氣體分析法預測預報典型易燃褐煤自然發火

煤自然發火的難易程度隨著煤的變質程度的加深而減弱，即變質程度較低的褐煤、氣煤等通常具有較強的自然發火危險，而變質程度較高的無煙煤其自然發火危險性較小。在變質程度較低的煤種中，褐煤是典型的具有較強的自然發火危險的煤種之一。筆者在對各煤種自然發火預測預報的標志氣體的研究基礎上，通過近幾年對龍口北皂礦、平莊六家礦等主采褐煤的礦井的自然發火規律的研究，并通過自然發火預測預報的實踐，得出氣體分析法預測預報典型易燃褐煤自然發火的一些經驗，并整理成文，與廣大煤礦安全工作者探討。

1 典型易燃褐煤自然發火標志氣體的特點

1.1 CO標志氣體

眾所周知，CO作為標志氣體來預測煤自然發火已以有很長的歷史，在我國及至世界各國都得到了普遍應用。在過去相當長的時間內人們普遍認為，CO是檢測煤炭氧化自燃發展階段的最靈敏指標。但隨著科學技術的發展和對煤自然發火預測預報的不斷深入研究，人們逐漸發現，CO及其派生指標盡管可用，但并不是唯一的、最準確、最靈敏的指標，尤其對于典型易燃褐煤來說更是如此。

由于CO在煤自然發火過程中的檢測溫度范圍極寬，從40℃一直到進入激烈氧化階段都伴隨著CO的產生，這就使得這一指標的預報范圍過大。對于褐煤這樣的低變質程度煤，往往在采煤工作面、掘進工作面等作業場所常常能檢測到CO的存在。如在龍口北皂煤礦4212綜放工作面后部刮板輸送機頭、綜放支架頂部等部位，從回采到結束都能檢測到CO，其濃度在5×10^-6～30×10^-6之間。還有平莊六家礦WⅡN一段6-3炮采工作面上隅角等處，在回采過程中都能檢測到CO，濃度最大時局部超過100×10^-6，如果在這種情況下用單一的CO作主指標進行火災預測預報，則很難確定目前自然發火所處的狀態。另外，目前很多現場都提出褐煤煤層是否有原生賦存CO的質疑，雖然目前還末見到有確鑿證據證明原生賦存CO存在的報道，但如果這種可能性存在的話，對于褐煤來說，僅用CO作為主指標進行煤自然發火預測預報，不但難以確定自然發火的態勢，甚至連是否發生了自然發火都很難確定。

另外，在現場生產環境下，受風流大小、檢測儀器誤差、取樣地點等因素的影響，很難找出其濃度值所對應的溫度值，使得CO發生量與煤溫之間的變化關系不明確，特別是在現場復雜生產條件下，CO會出現時有時無的情況，使預測預報的精度和準確率大大降低，甚至出現漏報或誤報。

因此，在CO標志氣體應用時一定要謹慎，不能單從某一個具體檢測值來判斷自燃火災態勢，應密切注意CO變化趨勢，如果出現連續增長的勢頭，則應發出自然發火的預警，并配合相應的防滅火技術措施，另外，建議在現場自然發火預測預報中盡量使用CO的派生指標，如火災系數等，以排除風流變化的影響。

1.2 C₂H₄標志氣體

在煤層吸附的瓦斯氣體中，沒有C₂H₄氣體組份，因此可以認為C₂H₄僅是在煤氧化過程中產生的。

雖然C₂H₄的現場應用同樣也遇到和CO一樣的問題，即現場檢測到的C₂H₄可能時有時無、時大時小，但就其臨界溫度而言，則具有很大的應用價值。如果現場檢測到C₂H₄則無可置疑地可以斷定煤已經開始自然氧化，并且此時的煤溫已經超過其臨界溫度值（80～120℃），這比單純用CO又準確了一步，同時也可以根據檢測到的C₂H₄濃度變化的趨勢，估計自然發火溫度在這一溫度段的情況。由于C₂H₄的出現是煤氧化進入加速階段的標志，因此，如果井下檢測到C₂H₄應盡快采取措施，否則很可能在較短的時間內發展為明火火災。所以在礦井自然發火預測預報工作中，密切注意和觀察C₂H₄的出現及其濃度的變化，對礦井防滅火工作具有十分重大的意義。

1.3 C₂H₂標志氣體

C₂H₂出現的時間最晚，出現的臨界溫度值也最高，對于褐煤來說，一般在150～190℃之間。C₂H₂的出現表明煤的氧化已進入劇烈氧化燃燒階段，因此它是煤自燃進入燃燒階段的標志。與CO和烯烴氣體相比，其間有一個明顯的時間差和溫度差，在礦井防滅火工作中，要充分利用這一段時間，積極采取措施，控制和消滅火災事故，有效地阻止自燃向燃燒階段發展，防止事故的擴大。

