CN201588655U - 一种煤炭自然发火的早期预报装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型披露了一种预测煤炭自然发火的早期预报装置。该装置包括温控系统、气路系统、浓缩吸附系统以及检测系统。浓缩吸附系统在气路系统的辅助下，对煤矿井下含有煤炭自燃标志性气体的空气进行收集，并对标志性气体进行浓缩吸附。然后将该装置带至地面，在温控系统的控制下，对浓缩吸附系统中的标志气体进行解吸，并将解吸的气体收集到气样袋中。最后再利用检测系统对采集到的气样进行检测。本实用新型克服了传统预测方法只能定性不能定量预测自然发火程度的缺点，提高了早期预报的准确度，大大缩短了自然发火早期预报的时间，为矿井及时采取措施消除自然发火隐患赢得了宝贵时间。

Description

一种煤炭自然发火的早期预报装置

技术领域

本实用新型涉及一种早期预测预报装置，尤其是一种煤炭自然发火的早期预报装置。

背景技术

为解决煤炭自然发火早期预测预报的问题，人们开发了温度测量法、红外探测法、标志气体法、数值模拟法、经验分析法等预测预报方法，但真正被煤矿现场采用的只有标志气体法和测温法。

由于预报的滞后性和预报技术手段的限制，往往是煤炭自燃程度非常严重时才被发现，这样就已经错过了最佳的治理时期，常常会酿成自燃火灾，造成煤炭资源损失，甚至造成人员伤亡，严重影响矿井的安全和效益。

指标气体法作为自然发火早期预报的重要手段已经被广大学者和现场防灭火专家所认可，并且已经在煤矿的现场防灭火工作中发挥了重要作用。然而，目前在采用指标气体法进行预报自然发火时，大多以CO浓度作为判定指标，而很多煤层尤其是易自燃煤层在温度较低时就产生大量的CO，导致对煤炭自然发火造成误判、错判，浪费了大量的防灭火设备、材料和工程，增加了煤炭企业的生产成本；有时还会造成漏判，以致没有及时采取防灭火措施，从而造成自然发火事故。

与此同时，某些能准确反映煤炭自燃发展程度的标志气体，由于其在煤炭自燃初期的生成量很小，在井下风流中的浓度非常低，应用现有的监测技术及仪器，很难检测到这些标志气体。从而使这些重要的标志气体没有被很好地应用于煤炭自然发火的预测预报中。

因此，迫切需要一种技术或装置能够在煤炭自燃发展过程的初期，在这些重要标志气体生成量很低的情况下，收集并浓缩这些气体，使之能够达到现有检测仪器设备能够检测到的范围，从而实现以这些标志性气体作为指标气体，来预测预报煤炭自燃氧化的程度，提高煤炭自然发火的预测预报水平，更好地指导矿井的防灭火工作。

发明内容

有鉴于此，本实用新型致力于更好地利用标志气体准确地预测煤炭自燃过程的发展程度，提出了一种预测煤炭自然发火的早期预报装置。

本实用新型解决该技术问题所采用的技术方案是：

一种煤炭自然发火的早期预报装置包括温控系统、气路系统、吸附浓缩系统以及检测系统。浓缩吸附系统在气路系统的辅助下，对煤矿井下含有煤炭自燃标志性气体的空气进行收集，并对标志性气体进行吸附浓缩。然后将该装置带至地面，在温控系统的控制下，对浓缩吸附系统中的标志气体进行解吸，并将解吸的气体收集到气样袋中。最后再利用检测系统对采集到的气样进行检测，根据是否检测到标志气体以及标志气体的浓度大小，来判定井下煤炭自然发火的程度，对是否采取防灭火措施以及采取何种防灭火措施提供理论指导。

上述检测系统为色谱分析检测系统。

上述浓缩吸附系统的吸附剂为TDX-01吸附剂。

上述浓缩吸附系统在对气样中的标志气体进行吸附前，要对其吸附剂进行活化。

上述浓缩吸附系统对气样的浓缩倍数为8-20倍。

上述标志气体指的是乙烯(C₂H₄)。

本实用新型的有益效果是：

本实用新型提供了一种煤炭自然发火的早期预报装置。在对标志气体预报法研究的基础上，将气体浓缩与吸附技术引入到煤矿井下气体的取样分析中，可提前检测出乙烯、乙烷等反映煤自燃程度的标志气体，大大缩短了自然发火早期预报的时间，为矿井及时采取防灭火措施、消除自然发火隐患赢得了时间。

附图说明

下面将参照附图对本实用新型的具体实施方案进行更详细的说明，其中：

图1是本实用新型的气体浓缩及吸附操作流程图；

具体实施方式

为了更好的利用标志气体准确预测井下煤炭自然发火程度，本实用新型提供了一种预测煤炭自然发火的早期预报装置。接下来具体说明该预报装置的原理及操作程序，首先阐述对标志气体预报指标的评价。

