蘇 凱 趙曉夏 王偉峰 吳會(huì)平

(西安科技大學(xué)能源學(xué)院，陜西 西安 710054)

東山礦煤自燃特性實(shí)驗(yàn)研究

蘇 凱 趙曉夏 王偉峰 吳會(huì)平

(西安科技大學(xué)能源學(xué)院，陜西 西安 710054)

隨著溫度的升高，煤炭自燃將依次出現(xiàn)不同的氣體。這些氣體的出現(xiàn)及釋放量基本能準(zhǔn)確反映煤炭氧化自燃程度。在煤層程序升溫實(shí)驗(yàn)裝置基礎(chǔ)上，結(jié)合煤自燃發(fā)火實(shí)驗(yàn)臺(tái)模擬的結(jié)果，確定太原東山煤礦煤層自燃預(yù)報(bào)的指標(biāo)氣體及其對(duì)應(yīng)的溫度范圍，為該礦煤自燃預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)及防治提供可操作性的依據(jù)。

礦山防火；煤自燃；低溫自燃；氣體指標(biāo)；東山煤樣

0 引言

東山煤礦七采區(qū)所采15號(hào)煤層為貧煤，賦存較為穩(wěn)定，屬低瓦斯區(qū)，煤層具有弱爆性，屬容易自燃煤層，發(fā)火期為12個(gè)月左右，礦井生產(chǎn)實(shí)踐表明屬正常地溫、地壓區(qū)。

煤炭自燃是一個(gè)復(fù)雜的物理化學(xué)過(guò)程，是個(gè)動(dòng)態(tài)過(guò)程，是在低溫條件下煤氧復(fù)合產(chǎn)生熱量并逐漸積累最終發(fā)生自燃的結(jié)果[1-2]。由于其復(fù)雜性，所以試驗(yàn)研究方法應(yīng)用較普遍，目前常采用指標(biāo)氣體法對(duì)煤自燃進(jìn)行早期的預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)[3]。本文采用東山礦七采區(qū)15#煤進(jìn)行程序升溫實(shí)驗(yàn)，分析了其產(chǎn)生的氣體成分和濃度的變化規(guī)律，為該礦煤自燃早期預(yù)報(bào)提供科學(xué)依據(jù)。

對(duì)于不同煤種、煤層的變質(zhì)程度、煤巖成分、孔隙率等的內(nèi)在條件的不同，其自燃傾向性也不同；同時(shí)煤層埋深、厚度、通風(fēng)管理的不同，導(dǎo)致同一煤礦開(kāi)采同一煤層的煤自燃能力也有很大的差異。所以，需要通過(guò)具體試驗(yàn)分析煤樣在不同狀態(tài)下燃燒的生成物出現(xiàn)的規(guī)律，為準(zhǔn)確預(yù)測(cè)、預(yù)報(bào)煤炭自燃發(fā)火提供依據(jù)[4]，本實(shí)驗(yàn)研究也對(duì)其他礦區(qū)及煤層煤自燃預(yù)報(bào)有指導(dǎo)作用。

1 實(shí)驗(yàn)裝置

目前，煤自燃指標(biāo)氣體測(cè)定主要用小型程序升溫實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，但同類實(shí)驗(yàn)裝置的實(shí)驗(yàn)條件 (如溫度、溫升速率、流量大小、煤樣重量、粒度等)各不相同。本實(shí)驗(yàn)裝置采用程序升溫實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)。

圖1 程序加熱升溫實(shí)驗(yàn)流程

見(jiàn)圖1。在一個(gè)直徑9.5 cm，長(zhǎng)25 cm的鋼管中裝入煤1.1 kg，為使通氣均勻，上下兩端分別留有2 cm左右自由空間（采用100目銅絲網(wǎng)托住煤樣），然后置于利用可控硅控制溫度的程序升溫箱內(nèi)加熱，并送入預(yù)熱空氣，測(cè)定分析不同煤溫時(shí)的氣體成分。當(dāng)溫度達(dá)到要求后，停止加熱，打開(kāi)爐門，進(jìn)行自然對(duì)流降溫，并測(cè)定分析不同煤溫時(shí)氣體成分[5]。

2 實(shí)驗(yàn)過(guò)程與結(jié)果

2.1 實(shí)驗(yàn)過(guò)程

2007年12 月中旬從東山煤礦采集煤樣，包裝好送到西安科技大學(xué)。于2007年12月15日～12月18日在程序升溫箱中進(jìn)行升溫及降溫實(shí)驗(yàn)，將原煤樣在空氣中破碎并篩分出粒度為0 mm～0.9 mm、0.9 mm～3 mm、3 mm～5 mm、5 mm～7 mm 和 7 mm～10 mm 的5種煤樣，各取220 g組成混合煤樣，程序升溫實(shí)驗(yàn)條件見(jiàn)表1[5]。

