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引言：本实验为了了解聚鑫龙煤矿煤炭在不同粒径下的自然氧化规律，通过对聚鑫龙煤矿工作面煤样的氧化热解模拟实验，绘制了各种氧化热解产生的指标性气体如CO，C2H4，CO2等气体，在不同粒径的煤样进行热解实验产生的气体浓度随温度变化曲线，分析煤样的自燃过程，以此掌握不同粒径的煤样下的自燃过程状况，从而掌握该矿工作面与采空区的煤炭自然规律，并针对聚鑫龙煤矿煤样自燃的特点制定有效合理的煤炭自燃发火防止措施，为本矿的高效生产提供安全保障，同时对于同类型煤矿的防火工作也具有一定的指导意义。
矿井火灾是煤矿生产过程中主要的自然灾害之一，内因火灾是矿井火灾的主要类型，而煤炭自然是导致内因火灾的主要原因。我国存在煤炭自燃的矿井占矿井总数的56%，具有自燃发火危险的煤层数占累计可采煤层数的60%；煤炭自然而引起的火灾数占矿井火灾总数的85%-90%[1]。煤自燃指标气体指能预测和反映煤自然发火状态的某种气体，这种气体的产率随煤温上升而发生规律性变化。煤炭自燃后随着氧化程度的不同将依次逸出各种气体，这些气体的出现及其释放量基本能准确反应煤炭的自燃程度。因此，准确地分析煤炭自燃逸出气体及数量，可以更好的进行煤炭自燃的治理[2]。
但是各种指标性气体的产生受到多种因素的影响，所以要结合不同煤矿和煤样的具体情况以及实验研究相结合的方法，找出矿井火灾自燃指标性气体浓度在不同粒径与不同温度下的变化情况，来确定不同风量对本矿井煤炭自燃的影响。但是在矿井的实际情况下很难进行研究，所以实验室的模拟实验研究成为当前情况下较为合理可行的方法。本实验在程序升温的条件下测定不同粒径的气体產生量，以分析不同风量下的煤的自燃特性，这对于研究本矿煤炭自燃机理、预测和防止煤层自燃具有重要的意义[3]。
1实验装置系统
为了研究聚鑫龙煤矿的煤炭的自热过程中在不同的温度下与不同的粒径下释放出的气体的成分与浓度的变化情况，进而为确定煤炭的不同粒径对煤炭自燃的影响情况提供理论与实验依据，本实验设计制造了模拟煤炭自燃的实验系统。
该试验系统主要由四个部分组成：
（1）氧化热解装置：由煤样罐、恒温加热箱和保温层组成；
（2）通气系统：由空气泵、缓冲罐、流量计和通气管道组成，氧化煤样用的空气由风机供给， 通过流量计、管路进入氧化炉的底部的环形管， 为了使气流均匀， 在环形管的两侧和下部钻有小孔；
（3）气体分析装置：采用GC4000A气相色谱仪，配以氢焰检测器和热导检测器组成，热导检测器（TCD）：灵敏度S≥5000mv.ml/mg（苯） ；噪声≤0.1mv 氢火焰离子化检测器（FID）：灵敏度M≤1×10-11g/sec；噪声≤5×10-14A；
（4）煤温检测及温度控制装置：煤温由插入煤体的热电偶和毫伏特表配合测定，煤温的控制由程序自动控制精度为0.1℃。
2实验方法
根据氧化试验的需要和采样标准，在新暴露煤壁采集新鲜煤样，并现场密封，然后运至实验室。实验时打开密封袋，将大块煤粉碎，实验粒径0～7mm。实验煤样为200克，分别取0～1mm、1～3mm、3～7mm煤样放入加热炉内进行试验。
确认实验仪器状态良好，各种相关仪器运行正常后，向煤样罐中加入待测煤样。以60mL/min的稳定流量向煤样罐中通入标准干空气。插入热电偶采集煤样的实时温度，开启数据采集与控制系统加热煤样至30℃，将恒温加热箱设定为1℃/min程序升温，煤样温度从30℃开始，在30℃～310℃每隔20℃利用气相色谱仪对恒温加热箱出口的各种气体浓度进行测定，在310℃～400℃每隔30℃利用气相色谱仪对恒温加热箱出口的各种气体浓度进行测定，并记录，当煤样温度升高到400℃实验停止。
