摘要：针对煤炭自燃对矿山开采的威胁问题，对井田煤炭取样实验，分别检测煤温和煤自燃所释放气体的值并获得其相关关系。通过数据拟合与图像分析，得出释放气体的浓度将会极大地影响煤的自燃。基于实验数据与现象，判定在不同温度下煤自燃发生的可能性，从而为煤矿煤自燃预防起到启示作用。

　　关键词：煤炭自燃；数据拟合；自燃预防

　　0引言

　　煤炭资源需求量呈现逐年上升趋势，驱动了开采理论的发展和技术的革新，因此煤炭开采已不再仅局限于露天开采或浅埋煤层的开采。近年来，相继提出的太空开采、深海开采以及智能化无人化开采理论，都是在大发展时代背景下解决能源大需求问题的必然途径。整个发展过程中深部开采起到承前启后的作用。只有人类视角和活动范围不断向地层深处延伸，赋存于地表远处的煤炭资源才能被发觉和开采利用[1-2]。

　　但是，煤层越往深部，地温梯度急剧加大，深部温度远高于地表，致使矿井开采时会面临煤的自燃灾害，由煤自燃进而引发瓦斯或煤尘爆炸给矿井带来更加严重的威胁，因此对煤的自燃预测与防治研究具有十分重要的意义[3-6]。

　　1试验流程

　　煤在常温下具有发生缓慢氧化的能力和属性，即为煤的自燃倾向性。煤的自燃是煤被氧化成不同的含碳气体化合物释放出来。自燃过程中所产生的氧化物气体与释放量与煤所处环境的温度有一定的相关关系，也可能与所产生气体之间的比例有一定的关联。为探究这种关系，提出以下思路：

　　1）对特定区域内的煤温以及温度分布进行测量和记录，然后再对不同温度下煤的自燃程度进行定量检测，对相关数据进行搜集和统计。

　　2）根据搜集到的样品数据，借助函数的思想分别对煤的温度与释放气体的种类，释放气体量以及气体量比值等数据进行处理，近似探究其相关关系。

　　3）结合自燃实际事故，确立煤炭自燃的温度范围和不同自燃程度下的温度区段。

　　2试验结果分析

　　采用如图1所示的实验系统，对炉煤的煤炭进行加温直到最高，观察记录炉顶气体浓度监测计数据，得到它们之间的关系。

　　通过对实验现象的分析得出，当温度开始迅速增加时，下层煤的温度上升速率远超过上层煤，因而最先达到着火点；当温度达到裂变温度后，煤温最高值逐渐向最上层靠近最终先于其他层到达煤的燃点。由于受煤块间隙与空气热对流的影响，导致热循环的气流在缝隙内对流，使得在实验炉中心轴等距处温度有所不同。热传导性质多样化，炉内温度分布复杂。热气流内部循环如图2所示。总体上热对流对煤温及其分布有如下影响：

　　1）高温热气流能引起煤块温度增加；

　　2）热气流的传播方向具有不确定性，特别是低温区域和向上层煤；

　　3）炉内热对流随下层煤温的增高而加快，氧化反应也随之增加。

　　2.1煤炭温度与指标气体之间的关系

　　在炉内自然升温时，最高温度与所测量气体之间的关系如图3所示。

　　由图3可知，当温度介于35～40℃时，CO2与CO体积比极小、CO体积分数极大、CO2体积分数极大。温度37.2℃处煤吸收氧气的能力最强；当温度处于30～35℃,CH4浓度最大，瓦斯脱附速度变快；当温度为50～65℃时，耗氧量剧增，CO2与CO体积比极大，CO和CO2浓度增加；当温度为90～110℃时，O2浓度剧减；CO、CO2浓度剧烈增加，同时出现C2H4、C2H6；当温度为150～180℃时，温度变化率增加；C2H4、C2H6浓度加大。

　　煤温与浮煤厚度的关系：绘制等中心距点的温度与浮煤厚度的曲线图（图4），并将其分成两类：

　　1）温度随煤厚的减小呈“S”型变化；

　　2）温度随煤厚的减小呈“L”型增长。

　　通过对图4分析可知，除东方向距中心轴0.4 m和0.6 m处变化趋势不同外，其他各点的温度与浮煤厚度都呈“S”型变化，即此变化存在2个折点：

　　A点：该点处于以中心点为65 cm、半径为5 cm的邻域内，该点处浮煤高度为65 cm±5 cm。其原因为此时煤炭被氧化所产生的热量存储起来，氧化放热，因此温度不断升高。

