0 引言

目前中国煤自燃火灾早期预测预报方法主要有气味检测法、测温法、物探分析法、指标气体分析法、示踪气体定位法等，其中指标气体分析法由于其测试技术比较系统、完善、简单、便捷，分析结果具有可靠性而被矿井火灾现场广泛应用[1-4]。常用的指标气体有CO，CO2，H2，CH4，C2H4，C2H6[5-7]。张玉龙等[8]研究了不同干空气流量、煤样粒径、升温速率、氧气浓度条件下φ(H2)/φ(CH4)，φ(O2)/φ(CO)，φ(O2)/φ(CO2)，φ(CO2)/φ(CO)，φ(CH4)/φ(CO2)变化规律，结果表明复合指标气体分析法比单一指标气体分析法稳定性更好，φ(O2)/φ(CO),φ(O2)/φ(CO2)受实验条件波动较小，满足气体指标选择原则。刘乔等[9]对比分析了上下煤层煤样在程序升温氧化实验条件下，烷烃气体浓度比值随温度变化趋势，结果显示φ(C2H4)/φ(C2H6)初始出现温度、φ(C3H8)/φ(C2H4)峰值点温度均揭示了煤氧复合进入加速阶段，可用来作为判断煤自然发火的气体指标。陈汝豪等[10]利用灰色关联法将指标气体与温度关联，考察了初始温度、干空气流量、煤样粒度、煤样质量、升温速率5种因素对单一指标气体产生规律的影响。笔者通过煤程序升温氧化实验，研究不同干空气流量、氧气浓度条件下复合气体指标的变化规律，优化气体指标选择，为预测预报煤自然发火提供依据，从而提高煤自燃早期预报可靠性。

1 实验

1.1 实验装置

实验采用煤自燃综合特性测试装置，如图1所示。高压气瓶气体通过气体预热管路从煤样罐底部进入，煤样罐内置铂丝温度探头实时测定煤样温度，通过出气管收集煤样罐上方出口的气体，利用GC-950N型气相色谱仪分析气相产物变化规律。

图1 煤自燃综合特性测试装置
Fig.1 Test device for comprehensive characteristic of coal spontaneous combustion

1.2 实验过程

将工作面采集的新鲜大块煤样装进密封真空袋内，并迅速带回实验室。实验前，在氮气环境下，先剥去煤样表面氧化层，取煤芯部分，经破碎、缩分并筛分出粒径为0.18～0.25 mm的颗粒，将所得煤样置于真空干燥箱30 ℃条件下，干燥24 h得到实验煤样。

煤样罐顶底部预先垫上一层石棉，防止煤粉堵塞气体通道，然后称取50 g实验煤样放入煤样罐内，再铺上一层石棉，连接好实验装置，检查气路的气密性。测试时向煤样内通入干空气，通过调整稳流阀控制气体流量，并设置程序升温箱的初始温度为30 ℃，以1 ℃/min升温速率对煤样进行程序升温至220 ℃，煤样温度每升高10 ℃，恒温运行5 min后，利用气相色谱仪检测生成气体浓度，将φ(C2H4)/φ(CH4)，φ(O2)/(φ(CO)+φ(CO2))，φ(CO)/φ(CO2)，φ(C2H4)/φ(CO)作为复合气体指标，研究不同干空气流量、氧气浓度条件下复合气体指标变化规律。

2 实验结果及分析

2.1 干空气流量

干空气流量变化可提供不同的氧气量参与煤氧反应。为研究干空气流量对复合气体指标的影响，在氧气体积分数为20.96%，干空气流量分别为50，100 mL/min条件下进行实验，复合气体指标变化规律如图2所示。

从图2(a)可看出，干空气流量为100 mL/min时，φ(C2H4)/φ(CH4)先突变上升后稍微下降，再近似线性增加；煤样温度达到180 ℃之后，50 mL/min干空气流量下φ(C2H4)/φ(CH4)略高于100 mL/min时。从图2(b)可看出，不同干空气流量对φ(O2)/(φ(CO)+φ(CO2))几乎没有影响。从图2(c)可看出，干空气流量为100 mL/min时氧气充足，φ(CO)/φ(CO2)增长速率在30～100 ℃时较快，100～150 ℃时增大，150 ℃之后相对减缓，φ(CO)/φ(CO2)整体随着温度升高而增大；干空气流量为50 mL/min时，φ(CO)/φ(CO2)增长速率持续上升。