3实验结果与分析
在试验中测定了各种煤样在不同温度与不同粒径下的CO，CO2，C2H6，C2H4的浓度值。
3.1 煤炭自燃指标气体的选取
选择适当的指标性气体是应用气体分析法进行煤炭自燃早期预报的前提。而指标性气体一般认为应具备以下几个基本特征：（1）灵敏性：当煤炭发生自热且煤温升高到一定程度时，该气体一定会出现，并随着煤温的升高其生成速率稳定增加；（2）规律性：在一定区域范围内的各种煤样在热解时，出现该气体的最低温度基本相同，其生成速率的变化与煤温之间有较好的对应关系且重复性较好；（3）可测性：现有检测仪器能够检知并能满足检测要求[4]；（4）唯一性：仅因燃烧才会出现的气体；（5）单调变化性：浓度随温度单调上升或下降，呈现较强的规律性；（6）早期呈现性：指标气体必须在煤炭发生早期出现，以便于及早进行预警[5]。
3.2 实验结果分析
根据实验结果绘制了煤样中的CO、C2H4和CO2 各气体浓度随温度变化的曲线如图1、2、3 所示。
（1）煤氧化过程中，CO、CO2气体析出随氧化温度的升高，由缓慢增加变至急剧增加。综合3个煤样的CO检测出的温度，可以认为聚鑫龙矿CO出现的临界温度为30℃左右，而3个煤样在210℃～230℃时出现斜率增大的情况，并且呈现单调递增的趋势，以此可认为聚鑫龙矿的CO发生速率临界温度为210℃。在低温氧化的情况下会产生大量的CO2气体，而CO2一般不做指标性气体在此仅作为煤样燃烧速率变换情况的参考气体。
（2）C2H4在氧化过程中的析出规律与CO和CO2相似，也是随着温度的升高有缓慢增加到快速上升。3组煤样中0～1mm组产生C2H4的起始温度最低大约在150℃左右但是生成量很小，而3组煤样产生气体的温度平均在200℃左右，所以认为聚鑫龙煤矿的C2H4的出现临界温度在200℃左右。目前一般认为C2H4与煤温之间的关系明确而又简单，环境对C2H4产生的影响很小，因而许多国家都趋向于在测定CO的同时也测定C2H4值[6]。
4结论
（1）通过实验研究，聚鑫龙煤样在氧化过程中有规律的出现CO气体，其生成量随煤温的升高而增大，因此CO可作为预报煤炭自燃的标志性气体，C2H4 作为辅助指标气体而C2H6 不能作为指标气体。
（2）煤样的热解实验气体浓度随温度变化图表明：当煤温升至约200℃左右时，检测到的指标气体CO浓度随煤温升高迅速增加；当煤温升高到300℃时C2H4浓度迅速增加；若条件合适，煤样将很快进入煤炭着火状态。因此，聚鑫龙煤矿采空区与工作面来说，当能同时检测CO 、C2H4气体，并且其气体浓度稳定增大时，必须引起高度重视，应立即采取有效措施控制煤的氧化自燃。
（3）温度一定时煤样热分解生成的CO 、CO2 及C2H4 浓度均随粒径变小而增大故针对聚鑫龙煤矿的煤的粒径越小煤的自燃性越强。
参考文献
[1]王德明.矿井火灾学[M].徐州：中国矿业大学出版社，2008.
[2]王省身，张国枢.矿井火灾防治[M].徐州：中国矿业大学出版社，1990.
[3]王云.矿井火灾预防与处理[M].北京：煤炭工业出版社，1992.
[4]谢振华，金龙哲，任宝宏.煤炭自燃特性与指标气体的优选[J].煤矿安全，2004，（2）：10-12.
