0 引言
在我国，煤自燃灾害十分严重[1-2]，煤自燃会产生高温并释放大量有毒有害气体。过高的温度会造成热损伤，引起矿井热害，甚至会进一步造成煤矿爆炸事故；有毒有害气体会侵蚀人体器官，影响健康。煤自燃灾害一旦发生，轻则影响工作效率，重则危害生命、破坏国家财产。为了更好地预防与治理煤自燃灾害，国内外学者开展了大量实验研究。黄素果[3]分析了采空区残煤自燃指标气体，为孤岛综放工作面采空区残煤自燃的防控与治理提供了指导。蒋曙光等[4]根据特定气体的成分及含量的变化预测采空区的煤自燃发火状况, 为提前采取针对性的预防措施奠定了基础。文献[5-8]根据升温过程中温度曲线的变化状况来判断特征温度点，表现煤自燃时煤本身的氧化特性。李林等[9]确定了指标气体生成速率的分界线，分界线之上,速率缓慢增大;分界线之下,速率急剧增大。寇砾文等[10]认为初始温度是影响气体产生规律的关键因素，煤样质量和程序升温速率次之。邓军等[11]发现煤自燃发火过程中所产生的CO随温度升高而增多，CO在反应初始阶段增加缓慢，温度到达某一温度点后增加迅速。秦波涛等[12]发现煤的自燃能产生CO，当CH4内混入CO以后，混合气体的爆炸上下限范围会增加，爆炸危险性会增大。陈舸等[13]认为煤自燃气体中多数成分与CH4同类，比空气轻，比O2轻，它们极易相混，混合后改变了原CH4与O2混合气的爆炸极限，使爆炸更容易。
上述研究主要是针对单一煤种在不同温度下的气体生成规律进行分析，而对在模拟逐渐升温的采空区环境条件下，不同变质程度的煤自燃现象的研究较少。因此，本文以采集的不同变质程度的煤种为例，利用煤自燃模拟系统进行煤自燃实验，更全面地探究在采空区环境条件下煤的燃烧特征及自燃气体的产生规律。
1 煤自燃模拟系统
多数采空区环境条件基本具备煤自燃的3个要素，即煤本身要有自燃倾向性、有足够的氧气供给和氧化产生的热量聚集，一旦煤发生自燃，会产生多种可燃气体，极易发生矿井火灾和爆炸事故。为了分析煤自燃产生的气体组分，设计了采空区内煤自燃模拟系统，系统结构如图1所示。该系统可以用来进行煤自燃实验，也可以用于模拟采空区环境下的瓦斯爆炸实验。
图1 煤自燃模拟系统结构
Fig.1 Structure of coal spontaneous combustion simulation system
煤自燃模拟系统主要包括燃烧爆炸腔体、控制系统和数据采集系统等部分。其中燃烧爆炸腔体为内径为100 mm、长为760 mm的不锈钢腔体，壁厚为10 mm，是系统的主要构成部分，主要用于模拟采空区气流流场环境，使腔体内发生的燃烧、爆炸实验更接近于采空区实际状况；控制系统用来控制瓦斯、空气进气装置以及加热装置；数据采集系统用来记录实验过程中的燃烧温度、爆炸压力等数据。
2 实验
2.1 实验样品
采空区内残留的煤体形状不规则，其尺寸大小不同。为了充分模拟采空区内煤自燃环境，煤样选自不同矿区的新鲜煤岩，经过破碎后，用于本次实验。本次实验选取的煤样品质差别较大，对其进行了工业分析和分类，煤样的工业分析结果见表1。从表1可看出，1号煤样为焦瘦煤，2号煤样为气肥煤，3号煤样为无烟煤，4号煤样为肥焦煤。
表1 煤样的工业分析结果
Table 1 Industrial analysis results of coal samples
2.2 实验方法
将煤样加入腔体，使不同尺度的煤样在腔体内随机全面分布，并将加热装置完全覆盖,关闭腔体密封盖。打开控制系统，设置进气装置流量为7.6 dm3/h。待腔体内流场稳定后，在控制面板上设定自动断电温度，打开加热装置。在加热过程中按照煤自燃不同阶段用注射器抽取气体，放入气体收集袋中，用气相色谱分析仪检测收集的气体。
3 煤自燃气体特征及产生规律分析
3.1 煤体温度随时间变化规律
为了研究煤体温度随时间变化的规律，搭建了煤自燃模拟系统，模拟了不同变质程度的煤在采空区环境条件下的煤自燃现象，实验结果如图2所示。
图2 煤自燃温度随时间变化曲线
Fig.2 Change curve of temperature with time of coal spontaneous combustion
由图2可知，煤在自燃时可分为3个阶段:第1个阶段的时间为0～15 min，在该阶段温度缓慢上升，能量不断累积；第2个阶段的时间为15～30 min，此时能量达到限值，温度陡增，能量快速积累，煤岩内部发生强烈的氧化还原反应，释放出大量气体；第3个阶段的时间为30 min后，该阶段温度曲线趋于平缓，直至平衡状态。