2.2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

實(shí)驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表2。

表1 程序升溫箱煤樣加熱升溫實(shí)驗(yàn)條件

表2 煤樣程序升溫箱加熱升溫實(shí)驗(yàn)結(jié)果（粒度:混合樣各20%）

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

東山礦煤自燃氧化氣體包括CO，CO2，C1-C4烷烴、C2-C3烯烴及C2H2等?？偟纳梢?guī)律是隨著煤溫的上升而逐漸增大，但不同的氧化氣體組分的生成量和生成順序上有較大差別。

3.1 一氧化碳（CO）

由試驗(yàn)數(shù)據(jù)（見(jiàn)圖2） 分析，CO濃度隨著煤溫的升高而逐漸增加。從圖2中可知，CO可以在煤的低溫階段被監(jiān)測(cè)到，并且隨煤溫升高，煤體的CO產(chǎn)生率、耗氧速度和升溫速度也增加。

由CO生成量（見(jiàn)圖2） 來(lái)看，80℃～110℃之間斜率明顯增大，110℃時(shí)CO生成量達(dá)到160 mg/m3，以后CO生成量急劇增加。所以，在工作面上隅角監(jiān)測(cè)到CO為160 mg/m3說(shuō)明采空區(qū)的最高煤溫已達(dá)到110℃以上。

圖2 煤樣CO濃度與溫度關(guān)系曲線

由CO/O2，CO2/O2（見(jiàn)第31頁(yè)圖3） 可知，隨著煤溫的升高，比值逐漸增大，CO/O2達(dá)到0.05%對(duì)應(yīng)煤溫為80℃，到110℃（比值為0.11%） 以后曲線斜率明顯增大。

圖3 煤樣CO2/O2、CO/O2與溫度的關(guān)系曲線

由自燃發(fā)火實(shí)驗(yàn)臺(tái)的最高溫度點(diǎn)溫度與供風(fēng)時(shí)間的關(guān)系，1 d內(nèi)煤溫從112℃升到121℃，達(dá)到252℃只需要2 d。第44天煤溫為112℃，到47 d后溫度達(dá)到252℃，一兩天后發(fā)現(xiàn)明火。所以，當(dāng)煤溫達(dá)到112℃左右溫度急速增高，只要幾天就可以達(dá)到著火溫度。

圖4 煤樣產(chǎn)生CO/CO2與溫度的關(guān)系曲線

由圖4顯示，隨著溫度的上升R3逐漸增大，當(dāng)溫度達(dá)到臨界溫度60℃～70℃，R3對(duì)應(yīng)比值為3.68。隨著溫度繼續(xù)上升，煤溫達(dá)到89℃時(shí)R3第一次出現(xiàn)極大值7.7，說(shuō)明這個(gè)階段的CO生產(chǎn)量迅速增大，CO產(chǎn)生率大于CO2產(chǎn)生率；隨后R3比值下降，說(shuō)明由于煤溫進(jìn)一步增高導(dǎo)致CO氧化。當(dāng)R3下降到極小值7.4時(shí)并且第一次出現(xiàn)C2H6，此時(shí)煤溫高達(dá)98℃；當(dāng)R3達(dá)到8，對(duì)應(yīng)煤溫為110℃時(shí)，已經(jīng)到了非常危險(xiǎn)階段（警報(bào)值），根據(jù)自燃發(fā)火實(shí)驗(yàn)臺(tái)可知5 d左右煤溫會(huì)達(dá)到260℃左右。

根據(jù)自燃發(fā)火實(shí)驗(yàn)和程序升溫實(shí)驗(yàn)可推測(cè)出：R3在 0～2.3為正常階段 （0℃～60℃）；2.3～6.4為低溫氧化階段（60℃～80℃）；6.4～8為高溫氧化的危險(xiǎn)階段（80℃～110℃），此階段應(yīng)該加強(qiáng)防火措施；大于8（即大于110℃）為報(bào)警階段。

3.2 烷烯烴氣體

圖5 煤樣產(chǎn)生C2H6、C2H4與溫度的關(guān)系曲線

圖5中C2H6在煤溫達(dá)到98℃時(shí)首次出現(xiàn)，達(dá)到134℃以后C2H6迅速增加，同時(shí)在144℃后出現(xiàn)C2H4；在剛開(kāi)始，C2H4的生成率大于C2H6的生成率，因而二者比值逐漸增高，并且出現(xiàn)第一次峰值；而后煤氧復(fù)合的速度加快，C2H6生成率又高于C2H4的生成速率，因而比值又開(kāi)始下降，隨著煤的劇烈氧化，C2H4的發(fā)生率又恢復(fù)到大于C2H6的生產(chǎn)率，第二次峰值出現(xiàn)。因此，第一次峰值標(biāo)志著煤氧復(fù)合到了激烈氧化階段的加速階段。