一、标志气体预报指标的评价

标志气体是指能够反映煤炭自燃状态和特征，且其生成量随煤温上升呈现规律性变化的气体，通过检测分析采掘空间是否存在标志气体或标志气体生成量大小来判断煤炭自然发火程度的预报方法，称为标志气体法。目前常用的煤炭自燃标志气体的预报指标有：标志气体的浓度、标志气体的生成量、火灾系数、链烷比或烷烯比等。

(1)标志气体的浓度

该方法是最简单直接的预报方法，最常用的是CO浓度和乙烯浓度。CO气体的浓度受遗煤量、漏风量等因素的影响较大且煤炭在温度很低(35℃或更低)的情况下就产生CO，其预报的临界值难以确定。对于乙烯气体，一般煤的自燃温度在110℃以上时才出现且生成量较小，在煤炭自燃的初期运用常规的检测手段根本无法检测到乙烯。

(2)标志气体的生成量

一般是选用空气中CO绝对量为预报指标。其判定指标为观测点CO浓度和风量的乘积。这种预报指标虽然可以抵消风量的影响，但却受发火范围大小、煤种不同等因素的影响，因此也难以定出统一的临界值。

(3)火灾系数

又称格氏系数，是由英国学者格雷哈姆提出的。火灾系数由煤的氧化过程中CO₂浓度的增量ΔCO₂和CO浓度增量ΔCO分别同O₂浓度的减少量ΔO₂比值，记作R₁，R₂，以及R₃(R₃＝R₂/R₁)。但是，由于煤层中含有原生的CO₂并且其含量即便是在同一矿井的不同区域也差别很大，另外，在实际操作中也很难求得ΔCO₂和ΔO₂，因此，该指标并未得到广泛应用。

(4)链烷比或烷烯比

链烷比是烷系气体之间浓度的比值，烷烯比是烷系气体与烯烃之间浓度的比值，最常用的有：C₂H₆/CH₄、C₃H₈/C₂H₆。实验证明，链烷比受风流及自燃范围的影响较小。这比单独根据CO进行预报又前进了一步。但是，这种方法也受煤种的限制，有些煤种，如褐煤在很低温度(30℃)就产生C₂H₆，随着温度的升高(90℃～130℃)逐步消失，所以该指标具有很大的局限性。

接下来说明标志气体与煤种的关系。

二、标志气体与煤种的关系

为优化标志气体指标，提高对煤炭自然发火早期预报的准确性，人们对不同煤种的氧化试验进行了深入研究，研究表明：乙烯(C₂H₄)和煤种的挥发分产率、固定碳含量、燃点之间存在明确的关系。

指标气体法作为自然发火早期预报的重要手段已被广大学者和现场专家所接受，并且已经在煤矿的现场防灭火中发挥了重要作用，但是，大多应用CO浓度作为判定指标，只能定性判断自燃的程度，而做不到定量。而乙烯(C₂H₄)作为一种重要标志气体，它的开始出现就意味着煤炭自燃已经达到某一特定温度，可以定量的反映煤炭自然的程度。但由于在煤炭自燃初期乙烯(C₂H₄)的生成量小，被漏风稀释后浓度极低不能被现有仪器所检测到，所以，乙烯(C₂H₄)在自然发火早期预报中没有发挥其应有的作用。

本实用新型将气体浓缩与吸附技术与色谱分析技术相结合，解决了这一难题。

三、煤炭自然发火早期预报装置及操作

首先来说明该装置，该早期预报装置包括温控系统、气路系统、吸附浓缩系统以及检测系统。浓缩吸附系统在气路系统的辅助下，对煤矿井下含有煤炭自燃标志性气体的空气进行收集，并对标志性气体进行吸附浓缩。然后将该装置带至地面，在温控系统的控制下，对浓缩吸附系统中的标志气体进行解吸，并将解吸的气体收集到气样袋中。最后再利用检测系统对采集到的气样进行检测，根据是否检测到标志气体以及标志气体的浓度大小，来判定井下煤炭自然发火的程度

上述早期预报装置还包括浓缩系统，由浓缩吸附系统对所述气样先进行吸附浓缩，然后再进行解吸。

接下来说明其吸附浓缩以及解吸的操作过程。

图1示出本实用新型气体浓缩吸附与解吸的操作流程图，如图1所示，1为过滤器，2为空气压缩机，3为进气阀以及流量计，4为吸附室，5为出气阀，6为绝热材料，7为测温传感器，8为测温仪，9为加热装置，10为取样袋。

