煤在氧化升溫過(guò)程中，會(huì )釋放出CO、CO2、烷烴、烯烴以及炔烴等指性氣體。這些氣體的產(chǎn)生率隨煤溫上升而發(fā)生規律性的變化，能預測和反映煤自然發(fā)火狀態(tài)。CO貫穿于整個(gè)煤自然發(fā)火過(guò)程中，一般在50℃以上就可測定出來(lái)，出現時(shí)濃度較高；烷烴（乙烷、丙烷）出現的時(shí)間幾乎與CO同步，貫穿于全過(guò)程，但其濃度低于CO，而且在不同煤種中有不同的顯現規律；烯烴較CO和烷烴出現得晚，乙烯在110℃左右能被測出，是煤自然發(fā)火進(jìn)程加速氧化階段的標志氣體，在開(kāi)始產(chǎn)生時(shí)，濃度略高于炔烴氣體；炔烴出現的時(shí)間最晚，只有在較高溫度段才出現，與前兩者之間有一個(gè)明顯的溫度差和時(shí)間差，是煤自然發(fā)火步入激烈氧化階段（也即燃燒階段）的產(chǎn)物。因此，在這一系列氣體中，選擇一些氣體作為指標氣體，以及準確檢測，就能可靠判斷自然發(fā)火的征兆和狀態(tài)。
1 指標氣體及其選擇
目前，國內外可作為煤自然發(fā)指標氣體主要有CO、C2H6、CH4、C2H4、C2H2、△O2（△O2為氧氣消耗量）等及其生成的輔助性指標。早在“七·五”期間，國家攻關(guān)項目《各煤種自然發(fā)火標志氣體指標研究》的研究中，對我國各礦區有代表性的煤種進(jìn)行了自然發(fā)火氣體產(chǎn)物的模擬試驗，得出了指標氣體與煤種及煤巖之間的關(guān)系。
1）隨著(zhù)煤種的不同，煤自然發(fā)火氧化階段（緩慢氧化階段、加速氧化階段、激烈氧化階段）的溫度范圍、氣體產(chǎn)物和特性都不同；
2）各煤種從緩慢氧化階段的氣體產(chǎn)物優(yōu)選為靈敏指標的為：褐煤、長(cháng)焰煤、氣煤、肥煤以烯烴或烷比為首選，以CO及其派生的指標為輔，而焦煤、貧煤和瘦煤則以CO及其派生的指標為首選，C2H4或烯烷比為輔；無(wú)煙煤和高硫煤唯一依據是CO及其派生指標；
3）C2H4可用于氣體分析法中表征低變質(zhì)程度煤著(zhù)火征兆的靈敏指標，同時(shí)也可以作為判斷煤自然發(fā)火熄滅程度的指標；C2H4/ C2H2比值可以更準確地表征煤著(zhù)火溫度的最高溫度點(diǎn)，結合其他參數可用于判斷著(zhù)火前的時(shí)間。
因此，必須充分認識到CO并非唯一的煤自然發(fā)火氣體指標。它還有許多不足：檢測溫度范圍極寬；CO產(chǎn)生量同煤溫之間的關(guān)系不明確，特別是在現場(chǎng)復雜條件下，受風(fēng)流、煤體原生氣體組分、測點(diǎn)選擇及生產(chǎn)過(guò)程等因素影響，難以確定煤氧化自燃的發(fā)展階段，使預測預報的準確率和精度降低。
2 煤自燃指標氣體靈敏度的提高技術(shù)
由于指標氣體在井下氣流中不濃度非常小，低于現有檢測儀器的檢測精度，使得某些本應可以有效反映井下煤自燃狀態(tài)的指標氣體就可能因檢測不出或測不準而無(wú)法利用。采用氣體的吸附與濃縮技術(shù)，可提高檢測氣體的靈敏度，改善現有指標氣體預報準確度不高的缺陷。
2.1 氣體的吸附與濃縮原理
利用多孔性吸附介質(zhì)對煤自燃過(guò)程中產(chǎn)生的氣體的選擇吸附性能，對氣體進(jìn)行吸附濃縮，達到可檢測的目的?？捎糜跉怏w吸附的多孔介質(zhì)種類(lèi)比較多，但活性炭具有對有機物的吸附效率高、再生能力好、價(jià)格低廉等特點(diǎn)，故采用果殼類(lèi)活性炭作為吸附劑來(lái)吸附濃縮煤在自燃升溫過(guò)程中釋放的指標氣體。氣體經(jīng)過(guò)活性炭吸附，達到吸附平衡后，可通過(guò)加熱解吸再生，解吸時(shí)，采用不同的解吸時(shí)間，確保吹掃脫附干凈。
2.2 指標氣體吸附與濃縮規律
2.2.1 烷烴類(lèi)和烯烴類(lèi)氣體的吸附與濃縮