由于只有C2H4出現(xiàn)后烷烯的比值才可以使用，因此應(yīng)充分考慮在C2H4出現(xiàn)前的氣體比值。

圖6 煤樣CH4/C2H6、C2H4/C2H6與溫度的關(guān)系曲線

見(jiàn)圖6，煤溫在134℃時(shí)CH4/C2H6比值第一次達(dá)到極大值，說(shuō)明CH4產(chǎn)生率大于C2H6的速率；而后比值開(kāi)始下降并且伴隨著C2H4的出現(xiàn)，此時(shí)必須發(fā)出緊急報(bào)警，立即采取滅火措施撲滅火源。

4 結(jié)論

通過(guò)對(duì)東山煤礦15#煤樣的實(shí)驗(yàn)研究分析，可以得出下面結(jié)論：

①可以把CO作為預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)東山煤礦15#煤層發(fā)火的主要指標(biāo)氣體，只要煤礦井下檢測(cè)出CO氣體持續(xù)存在，且濃度不斷穩(wěn)定增加，就可判斷此測(cè)點(diǎn)風(fēng)流的上風(fēng)側(cè)存在高溫隱患點(diǎn)或存在自燃火源，并以C2H4、C2H6作為輔助指標(biāo)氣體。

②實(shí)驗(yàn)中CO濃度達(dá)到40 mg/m3，煤溫已超70℃，監(jiān)測(cè)到這個(gè)濃度時(shí)要加強(qiáng)對(duì)CO的監(jiān)測(cè)。當(dāng)煤溫達(dá)到110℃，CO濃度超過(guò)160 mg/m3，若在工作面上隅角監(jiān)測(cè)到CO超過(guò)160 mg/m3，立即組織人員滅火，否則1周左右會(huì)產(chǎn)生明火。若監(jiān)測(cè)到出現(xiàn)C2H6的，此時(shí)井下煤最高溫幾乎到了100℃，此時(shí)要發(fā)出報(bào)警；若出現(xiàn)C2H4，煤溫已經(jīng)達(dá)到134℃以上。

③CO/CO2值第一次出現(xiàn)極大值7.7時(shí)此時(shí)煤溫已達(dá)到89℃，正處于高溫氧化階段。隨著煤溫的發(fā)展，CO/CO2值開(kāi)始下降并且監(jiān)測(cè)到有C2H6第一次出現(xiàn)的話，說(shuō)明煤溫達(dá)98℃，應(yīng)及時(shí)采取防火措施，將自燃撲滅在萌芽階段。CO/CO2值在6.4～8間說(shuō)明在高溫氧化的危險(xiǎn)階段（80℃～110℃），此階段應(yīng)該防火；大于8為報(bào)警階段；當(dāng)煤溫在134℃時(shí)CH4/C2H6比值第一次達(dá)到極大值以后并且第一次出現(xiàn)C2H4，應(yīng)發(fā)出緊急報(bào)警，立即采取滅火措施。

[1]王省身，張國(guó)樞.礦井火災(zāi)防治 [M].徐州：中國(guó)礦業(yè)大學(xué)出版社，1990.

[2]邵輝.淺析煤炭自燃指標(biāo)氣體的優(yōu)選與使用 [J].煤炭科學(xué)技術(shù)，1996(9)：43-45.

[3]羅海珠，錢國(guó)胤.各煤種自燃發(fā)火標(biāo)志氣體指標(biāo)研究 [J].煤礦安全，2003（S1） :86-89.

[4]王從陸，伍愛(ài)友，蔡康旭.煤炭自燃傾向性試驗(yàn)研究及指標(biāo)氣體優(yōu)選 [J].中國(guó)安全科學(xué)學(xué)報(bào)，2006,16 (10)：131-134.

[5]王曉寧.小窯煤層自燃引起的礦井火災(zāi)控制技術(shù)研究 [D].西安：西安科技大學(xué)，2008：29-33.

Experimental Study on Spontaneous Combustion Characteristics of ShanDong Coal Mine

Su kaiZhao Xiaoxia Wang Weifeng Wu Huiping

(School of Energy Engineering，Xi′an University of Science and Technology，Shanxi Xi′an 710054)

With temperature rising,coal spontaneous combustion will produce different gas.In principle,the appearance and the release quantity of these gas can reflects spontaneous combustion of coal oxidation degree correctly.In coal seam temperature programmed test devicebasis,we can define the temperature range to provide available evidences for the prediction,prevention and cure of coal spontaneous combustion,combining the results of spontaneous combustion simulation test bench.

mine fire prevention； coal spontaneous combustion； low-temperature combustion； gas index；Dongshan coal samples

TD75

A

1000-4866（2012）03-0029-04

蘇凱，男，1985年出生，西安科技大學(xué)在讀碩士研究生，主要從事煤礦安全方面的研究。

2012-06-18

2012-07-09