[5]朱令起，周心权，谢建国，朱迎春.自然发火标志气体实验分析及优化选择[J].采矿与安全工程学报，2008，25（4）：440-444.
[6]谢振华，金龙哲，宋存义.程序升温条件下煤炭自燃特性[J].北京科技大学学报，2003，25（1）：12-14.
（作者单位：中国矿业大学（北京）资源与安全工程学院）
矿井火灾是煤矿生产过程中主要的自然灾害之一，内因火灾是矿井火灾的主要类型，而煤炭自然是导致内因火灾的主要原因。我国存在煤炭自燃的矿井占矿井总数的56%，具有自燃发火危险的煤层数占累计可采煤层数的60%；煤炭自然而引起的火灾数占矿井火灾总数的85%-90%[1]。煤自燃指标气体指能预测和反映煤自然发火状态的某种气体，这种气体的产率随煤温上升而发生规律性变化。煤炭自燃后随着氧化程度的不同将依次逸出各种气体，这些气体的出现及其释放量基本能准确反应煤炭的自燃程度。因此，准确地分析煤炭自燃逸出气体及数量，可以更好的进行煤炭自燃的治理[2]。
但是各种指标性气体的产生受到多种因素的影响，所以要结合不同煤矿和煤样的具体情况以及实验研究相结合的方法，找出矿井火灾自燃指标性气体浓度在不同粒径与不同温度下的变化情况，来确定不同风量对本矿井煤炭自燃的影响。但是在矿井的实际情况下很难进行研究，所以实验室的模拟实验研究成为当前情况下较为合理可行的方法。本实验在程序升温的条件下测定不同粒径的气体產生量，以分析不同风量下的煤的自燃特性，这对于研究本矿煤炭自燃机理、预测和防止煤层自燃具有重要的意义[3]。
1实验装置系统
为了研究聚鑫龙煤矿的煤炭的自热过程中在不同的温度下与不同的粒径下释放出的气体的成分与浓度的变化情况，进而为确定煤炭的不同粒径对煤炭自燃的影响情况提供理论与实验依据，本实验设计制造了模拟煤炭自燃的实验系统。
该试验系统主要由四个部分组成：
（1）氧化热解装置：由煤样罐、恒温加热箱和保温层组成；
（2）通气系统：由空气泵、缓冲罐、流量计和通气管道组成，氧化煤样用的空气由风机供给， 通过流量计、管路进入氧化炉的底部的环形管， 为了使气流均匀， 在环形管的两侧和下部钻有小孔；
（3）气体分析装置：采用GC4000A气相色谱仪，配以氢焰检测器和热导检测器组成，热导检测器（TCD）：灵敏度S≥5000mv.ml/mg（苯） ；噪声≤0.1mv 氢火焰离子化检测器（FID）：灵敏度M≤1×10-11g/sec；噪声≤5×10-14A；
（4）煤温检测及温度控制装置：煤温由插入煤体的热电偶和毫伏特表配合测定，煤温的控制由程序自动控制精度为0.1℃。
2实验方法
根据氧化试验的需要和采样标准，在新暴露煤壁采集新鲜煤样，并现场密封，然后运至实验室。实验时打开密封袋，将大块煤粉碎，实验粒径0～7mm。实验煤样为200克，分别取0～1mm、1～3mm、3～7mm煤样放入加热炉内进行试验。
确认实验仪器状态良好，各种相关仪器运行正常后，向煤样罐中加入待测煤样。以60mL/min的稳定流量向煤样罐中通入标准干空气。插入热电偶采集煤样的实时温度，开启数据采集与控制系统加热煤样至30℃，将恒温加热箱设定为1℃/min程序升温，煤样温度从30℃开始，在30℃～310℃每隔20℃利用气相色谱仪对恒温加热箱出口的各种气体浓度进行测定，在310℃～400℃每隔30℃利用气相色谱仪对恒温加热箱出口的各种气体浓度进行测定，并记录，当煤样温度升高到400℃实验停止。
3实验结果与分析
在试验中测定了各种煤样在不同温度与不同粒径下的CO，CO2，C2H6，C2H4的浓度值。