實(shí)驗研究?jì)贾莸V區某煤樣表明，煤溫在低于80℃時(shí)，檢測不到任何有機氣體組分。當煤體溫度在110℃以上時(shí)，開(kāi)始檢測到乙烷、乙烯。隨著(zhù)熱解溫度的進(jìn)一步提高，烷烴氣體、烯烴氣體的組分數也隨之增加，140℃時(shí)開(kāi)始出現甲烷、丙烷，170℃時(shí)出現了丙烯氣體，到了200℃已能檢測到丁烷和戊烷。但經(jīng)濃縮處理后的指標氣體，50℃時(shí)即可檢測到甲烷、乙烷、丙烷及乙烯，80℃時(shí)出現了丙烯和異丁烷，110℃時(shí)開(kāi)始檢測到丁烷，170℃時(shí)可檢測到的給分數達到最多，可檢測到丁烯和烷的出現。濃縮后，相同溫度下煤氧化分解可檢測到的氣體組分數增多，各組分氣體出現的初始溫度，也都大大降低，如乙烯從未濃縮前的110℃降至50℃，丙烯從170℃降至80℃?？梢?jiàn)，濃縮效果明顯，使檢測出指標氣體的初始溫度大大提前，平均提前了90℃左右，極大地提高了各組分氣體檢測的靈敏度，尤其是對低濃度的氣體，其效果更顯著(zhù)。
2.2.2 乙烷比及其與溫度的變化關(guān)系
通過(guò)分析不同煤礦煤樣氧化分解的烴類(lèi)氣體在35℃下吸附濃縮后的解吸氣在不同溫度下的乙烷比值可以得出，各煤種氧化氣體在35℃下吸附濃縮解吸氣的乙烯/乙烷、丙烷/乙烷、丙烯/乙烷隨氧化溫度的變化情況，與0℃下吸附濃縮解吸氣的各乙烷比隨溫度的變化趨勢一致，都經(jīng)歷了一個(gè)先下降然后又上升的變化過(guò)程，在這個(gè)變化過(guò)程中都有一個(gè)轉折點(diǎn)溫度，在這個(gè)溫度處各烴類(lèi)氣體的乙烷比值達到最低點(diǎn)。南屯煤礦煤樣的乙烯/乙烷、丙烷/乙烷、丙烯/乙烷的比值大約在132℃、142℃、138℃左右達到最低點(diǎn)。這是因為在各個(gè)轉折點(diǎn)溫度之前，乙烯、丙烷、丙烯的生成速率高于甲烷的生成速率。同樣道理，興隆莊煤礦煤樣的乙烯、丙烷、丙烯與乙烷的比在最低點(diǎn)所對應的溫度分別為142℃、128℃、128℃左右。唐山煤礦煤樣的乙烯、丙烷、丙烯與乙烷的比在最低點(diǎn)對應的溫度分別為140℃、114℃、129℃左右。徐州義安煤礦煤樣的乙烯、丙烷、丙烯與乙烷的比在最低點(diǎn)所對應的溫度分別為171℃、150℃、162℃左右。古交煤礦煤樣的乙烯、丙烷、丙烯與乙烷的比則分別在132℃、132℃、118℃左右的到達最低點(diǎn)。
2.2.3 烯烷比值及其與溫度的變化關(guān)系
根據各煤樣氧化分解的烴類(lèi)氣體在35℃下吸附濃縮后的解吸氣在不同溫度下的甲烷比值及其與溫度的關(guān)系，各個(gè)煤種的氧化氣體在35℃下吸附濃縮解吸氣的乙烯/乙烷、丙烯/丙烷隨氧化溫度的變化情況，與0℃下吸附濃縮解吸氣的各烯烷比隨溫度的變化趨勢一致，也都經(jīng)歷了一個(gè)先下降然后又上升的變化過(guò)程，都有一個(gè)轉折溫度，在這個(gè)轉折溫度處各烴類(lèi)氣體的烯烷比值達到最低點(diǎn)。南屯煤礦煤樣的乙烯/乙烷和丙烯/丙烷的值大約在148℃和151℃左右到達最低點(diǎn)。由此可以看出轉折點(diǎn)溫度之前乙烷、丙烷的釋放速率大于乙烯、丙烯的釋放速率，使吸附劑吸附的乙烯、丙烯的量大于乙烷、丙烷的量，所以產(chǎn)生了這種先升后降的變化關(guān)系。
因此，判斷井下煤自燃的狀態(tài)，關(guān)鍵是掌握煤升溫過(guò)程中各指標氣體的生成速率與溫度的關(guān)系，掌握濃縮后指標氣體生成最、甲烷比、乙烷比、烯烷比與煤體溫度的變化關(guān)系，才能可靠的預報煤炭自燃。
3煤炭自燃指標氣體的檢測技術(shù)
3.1 人工檢測
人工檢測一直是煤炭自燃指標氣體的主要檢測手段，它是在自燃的危險區域，人工取樣，通過(guò)色譜議分析，給出指標氣體的成分與濃度，以此判斷煤的自燃程度。該法適用性強、投入設備少，簡(jiǎn)單易行，但人工取樣工作量大，間隔時(shí)間長(cháng)，不能進(jìn)行連續實(shí)時(shí)檢測。
3.2 礦井監測系統
安全與環(huán)境監測系統可以連續監測CO、CO2、O2等環(huán)境參數，根據這些環(huán)境參數的變化進(jìn)行自燃的預報，但是由于傳感器數量種類(lèi)少、價(jià)格昂貴、布置范圍小，沒(méi)能充分發(fā)揮監測系統用于煤炭自燃預報應有的作用。