　　B点：该点为曲线最大值点，此点煤炭温度最大。分析可知该点处于中心点为250 cm、半径为5 cm的邻域内，该点处浮煤高度为150 cm±5 cm。

　　经过对不同方位测温点的研究，发现东方向距中心轴0.4 m和0.6 m的煤炭温度随浮煤厚度的变化在不同的煤炭温度范围下呈现出不同的趋势。不同温度所对应的不同趋势如图5所示：

　　总体上，煤温与煤厚的关系分2个阶段：在最高温度还未达到裂变温度时，当煤厚加大时，煤温由稳定到增加再到降低。在煤温度达到裂变温度后，当煤厚加大时，煤温同样由稳定变为增加再到降低。在其他方位点中，当煤厚加大时，煤温先稳定后增加。

　　2.2指标气体与煤炭温度的预测模型

　　通过对顶层各项指标气体体积分数的检测数据进行分析得出以下数学模型。

　　1）CO体积分数的预测模型[式（1）]：

　　2）C2H4体积分数的预测模型[式（2）]：

　　2.3特殊点的确立

　　分析数据可得，存在两类不满足上述趋势的特殊点：

　　1）气体从无到有的点；

　　2）变化趋势不合规律的点。

　　绘制各指标气体浓度随最高温度的趋势变化如图6、图7所示：

　　由图6、图7可得：O2浓度随着最高温度整体呈下降趋势，CO浓度随着最高温度整体呈上升趋势，但当温度达到150℃左右时与整体趋势有较大的偏离[1]；乙烯和乙烷随着最高温度整体呈上升趋势，但当温度达到220℃左右时曲线斜率有较大的突变，气体突然开始增加。因此150℃、220℃为所求特定点。

　　2.4煤自燃预测

　　煤自燃过程中，煤自燃受周围温度影响，温度升

　　高，自燃速率加快。根据煤自燃实验数据可得出：自燃升温过程中，当时间、漏风强度和散热条件等发生变化时，炉内温度和气体浓度也会随之变化[2]。其中在中心轴处温度上升最快，气体的浓度变化较快。最高温度点温度与供风时间的拟合曲线的方程为式（3）[3]：

　　显然整个过程中，随着供风时间的增大，最高温度点温度不断增大，当供风时间达到43 d时，对应煤温为170℃。由此可得，20 h后煤温即可超过380℃,煤会发生自燃[4]。

　　对拟合曲线求导可得式（4）：

　　代入数据得到最高温度随时间变化。当煤温为0～65℃时，温度增长时逐渐加快，对应天数为0~25 d，此时平均变化率为0.157℃/h；当煤温为65～110℃时，温度增长有所减缓，对应天数为26~41 d，此时平均变化率为0.116℃/h；当煤温为110～170℃时，温度增长，对应天数为42~43 d，此时平均变化率为2.968℃/h；当煤温大于170℃时，变化率为8.75℃/h，因此20 h后煤会自燃。

　　3结论

　　通过对煤自燃过程释放出的气体浓度与温度关系的研究，可得出以下结论：

　　1）不同气体脱附温度不同，温度不断增加，煤自燃增速随之增大，并释放大量有机气体。

　　2）结合最高温度与顶层气体浓度关系图，确定了不同温度梯度下气体的释放规律和不同气体之间的浓度关系。

　　3）本次试验得出了漏风强度与炉内温度和释放气体浓度之间的关系，并通过温度与供风时间的拟合曲线的方程预测了该试验条件下煤发生自燃的可能性与煤自燃的时间。

参考文献

　　[1]李欣欣，廖廓，孙蔡亮，等.基于遥感的木兰溪流域地表温度及热场强度特征研究[J].海峡科学，2021（11）：3-10.

　　[2]于莹，王春娟，刘大海.挪威深海矿产资源开采战略路径分析及启示[J].海洋开发与管理，2023，40（1）：3-11.

　　[3]荣江海.孤岛工作面煤炭自燃发火分析[J].山西冶金，2023，46（1）：30-31.

　　[4]骆大勇，秦汝祥，刘振.基于数值分析的煤炭自燃临界温度计算方法研究[J].矿业研究与开发，2022，42（10）：132-136.

　　[5]杨峰峰，王海晖，龚恒敏，等.煤自燃倾向性测试及监测技术研究进展[J].煤，2023，32（2）：29-32.

　　[6]骆大勇.煤炭自燃关键参数预测方法研究[C]//贵州省煤炭学会.2020年西南五省（市、区）煤炭学术年会（重庆部分）论文集.[出版者不详]，2020：62-65.