3.1 煤炭自燃指标气体的选取
选择适当的指标性气体是应用气体分析法进行煤炭自燃早期预报的前提。而指标性气体一般认为应具备以下几个基本特征：（1）灵敏性：当煤炭发生自热且煤温升高到一定程度时，该气体一定会出现，并随着煤温的升高其生成速率稳定增加；（2）规律性：在一定区域范围内的各种煤样在热解时，出现该气体的最低温度基本相同，其生成速率的变化与煤温之间有较好的对应关系且重复性较好；（3）可测性：现有检测仪器能够检知并能满足检测要求[4]；（4）唯一性：仅因燃烧才会出现的气体；（5）单调变化性：浓度随温度单调上升或下降，呈现较强的规律性；（6）早期呈现性：指标气体必须在煤炭发生早期出现，以便于及早进行预警[5]。
3.2 实验结果分析
根据实验结果绘制了煤样中的CO、C2H4和CO2 各气体浓度随温度变化的曲线如图1、2、3 所示。
（1）煤氧化过程中，CO、CO2气体析出随氧化温度的升高，由缓慢增加变至急剧增加。综合3个煤样的CO检测出的温度，可以认为聚鑫龙矿CO出现的临界温度为30℃左右，而3个煤样在210℃～230℃时出现斜率增大的情况，并且呈现单调递增的趋势，以此可认为聚鑫龙矿的CO发生速率临界温度为210℃。在低温氧化的情况下会产生大量的CO2气体，而CO2一般不做指标性气体在此仅作为煤样燃烧速率变换情况的参考气体。
（2）C2H4在氧化过程中的析出规律与CO和CO2相似，也是随着温度的升高有缓慢增加到快速上升。3组煤样中0～1mm组产生C2H4的起始温度最低大约在150℃左右但是生成量很小，而3组煤样产生气体的温度平均在200℃左右，所以认为聚鑫龙煤矿的C2H4的出现临界温度在200℃左右。目前一般认为C2H4与煤温之间的关系明确而又简单，环境对C2H4产生的影响很小，因而许多国家都趋向于在测定CO的同时也测定C2H4值[6]。
4结论
（1）通过实验研究，聚鑫龙煤样在氧化过程中有规律的出现CO气体，其生成量随煤温的升高而增大，因此CO可作为预报煤炭自燃的标志性气体，C2H4 作为辅助指标气体而C2H6 不能作为指标气体。
（2）煤样的热解实验气体浓度随温度变化图表明：当煤温升至约200℃左右时，检测到的指标气体CO浓度随煤温升高迅速增加；当煤温升高到300℃时C2H4浓度迅速增加；若条件合适，煤样将很快进入煤炭着火状态。因此，聚鑫龙煤矿采空区与工作面来说，当能同时检测CO 、C2H4气体，并且其气体浓度稳定增大时，必须引起高度重视，应立即采取有效措施控制煤的氧化自燃。
（3）温度一定时煤样热分解生成的CO 、CO2 及C2H4 浓度均随粒径变小而增大故针对聚鑫龙煤矿的煤的粒径越小煤的自燃性越强。
参考文献
[1]王德明.矿井火灾学[M].徐州：中国矿业大学出版社，2008.
[2]王省身，张国枢.矿井火灾防治[M].徐州：中国矿业大学出版社，1990.
[3]王云.矿井火灾预防与处理[M].北京：煤炭工业出版社，1992.
[4]谢振华，金龙哲，任宝宏.煤炭自燃特性与指标气体的优选[J].煤矿安全，2004，（2）：10-12.
[5]朱令起，周心权，谢建国，朱迎春.自然发火标志气体实验分析及优化选择[J].采矿与安全工程学报，2008，25（4）：440-444.
[6]谢振华，金龙哲，宋存义.程序升温条件下煤炭自燃特性[J].北京科技大学学报，2003，25（1）：12-14.
（作者单位：中国矿业大学（北京）资源与安全工程学院）