)的溫度區(qū)間特征，變化關(guān)系單一、明顯，如表3所示。表3不同煤種產(chǎn)生乙快的溫度比較表地點(diǎn)XX臺(tái)礦XX礦XX組平煤集團(tuán)十一礦戊組已組區(qū)間溫度2913580c2783990c3194000c3094082184240cL4不同的煤種，在自燃過程中所產(chǎn)生的氣體與煤的氧化升溫的相關(guān)性不同煤種吸附空氣流中的氧在自燃過程中產(chǎn)生的氣體產(chǎn)物（如C02、02、C3H8）與煤的氧化升溫有著明顯的相關(guān)性，但規(guī)律性、變化關(guān)系復(fù)雜不一，只能作為派生或輔助參考指標(biāo)，只有C。、C2H2、C2H4與煤自燃關(guān)系密切，穩(wěn)定、單一，作為代表性標(biāo)志氣體表征了煤自燃的過程特性，具有與煤溫上升（或下降）進(jìn)程同步的性質(zhì)，所以根據(jù)其量值可綜

7、合判斷煤自燃程度，也可作為逆指標(biāo)用來判別煤層火災(zāi)熄滅程度，防止復(fù)燃。2煤層自燃火災(zāi)的預(yù)測預(yù)報(bào)2.1 煤層自燃火災(zāi)的預(yù)測預(yù)報(bào)一般分3個(gè)階段，即：（1）早期預(yù)測預(yù)報(bào)：主要檢查有無煤層自燃現(xiàn)象和隱患。（2）中期預(yù)測預(yù)報(bào)：主要檢查煤層火災(zāi)隱患發(fā)展趨勢和處理后的效果。（3）晚期預(yù)測預(yù)報(bào)：主要檢查煤層火災(zāi)處理后的熄滅趨勢和有無復(fù)燃的可能。2.2煤層火災(zāi)的預(yù)測預(yù)報(bào)方法煤層火災(zāi)的預(yù)測預(yù)報(bào)方法一般分兩種，定性預(yù)測和定量預(yù)測。（1）定性預(yù)測：氣體預(yù)測即檢查C。、02、CO2和水溫，以及氣體溫度和煤層火災(zāi)的外部預(yù)兆特征。(2)定量預(yù)測：氣體預(yù)測即C。、C2H2、C2H4的絕對值和外部預(yù)兆的煙氣、明火特征。從形式上來

8、講，定性與定量的預(yù)測是人們對煤層火災(zāi)機(jī)理掌握后直覺上和理論判斷上的預(yù)測，但其測試方法上大同小異。我國目前對煤層火災(zāi)的預(yù)測預(yù)報(bào)方法可謂五花八門，從50年代的現(xiàn)場比長式C。檢測，60年代的氣樣色譜化驗(yàn)，80年代的束管紅外分析，90年代的氣相色譜分析，以及紅外測溫、同位素氮測試、地質(zhì)窺探(包括地質(zhì)雷達(dá)和埋測技術(shù))，以及仿生嗅味測試技術(shù)，應(yīng)有盡有，其測試技術(shù)越來越高，定量測試數(shù)據(jù)越來越準(zhǔn)。3煤層火災(zāi)的早期預(yù)測預(yù)報(bào)3.1 以一氧化碳(CO)為標(biāo)志氣體預(yù)測預(yù)報(bào)由于一氧化碳是產(chǎn)生于煤自燃全過程中的氣體組份，產(chǎn)生的始溫度低，應(yīng)作為煤層火災(zāi)早期預(yù)測預(yù)報(bào)的主要標(biāo)志氣體進(jìn)行測試，其方法是：有條件的可利用束管監(jiān)測系統(tǒng)

9、進(jìn)行連續(xù)監(jiān)測，根據(jù)所測C。量值的線性關(guān)系進(jìn)行分析性預(yù)測預(yù)報(bào)。在沒有條件的情況下，可利用比長管在現(xiàn)場定人、定時(shí)、定量的測試，并將測試結(jié)果進(jìn)行線性分析進(jìn)行預(yù)測預(yù)報(bào)。為提高co量值，煤層火災(zāi)預(yù)報(bào)的準(zhǔn)確程度，可用下式加以驗(yàn)證：H=COxQ(m3/min)式中C。一為測點(diǎn)風(fēng)流中的含量，；Q為測點(diǎn)風(fēng)流量，m3/min；H一為測點(diǎn)單位時(shí)間內(nèi)C。絕對涌出量，m3/min。利用上式來驗(yàn)證預(yù)報(bào)的準(zhǔn)確程度，最大的優(yōu)點(diǎn)是排除了風(fēng)量的干擾，把所測的CO絕對值與本礦的發(fā)火臨界指標(biāo)值相對比，就可達(dá)到準(zhǔn)確的預(yù)測預(yù)報(bào)。3.2 以乙烯（C2H4）作為敏感性氣體預(yù)測預(yù)報(bào)乙烯是表征煤體氧化進(jìn)入加速階段所生成的氣體，隨煤溫變化關(guān)系單一

10、，當(dāng)測出C2H4氣體組份時(shí)，煤體水份已干儲(chǔ)，可燃?xì)怏w產(chǎn)生量增大，C。成倍增加，出現(xiàn)煤焦油味，有的煤種這時(shí)還產(chǎn)生煙霧，此刻煤體氧化能力增強(qiáng)，迅速加快，可以把C2H4作為敏感標(biāo)志氣體進(jìn)行預(yù)測預(yù)報(bào)。3.3 以乙快（C2H2）作為突防性標(biāo)志氣體預(yù)測預(yù)報(bào)乙快氣體是唯有煤在進(jìn)入激烈氧化趨向產(chǎn)生明火階段才產(chǎn)生的標(biāo)志氣體，檢測出C2H2氣體組份時(shí)，標(biāo)志著煤本體已完成從氧化聚熱到著火的全部準(zhǔn)備，這時(shí)煤已被干儲(chǔ)，然后C。大量產(chǎn)生，煙霧較濃，可以把C2H2作為災(zāi)防性標(biāo)志氣體進(jìn)行預(yù)測預(yù)報(bào)。綜上所述，煤在氧化自燃階段所產(chǎn)生的8、C2H2、C2H4三種氣體基本上標(biāo)志了煤層火災(zāi)各個(gè)階段的氧化狀態(tài)。及時(shí)預(yù)測出這三種氣體的產(chǎn)生，基本上能判別煤層自燃處在什么階段，相應(yīng)發(fā)出準(zhǔn)確的預(yù)報(bào)，以便迅速采取針對性的措施，消除隱患，防止發(fā)展成災(zāi)。4結(jié)束語在德意志聯(lián)邦沒有統(tǒng)一之前，西德有一學(xué)者將煤元素結(jié)構(gòu)列成這樣一組化學(xué)式一C100H12005N3S,雖然此化學(xué)式未包羅其它礦物元素，但此式基本表明了碳、氫在煤體氧化自燃過程中的主導(dǎo)作用，當(dāng)掌握了煤