長期的應用與實踐表明：如果在井下監測區域內檢測到C₂H₂的存在，則可以推斷在監測區域內某處至少存在已經處于陰燃或明火的高溫火點，此時應采取果斷的措施，并注意不要將高溫體直接暴露于空氣中，以免發生明火引燃瓦斯、煤塵等使事故擴大。

1.4 C₂H₄/ C₂H₆標志氣體比率（烯烷比）

褐煤自然發火過程中，C₂H₄/ C₂H₆比值隨煤溫變化的曲線呈駝峰形，其總規律是起初隨著煤溫的升高比值逐漸增大，并達到第一峰值，之后隨煤溫的升高而下降，隨著煤的氧化進入激烈氧化階段，比值又出現在第二次峰值。平莊六家礦C₂H₄/ C₂H₆隨煤溫的曲線如圖1所示。

在C₂H₄產生的開始階段，其發生速率快于C₂H₆的增長速度，因而其比值逐漸增高，并且出現第一次峰值，之后煤的氧化進入了加速氧化階段，C₂H₆發生速率高于C₂H₄的發生速率，因而比值又開始下降，在接近煤的激烈氧化階段后，C₂H₄的發生速率又快于C₂H₆，這樣又出現了第二次峰值。因此，第一次峰值出現是煤開始進入激烈氧化階段的標志。



圖1 平莊六家礦褐煤C₂H₄/ C₂H₆曲線

1.5 鏈烷比

鏈烷比主要包括2類：一類是長鏈的烷烴氣體與甲烷的比值（C₂H₆/CH₄，C₃H₈/ CH₄，C₄H₁₀/ CH₄），另一類是長鏈的烷烴氣體與乙烷的比值（C₃H₈/ C₂H₆，C₄H₁₀/ C₂H₆）。鏈烷比隨煤溫的變化曲線有類似于上述烯烷比的情況，如圖2所示。



圖2 平莊六家礦褐煤的鏈烷比曲線

也就是說，隨著溫的升高鏈烷比會表現出時升時降現象，出現類似峰值，但由于褐煤瓦斯賦存量一般都較小，實際生產過程中有時往往檢測不到甲烷和乙烷，另外就檢測到的甲烷來說，其大部分為吸附氣體，氧化生產的甲烷僅占極小的一部分。因此，從預測預報的角度來看，鏈烷比不適宜作為褐煤自然發火預測預報的指標。

2自燃火災事故預測預報的實例分析

2.1 火災事故發展簡要經過

2001年6月15日，平莊家礦WⅡN一段6-3炮采工作面采空區開始安裝束管采樣系統進行采空區自燃“三帶”觀測試驗，此期間，工作面停止灌漿、灑漿等防滅火措施。為了解決上隅角瓦斯超限的問題，將工作面供風量由原來的220m³/min增加到314m³/min。7月9日上午，該工作面回風流中CO超限，其濃度達0.028％，超前支護段的CO濃度為0.036％，上隅角為0.08％～0.1％，工作面內，由上隅角沿進風方向CO濃度逐漸下降，到距上隅角15m后，CO濃度降至0.0024％以下。7×14日，工作面上隅角及回風流中均檢測出一定濃度的C₂H₄（＜8×10^-6），7月17日C₂H₄濃度發展到13×10^-6～14×10^-6，7月19日猛增到40.5×10^-6。盡管礦方采取各種措施（主要是用沙袋封堵上風側向采空區的漏風）全力以赴控制和消滅這起火災事故，但考慮到即將來臨的半個月的全礦停產放假以及火災表現出迅猛并難以控制的趨勢等因素。該工作面被迫封閉，并在密閉后方20m的地方重新布置切眼，恢復通風系統。

2.2 采空區自然發火征兆分析

雖然WⅡN一段6-3炮采工作面氣體采樣分析中一直沒有檢測到C₂H₂，但在該工作面采空區氣體監測時，早在7月3日1^#測點檢測出32.2×10^-6的C₂H₂，此時C₂H₄的濃度也高達278.27×10^-6、CO濃度為249×10^-6。以此可以看出，至工作面回風流CO超限之前，采空區自然發火曾表現出明顯的發火征兆，由于采樣管路損壞，CO異常時沒有采集采空區氣樣，無法與工作面氣體進行對比分析，但C₂H₄和C₂H₂都是表征煤自燃加速氧化和激烈氧化階段的標志氣體，其濃度達到如此高的程度，表明采空區內確實有高溫火源存在，進一步驗證了工作面氣體分析預測的結果，并且在很短的時間內火災迅速發展，直至該工作面被迫封閉。

3 褐煤自然發火預測預報標志氣體應用的體會

依據單一的CO標志氣體，很難判斷自然發火態勢。由于受風流等因素的影響，單憑回風流或上隅角CO濃度的大小變化的小范圍波動很難做出火勢增強或減弱的預測，但當濃度發生數量級的躍遷時，如果能排除風流影響，則可以做出火勢增強的預警，但還很難判斷火災發展到何種程度，只有參考C₂H₄、C₂H₂