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煤层火灾的早期预测预报与标志气体关系 十一矿 吕坤 内容提要 文章主要阐述煤层从氧化自热到发生明火各阶段所产生的标志气体，早期预测预报所测得的不同标志气体，根据标志气体之间的关系，判别煤层火灾的发展程度，从而采取针对性的处理措施。 关键词 煤层火灾 标志气体 关系 预测预报 煤层火灾（亦称内因火灾）是煤矿井下煤层因自身引起非控制的燃烧，造成资源、财产损失或人员伤害的一种火灾，也是煤矿主要自然灾害之一。据“九五”期间统计，全国大约有67%的煤矿发生过煤层自燃火灾，每年冻结煤量近亿吨，直接或间接损失无法用数字表示。目前，随着煤矿生产工艺的不断改革创新（如：沿空送巷、大采长回采工作面布置、放顶煤开采等），煤层火灾发生频率还在逐年增高，已严重制约着煤矿的安全生产和经济发展。本文针对煤层自燃各个阶段所产生的不同标志气体，经过预测标志气体组份，判断煤层自燃程度，尽早采取针对性的措施，破坏其发展所需的外部条件，达到消除隐患，减少损失，防患于未然，确保矿井安全生产的目的。 1 煤层自燃程度与标志气体的关系 煤是以碳氢为主体并含有其他矿物元素的矿物体。由于碳氢与氧的亲和力较强，人们普遍认为煤自燃是煤氧复合放出热量导致的结果，但由于煤体表面分子的复杂性和其结构的多样性，长期以来，人们无法弄清煤体表面活性基因与氧的复合机理、过程及其伴随的热效应。因此，只能根据煤氧复合的煤体表面分子对氧的物理吸附，煤体表面分子的活性结构对氧的化学吸附，在产生化学吸附的部分活性结构中发生的化学反应等三个主要过程来推断煤自燃的机理，通过对国内外无数个实验室试验的结果和煤矿生产现场煤自燃现象的研究，也证实了这个推断的正确性，可应用性。 煤体自燃一般要经过潜伏期（即吸附氧化）、自热期（即氧化聚热）、发展期（即着火临界阶段）和发生明火等阶段（个别煤种并不一定经过这4个阶段），由于煤自燃的各个阶段温度不同，所产生具有代表性的气体也不同，如CO、C2H4、C2H2等，如果我们利用这些气体作为煤层自燃的标志气体，对其进行预测预报，那么对判别煤的自燃程度，及时采取针对性的措施，消除隐患，防止其发展成灾的工作有着指导性的意义。 目前我国煤矿对煤层火灾的预测预报大部份采用CO作为自燃的标志性气体，仅从CO浓度上判别煤的自燃程度，指标单一，很难准确预测煤自燃（或熄灭）的程度。特别是采用正压通风的矿井，以CO作为预测预报的单一指标，准确性就更差一些。但随着科学技术的发展，人类对煤层自燃内在规律的研究不断深入，发现煤在自然氧化和激烈氧化阶段中，还产生乙烯（C2H4）和乙炔（C2H2），而且这两种气体只在特定的氧化阶段和温度区间产生，因此完全可以作为煤自燃的标志气体（国内外已有很多煤矿在应用），如果把CO、C2H2、C2H4及派生指标综合起来进行预测预报，就可以准确的判别煤自燃的程度，有助于采取针对性地措施。 1.1 一氧化碳（CO） 一氧化碳随着煤的氧化升温而开始产生，其产生量随着煤温的升高而增大，伴随煤层火灾的全过程。而煤种不同，一氧化碳产生的温度也不同，如表1所示。 表1 不同煤种CO产生的温度比较表 地点 老虎 台矿 古城矿 平煤集团十一矿 丁组 戊组 已组 温度 38℃ 56.4℃ 60℃ 68℃ 49℃ 1.2 乙烯（C2H4） 乙烯仅产生于煤的氧化自热过程中，在一定区间内，随煤温的升高而发生量增大，到达极限温度后，发生量逐渐下降，变化关系单一、明显，如表2所示。 表2 不同煤种产生乙烯的温度比较表 地点 老虎 台矿 古城矿 平煤集团十一矿 丁组 戊组 已组 初始温度 118℃ 108℃ 152℃ 120℃ 110℃ 极限温度 311℃ 278℃ 310℃ 309℃ 191℃ 1.3 乙炔（C2H2） 乙炔仅产生于煤的激烈氧化阶段，具有较强的温度区间特征，变化关系单一、明显，如表3所示。 表3 不同煤种产生乙炔的温度比较表 地点 老虎 台矿 古城矿 平煤集团十一矿 丁组 戊组 已组 区间温度 291~358℃ 278~399℃ 319~400℃ 309~408℃ 218~424℃ 1.4 不同的煤种，在自燃过程中所产生的气体与煤的氧化升温的相关性 不同煤种吸附空气流中的氧在自燃过程中产生的气体产物（如CO2、O2、C3H8）与煤的氧化升温有着明显的相关性，但规律性、变化关系复杂不一，只能作为派生或辅助参考指标，只有CO、C2H2、C2H4与煤自燃关系密切，稳定、单一，作为代表性标志气体表征了煤自燃的过程特性，具有与煤温上升（或下降）进程同步的性质，所以根据其量值可综合判断煤自燃程度，也可作为逆指标用来判别煤层火灾熄灭程度，防止复燃。 2 煤层自燃火灾的预测预报 2.1 煤层自燃火灾的预测预报 一般分3个阶段，即：