不同变质程度的煤在自燃时的温度上升曲线存在差异。 焦瘦煤和肥焦煤存在明显的温度积累、快速上升、缓慢上升的3个过程，肥焦煤温度曲线滞后于焦瘦煤曲线，在45 min时两者温度存在交叉，之后肥焦煤自燃温度高于焦瘦煤；无烟煤温度曲线较为平直，在5 min时温度陡增之后与时间几乎成正比关系增长，并且在45 min时达到的最高温度比其他3种煤样更低；气肥煤从0时刻开始温度直线上升,没有明显的能量缓慢累积过程，至30 min时出现拐点，温度缓慢上升。在0～45 min内, 虽然焦瘦煤、肥焦煤和气肥煤温度上升曲线不同，但在45 min时都达到了最高温度，无烟煤略低于其他煤样。
3.2 气体体积分数随温度变化规律
为了研究各种挥发性气体的生成速率随温度的变化规律，在进行煤自燃实验的过程中收集了不同阶段的气体并通过气相色谱分析仪进行检测，实验结果如图3所示。
由图3可知，气肥煤、焦瘦煤、肥焦煤和无烟煤自燃时，生成的气体种类基本相同。在不同变质程度的煤自燃过程中，CH4、CO、CO2等气体大量析出，而C2H4、C2H6、C2H2、C3H8等气体均维持在较低的水平。气肥煤、焦瘦煤、肥焦煤的气体曲线均出现拐点，在拐点之前，气体体积分数随着温度上升而增加，在拐点处达到最高；拐点之后，曲线均出现不同程度的下降。这是由于煤中的碳在高温下与氧气发生氧化反应，导致空气中的氧气大量消耗；在煤自燃缓慢升温阶段中，CH4、CO2、CO等附着在煤体内部的气体在第1阶段挥发完毕；在煤自燃快速升温阶段，脱气和解聚的过渡阶段，由于富含气体挥发完毕、解聚反应较弱导致CH4、CO2、CO等体积分数和生成速率降低，气体曲线呈现下降趋势；当解聚和分解阶段完全开始之后，煤分子发生热解，结构单元之间的桥键断裂生成自由基，脂肪侧链受热裂解形成气态烃，含氧官能团(-COOH)裂解形成碳氧化合物，CH4、CO2、CO等气体开始大量生成，其累积速率逐渐大于消散速率，形成累积趋势。
3.3 气体成分对比分析
煤自燃过程中涉及到的挥发性气体虽然很多，但是最主要的气体成分为CH4、O2、CO2、CO，各气体成分对比如图4所示。
由图4可知，不同变质程度的煤在自燃时均产生CO，气肥煤自燃时挥发出大量的CO2和CO，且产生CO的速率最快，最大体积分数可达8%，CH4体积分数略低于CO；焦瘦煤变质程度较高，黏结性较强，在自燃时各气体成分的产气量稳定， CO和CH4体积分数保持在2%左右；肥焦煤自燃产生大量的CH4气体，且产生速率最快，最高体积分数可达14%，说明煤体中吸附的大量瓦斯受热解析；无烟煤由于其物理特性导致其自燃时产生的烟气量较少，但依然生成了大量的CO气体，达到4%左右。4种煤样自燃时，受限空间内的O2体积分数都呈现下降的趋势。
(a) 气肥煤自燃气体生成曲线
(b) 无烟煤自燃气体生成曲线
(c) 焦瘦煤自燃气体生成曲线
(d) 肥焦煤自燃气体生成曲线
图3 不同变质程度煤自燃气体生成曲线
Fig.3 Gas formation curves of coal spontaneous combustion with different metamorphic degree
(a) 煤自燃产生CH4的体积分数
(b) 煤自燃产生CO的体积分数
(c) O2体积分数受煤自燃影响曲线
(d) 煤自燃产生CO2的体积分数
图4 煤自燃产生的主要气体对比分析曲线
Fig.4 Contrastive analysis curves of main gas produced in coal spontaneous combustion
研究表明，受限空间内CH4、CO、CO2易发生相互作用，少量CO气体可使空气中CH4的爆炸上限上升、爆炸下限有所下降，爆炸范围增加，增加了爆炸的危险度[14-16]；瓦斯爆炸时，CO2的存在会减弱CH4爆炸强度；加入CO后，CO2对瓦斯爆炸的抑制效果减小，并且随着CO体积分数的增大，抑制效果逐渐降低。
4 结论
(1) 焦瘦煤、气肥煤和肥焦煤自燃时，温度会呈“S”型上升趋势，即先缓慢累积然后快速上升，当达到300 ℃时再缓慢上升至第3个阶段，各阶段经历的时间与煤的种类有关；无烟煤温度上升曲线近似于直线。
(2) 不同变质程度的煤自燃时会产生CH4、C2H4、C2H6、C2H2、C3H8等碳氢化合物以及CO、CO2等碳氧化合物，其中CO和CH4体积分数较大。焦瘦煤、气肥煤、肥焦煤气体生成曲线出现了2个拐点，在第1个拐点处气体体积分数出现极大值，在第2个拐点处出现极小值；无烟煤气体曲线较为平直，随温度波动不明显。
(3) 气肥煤产生CO速率最快，最大体积分数可达8%；肥焦煤产生CH4速率最快，最大体积分数可达14%；焦瘦煤和无烟煤产生CO和CO2的体积分数分别在2%和4%左右。
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