束管監測系統是一種有效的專(zhuān)用監測技術(shù)，常用的束管監測系統是用聚乙烯管通過(guò)地面抽氣泵將氣體抽到地面，經(jīng)氣樣分選器依次將不同測點(diǎn)氣樣送往色譜儀進(jìn)行分析。但由于束管監測系統線(xiàn)路長(cháng)、管理較困難。為改善這一現象，采用計算機技術(shù)與氣體分析技術(shù)相結合，即用小抽氣泵通過(guò)束管抽取取樣點(diǎn)的氣體，通過(guò)氣樣傳感器分析氣體成分，并把信號傳輸到地面計算機對氣體分析數據進(jìn)行處理并作出預報。
3.3 監測點(diǎn)布置
在自燃火災的監測中，監測點(diǎn)布置至關(guān)重要，實(shí)踐證明，監測點(diǎn)的布置應按照以下原則進(jìn)行：
1）預計易發(fā)火區域。按照礦井生產(chǎn)環(huán)境及煤層自然發(fā)火條件，把各危險區域作為監測對象，即根據上述煤炭自燃的時(shí)間和空間特性分析布置。
2）測點(diǎn)布置在高負壓區。從全負壓角度考慮，只要漏風(fēng)風(fēng)流經(jīng)過(guò)易燃點(diǎn)，各泄漏通道以負壓最高處最易反映易發(fā)火區域的真實(shí)情況。
3）提供最佳排除炮煙影響環(huán)境。井下放炮產(chǎn)生大量的CO，經(jīng)過(guò)測點(diǎn)時(shí)就反映到CO監測儀器上來(lái)，給非連續監測帶來(lái)困難，因此要設法排除炮煙干擾。
4）測點(diǎn)具有恒定的漏風(fēng)量。如果進(jìn)行相對量監測，漏風(fēng)量不穩定，監測儀上所反映的數值無(wú)法表達發(fā)火過(guò)程中的真實(shí)情況，即使對絕對量進(jìn)行監測，由于微小風(fēng)量測算困難，也會(huì )造成很大誤差。因此，監測過(guò)程中如無(wú)特殊需要，盡量不改變通風(fēng)系統，改變后則要及時(shí)調整測點(diǎn)，各參數量重新對比整理。
5）測點(diǎn)應避開(kāi)溫差自然風(fēng)壓的影響。當易燃點(diǎn)受下行風(fēng)流風(fēng)壓作用時(shí)，測點(diǎn)按常規應布置在B處。但當易燃點(diǎn)溫度逐漸升高，由于存在標高差異，溫差自然風(fēng)壓逐漸增大，此值如果大于全風(fēng)壓時(shí)，B點(diǎn)氣體成分將無(wú)法反映易燃點(diǎn)的真實(shí)情況。假設在高溫點(diǎn)兩測A、B之間無(wú)分支風(fēng)流，則：h1=h-h2式中h1為漏風(fēng)風(fēng)流風(fēng)壓，h2為AB間所具有的自然風(fēng)壓，h為高溫影響下的自然風(fēng)壓。
當h1＜0，高溫點(diǎn)漏風(fēng)風(fēng)流方向與全風(fēng)壓風(fēng)流方向一致，測點(diǎn)可布置在B點(diǎn)。當h1＞0時(shí)，B點(diǎn)無(wú)法觀(guān)測災區氣體情況，在這種情況下，應在預計高溫點(diǎn)A、B兩側均設側點(diǎn)，前期可用B測，后期則改用A點(diǎn)進(jìn)行監測。
4 某礦綜放面生產(chǎn)期間自燃火災的預測預報及治理
某大型煤礦綜放面生產(chǎn)期間，采用安全檢測系統、束管監測系統和和人工檢測的辦法來(lái)對自燃火災進(jìn)行早期的預測預報，并根據預測預報結果進(jìn)行相應的處理。
5 結論
指標氣體在煤自然發(fā)火狀態(tài)的預測預報和該類(lèi)火災的早期預防方面有積極的意義，早就被世界各主要采煤國家采用。但由于指標選擇及現有的檢測技術(shù)問(wèn)題，往往不能正常發(fā)揮指標氣體的作用。作者結合現場(chǎng)使用情況系統地總結了“七·五”及其以后我國關(guān)于指標氣體研究的重要成果，對指標氣體的選擇有指導性意義。另外，介紹了指標氣體濃縮及其檢測原理和技術(shù)，為指標氣體在礦井火災預測預報方面的應用提供借鑒。
信息來(lái)源：礦業(yè)安全與環(huán)保