其主要操作程序为：

1)吸附系统的活化

在吸附及浓缩前，将吸附装置与氮气发生装置相连，将吸附室的温度设定在200℃，通氮气2-3小时，对吸附剂进行活化，活化结束后，继续通氮气并停止加温，使吸附室降到常温。

2)气样浓缩吸附

打开进气阀，让标准乙烯气样进入吸附柱，开始吸附与浓缩，并每分钟检测一次出气阀的气体浓度，当出气浓度与标准气样浓度相同时，表明吸附达到饱和。然后结束供气，关闭浓缩吸附系统的进气阀和出气阀，并记录下供气量和供气总时间。

3)解吸

将氮气瓶与吸附装置进气口相连，打开氮气控制阀，控制流量在15ml/min，通过温控早期预报装置设定浓缩室的温度在200-300℃开始升温解吸，打开出气阀将解吸附气体导入取样袋中，解吸附过程中，每隔一段时间从出气阀处取样分析乙烯浓度，待无解吸气体时，结束取样，加大氮气流量对吸附室进行活化，为下一次吸附做准备。

4)色谱分析

利用取样装置从取样袋中采集气样，将气样注入气相色谱仪内分析。

进一步地，结合操作实验结果并进行分析。

为考察乙烯的吸附浓缩与解吸效果，结合煤层自然发火的规律，选取了1ppm、5ppm、10ppm、20ppm、50ppm的乙烯标准气样，对其吸附和解吸情况进行了考察，结果如表1和表2所示。

相同温度和压力下，吸附剂对同一种气体的吸附量是相同的。为测定不同浓度乙烯的饱和吸附时间，使标准乙烯气样以15ml/min的流量流经浓缩吸附装置，在装置出气口取样检测流出的乙烯浓度，初期每30分钟取一次气样，后期每5分钟取一次气样，吸附装置出气口处的乙烯浓度与标样的浓度相同时，即认为达到了饱和吸附时间。考虑到煤矿井下的气温一般为25-31℃之间，因此选择该温度区间的25、27、29、31℃等四个温度条件，做吸附试验。

表1不同浓度乙烯气样的饱和吸附时间统计表

由表1可以看出，在温度较低的条件下，如在25℃时，饱和吸附时间随浓度的升高变化并不明显。随温度的升高，乙烯的饱和吸附时间而缩短并且变化明显。如1ppm浓度的气样在25℃时的饱和吸附时间为190min，而在31℃时为130min，缩短了60分钟。

表2不同温度条件下乙烯的脱附时间统计表

表2为不同浓度乙烯气样饱和吸附后在不同温度下的解吸情况，从表中可以看出，解析温度越高解吸时间越短，脱附时间与温度呈现正比关系。但是考虑到温度过高，很难使吸附装置受热均匀，同时还会影响解析装置的使用寿命，所以解吸温度定在200-250℃之间，既能达到良好的解析效果，又可以延长装置的使用寿命。

表3乙烯的浓缩前后浓度对照表

由表3可以看出，吸附前后乙烯浓度的变化，吸附后的相对生成量远远大于吸附前的乙烯浓度，大约为10倍左右，浓度越低，浓缩倍数越大，这为采用浓缩吸附方法检测煤矿井下空气中的微量乙烯提供了可能。

四、煤炭自然发火早期预报装置的应用实例

1、预报指标的确定

根据煤炭自然发火的规律，煤炭自然发火过程经历3个阶段：潜伏期，自热期，燃烧期。早期预报的主要目的就是在自热期发现自然发火的征兆，从而采取措施进行处理，防止自然发火或事故的发生。

煤炭在自热后期一般在100-110℃后，氧化速度加快，在这个时期如发现自然的征兆，那么就为矿井的防灭火工作带来有力的时机，而能反映该过程自然程度的标志气体只有乙烯(C₂H₄)，而乙烯(C₂H₄)气体本身不是煤炭的原生气体，它出现的温度对同一煤种是确定的。因此，把乙烯(C₂H₄)作为标志气体预报自然发火程度是可行并且是科学合理的。乙烯(C₂H₄)作为预报自然发火程度的标志气体，其预报程序及指标为：