(a)φ(C2H4)/φ(CH4)

(b)φ(O2)/(φ(CO)+φ(CO2))

(c)φ(CO)/φ(CO2)

(d)φ(C2H4)/φ(CO)

图2 干空气流量对复合气体指标的影响
Fig.2 Influence of dry air flow on composite gas indexes

从图2(d)可看出，在煤样温度达到150 ℃之前，φ(C2H4)/φ(CO)接近0，150 ℃之后φ(C2H4)/φ(CO)快速上升，低于0.006。

2.2 氧气浓度

煤与氧气的相互作用是引起煤自燃的重要原因。煤氧复合是个十分复杂的变化过程，不同氧气浓度对煤自燃各阶段有重要影响，充足的氧气有利于煤氧反应进程加快[11-13]。为研究氧气浓度对复合气体指标的影响，在干空气流量为50 mL/min，氧气体积分数分别为20.96%，18%，12.5%，5%条件下进行实验，复合气体指标变化规律如图3所示。

从图3(a)可看出，在煤样温度达到110 ℃之前，φ(C2H4)/φ(CH4)为0；随着温度上升，φ(C2H4)/φ(CH4)开始逐渐增大，基本呈指数型上升，20.96%，18%，12.5%氧气体积分数下φ(C2H4)/φ(CH4)基本重合，满足气体指标选取原则[14-15]；5%氧气体积分数下，温度越高，φ(C2H4)/φ(CH4)变化率越大，在160 ℃之后开始急剧上升。

从图3(b)可看出，在煤样温度达到100 ℃之前，不同氧气体积分数下φ(O2)/(φ(CO)+φ(CO2))均随温度升高呈单调下降趋势；100 ℃之后，不同氧气体积分数对φ(O2)/(φ(CO)+φ(CO2))基本没有影响，φ(O2)/(φ(CO)+φ(CO2))逐步趋向稳定。

从图3(c)可看出，在煤样温度达到100 ℃之前，不同氧气体积分数下φ(CO)/φ(CO2)变化趋势不明显；随着温度上升，在100～160 ℃时，18%氧气体积分数下φ(CO)/φ(CO2)最大；超过160 ℃时，20.96%氧气体积分数下φ(CO)/φ(CO2)最大；不同氧气体积分数下φ(CO)/φ(CO2)均随温度升高而上升。

从图3(d)可看出，在煤样温度达到160 ℃之前，φ(C2H4)/φ(CO)变化趋势不明显；温度超过160 ℃后，20.96%，18%，12.5%氧气体积分数下φ(C2H4)/φ(CO)变化仍不明显，但5%氧气体积分数下φ(C2H4)/φ(CO)变化显著。

3 结论

(1) 不同干空气流量对φ(O2)/(φ(CO)+φ(CO2))几乎没有影响，因此在不能确定干空气流量的情况下，应选取φ(O2)/(φ(CO)+φ(CO2))作为预测煤自燃的气体指标。

(2) 煤温在100 ℃以下时，φ(O2)/(φ(CO)+φ(CO2))可作为预测煤自燃的气体指标；煤温超过100 ℃时，φ(C2H4)/φ(CH4)和φ(CO)/φ(CO2)可作为预测煤自燃的气体指标；煤温超过160 ℃且氧气体积分数为5%左右时，φ(C2H4)/φ(CO) 也可作为预测煤自燃的气体指标。

(a)φ(C2H4)/φ(CH4)

(b)φ(O2)/(φ(CO)+φ(CO2))

(c)φ(CO)/φ(CO2)

(d)φ(C2H4)/φ(CO)

图3 氧气浓度对复合气体指标的影响
Fig.3 Influence of oxygen concentration on composite gas indexes

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