(1)确定工作面开采的煤种，找出煤种的温度与乙烯的关系(如表1所示)。

(2)利用煤炭自然发火早期预报装置，在井下测定地点吸附2个小时。

(3)在井下采煤工作面回风隅角或回风流中发现有乙烯，即可判定工作面后部采空区已存在温度超过100-110℃的高温点。

2、应用实例

为考察煤炭自然发火早期预报装置的实际应用效果，选择了龙矿集团某矿的2106综放面作为实验工作面。

该工作面为长壁开采综放面，走向长度1500m，倾斜长度175m，开采煤种为褐煤。至工作面开采之日起采用气体浓缩装置在工作面回风隅角处取样，取样时间为120min。工作面开采36天(第5周)后，开采距离为260m时，初次检测到乙烯，浓度为0.63ppm，CO浓度为35ppm。一周(第6周)后，乙烯浓度上升到6ppm，CO浓度为39ppm二周(第7周)后，乙烯浓度上升到15ppm，CO浓度为45ppm，此时，未经浓缩直接取样检测到乙烯，其浓度为1.46ppm，比经浓缩后初次监测到乙烯的时间晚了两周，在采取防灭火措施后，乙烯和一氧化碳的浓度逐步下降，采取措施3周后，乙烯消失，CO浓度维持在30ppm左右。

五、使用实践的结论

标志气体法是目前被世界公认的，同时也是最常用的自然发火早期预报方法。但是，目前该方法大多采用一氧化碳(CO)作为标志气体，具有很大的局限性，只能大致判断自然发火的趋势，而不能很好反映煤炭自然的程度。作为重要指标气体的乙烯(C₂H₄)，在煤炭自燃到特定温度时才出现，在井下只要发现乙烯就可以判定煤炭自燃高温点的温度已至少达到100℃-110℃，但由于乙烯的含量较低，很难检测到，所以，作为能够定量反映煤炭自然发火程度的标志性气体乙烯(C₂H₄)，作为预测自然发火的指标气体，一直没有得到广泛的推广与应用，本实用新型将气体浓缩吸附技术融入到井下气体的取样分析之中，提出了煤炭自然发火的早期报装置，很好地解决了这一难题。总结本试验可以得出如下结论：

(1)采用气体浓缩技术可以提前发现乙烯，把早期预报的时间提前2周左右，浓缩装置对乙烯的浓缩倍数为10倍左右。

(2)吸附装置应在井下采样地点连续吸附120min以上，解吸温度定为200-250℃。

(3)采用气体浓缩技术，使标志气体法实现了由定性判断到定量判断的转变，其对煤矿现场防灭火工作的指导作用更强。

以上对本实用新型的具体描述旨在说明具体实施方案的实现方式，不能理解为是对本实用新型的限制。本领域普通技术人员在本实用新型的引导下，可以在详述的实施方案的基础上做出各种变体，这些变体均应包含在本实用新型的构思之内。本实用新型所要求保护的范围仅由所述的权利要求书进行限制。

Claims (10)

1.一种煤炭自然发火的早期预报装置，包括温控系统、浓缩吸附系统、检测系统以及气路系统。在温控系统的控制下，检测系统在气路装置的辅助下对含有煤炭自燃标志性气体的气样进行检测，并根据是否存在标志气体以及标志气体的浓度大小，来对井下煤炭自然发火的程度进行预测预报；其特征在于：

还包括含有吸附剂的吸附装置，

其中，由吸附装置对所述气样中的标志气体先在煤矿井下的现场进行吸附，再对吸附装置中吸附的标志气体进行解吸，得到含有标志气体的气样，最后由检测系统对含有标志性气体的气样进行检测并据此对煤炭自然发火的程度进行早期预测预报。

2.如权利要求1所述的预测煤炭自然发火的早期预报装置，其特征在于：

还包括浓缩装置，由浓缩装置对所述气样先进行浓缩，然后由吸附装置进行吸附浓缩。

3.如权利要求2所述的预测煤炭自然发火的早期预报装置，其特征在于：

所述吸附剂为TDX-01吸附剂。

4.如权利要求1-3任一项所述的预测煤炭自然发火的早期预报装置，其特征在于：

所述检测装置为色谱分析检测装置。

5.如权利要求4所述的预测煤炭自然发火的早期预报装置，其特征在于：

所述色谱分析检测装置包括气相色谱仪。

6.如权利要求1或2或3或5所述的预测煤炭自然发火的早期预报装置，其特征在于：

所述吸附装置对气样中的标志气体进行吸附前，要对其吸附剂进行活化。

7.如权利要求2或3或5所述的预测煤炭自然发火的早期预报装置，其特征在于：

所述浓缩装置包括空气压缩机。

8.如权利要求1或2或3或5所述的预测煤炭自然发火的早期预报装置，其特征在于：

所述标志气体为乙烯。

9.如权利要求7所述的预测煤炭自然发火的早期预报装置，其特征在于：

所述浓缩系统及装置对气样进行浓缩的倍数为8-20倍。

10.如权利要求8所述的预测煤炭自然发火的早期预报装置，其特征在于：

所述吸附装置在井下采样点对气样中的标志气体进行吸附120分钟以上，并且解吸附的温度为200-250℃。

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