張玉龍 王俊峰 王涌宇 常麗萍 李爭(zhēng)峰

（太原理工大學(xué)，山西省太原市，030024）

環(huán)境條件對(duì)煤自燃復(fù)合指標(biāo)氣體分析的影響＊

張玉龍 王俊峰 王涌宇 常麗萍 李爭(zhēng)峰

（太原理工大學(xué)，山西省太原市，030024）

為探討環(huán)境條件對(duì)煤自燃復(fù)合指標(biāo)氣體分析法的影響，實(shí)驗(yàn)研究了氣體流量、升溫速率、煤樣粒徑及氧氣濃度對(duì)煤自燃過(guò)程的影響。研究結(jié)果表明，實(shí)驗(yàn)條件對(duì)復(fù)合指標(biāo)氣體仍表現(xiàn)出一定的影響，與單一指標(biāo)氣體分析法相比較，復(fù)合指標(biāo)氣體分析法受環(huán)境條件波動(dòng)較小，在煤自燃預(yù)測(cè)中表現(xiàn)出明顯的優(yōu)勢(shì)。不同的影響因素對(duì)不同的復(fù)合指標(biāo)氣體表現(xiàn)出不同的影響，但在整個(gè)實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，O2／CO與O2／CO2受實(shí)驗(yàn)條件影響較小，并在煤自燃過(guò)程中表現(xiàn)出明顯的指示作用。

煤自燃 復(fù)合指標(biāo)氣體分析法 影響因素 環(huán)境條件

煤自燃對(duì)煤礦安全生產(chǎn)威脅很大，是煤礦安全領(lǐng)域的重要研究課題之一。為了能有效預(yù)防和控制煤炭自燃火災(zāi)，需要對(duì)煤自燃進(jìn)行預(yù)報(bào)。目前最常用的方法是煤自燃指標(biāo)氣體預(yù)測(cè)法，即根據(jù)煤炭氧化后隨著氧化進(jìn)程的不同將依次釋放出各種氣體，依據(jù)這些氣體的出現(xiàn)溫度及釋放量來(lái)判斷煤炭自燃狀態(tài)。準(zhǔn)確地分析煤炭氧化自燃所放出的氣體及其濃度，能夠及時(shí)預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)煤炭自燃情況，為煤炭自燃的防治工作提供科學(xué)指導(dǎo)。煤自燃是在特定環(huán)境條件下的煤低溫氧化的最終結(jié)果，環(huán)境條件對(duì)煤自燃起著決定性的作用。同時(shí)指標(biāo)氣體濃度容易受到復(fù)雜的環(huán)境條件的影響，給準(zhǔn)確預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)煤自燃狀態(tài)帶來(lái)困難。因此很有必要研究環(huán)境條件對(duì)目前煤自燃預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)方法的影響。在實(shí)驗(yàn)室條件下研究煤自燃指標(biāo)性氣體釋放規(guī)律的環(huán)境影響因素主要包括氣體流量、升溫速率、煤樣粒徑及氧氣濃度等。單一指標(biāo)氣體預(yù)測(cè)法對(duì)礦井下煤自燃程度判定具有很大的不確定性，而復(fù)合指標(biāo)氣體體系預(yù)測(cè)煤層自燃狀態(tài)具有明顯的優(yōu)勢(shì)。目前還沒(méi)有文獻(xiàn)報(bào)道過(guò)實(shí)驗(yàn)條件對(duì)復(fù)合指標(biāo)氣體預(yù)測(cè)法的影響，即復(fù)合指標(biāo)氣體在不同的環(huán)境條件下的穩(wěn)定性還不太清楚。研究環(huán)境條件對(duì)復(fù)合指標(biāo)氣體的影響，實(shí)驗(yàn)結(jié)果為優(yōu)化煤自燃指標(biāo)氣體預(yù)測(cè)體系和及時(shí)準(zhǔn)確預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)煤自燃狀態(tài)具有重要的指導(dǎo)意義。1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 煤樣選取

選取易自燃的神東補(bǔ)連塔礦長(zhǎng)焰煤作為實(shí)驗(yàn)用煤?，F(xiàn)場(chǎng)取剛開采的新鮮煤樣，裝在真空袋內(nèi)，運(yùn)至實(shí)驗(yàn)室。實(shí)驗(yàn)前先剝?nèi)ッ簶颖砻嫜趸瘜?，然后?duì)其進(jìn)行破碎并篩分出不同粒徑的煤樣作為實(shí)驗(yàn)煤樣。

1.2 綜合指標(biāo)氣體檢測(cè)實(shí)驗(yàn)

實(shí)驗(yàn)采用本實(shí)驗(yàn)室研發(fā)的煤自燃過(guò)程模擬系統(tǒng)，其流程如圖1所示。該系統(tǒng)由反應(yīng)器、保溫設(shè)備、氣路通道以及相應(yīng)的監(jiān)測(cè)設(shè)備等組成。實(shí)驗(yàn)氣體為N2和O2的混合氣，由氣瓶供給，其流量通過(guò)相應(yīng)的質(zhì)量流量計(jì)控制，在進(jìn)入反應(yīng)器前會(huì)被加熱線圈預(yù)熱到實(shí)驗(yàn)穩(wěn)定狀態(tài)，反應(yīng)生成的氣相產(chǎn)物通過(guò)氣相色譜儀進(jìn)行檢測(cè)。實(shí)驗(yàn)前將煤樣置于銅質(zhì)反應(yīng)器內(nèi)，將其置于程序控溫箱內(nèi)，然后連接好進(jìn)氣氣路、出氣氣路和溫度探頭 （探頭置于煤體幾何中心），檢查氣路的氣密性。在程序控溫箱控制下以不同的升溫速率對(duì)煤樣進(jìn)行加熱，升溫至200℃。

圖1 實(shí)驗(yàn)裝置示意圖

2 環(huán)境條件對(duì)氣體產(chǎn)物釋放的影響

2.1 空氣流速的影響

空氣流速對(duì)煤自熱過(guò)程起到重要的作用。其作用主要體現(xiàn)在：高的氣體流速能提供足夠的氧氣，從而保證煤自熱過(guò)程對(duì)氧氣的需求；過(guò)高的氣體流量會(huì)帶走氧化過(guò)程中所產(chǎn)生的熱量，降低熱量的富集作用，稀釋煤氧化過(guò)程中生成的氣相產(chǎn)物。為了研究空氣流速對(duì)氣體產(chǎn)物生成的影響，分別選取100 ml／min和200 ml／min的空氣流速進(jìn)行煤的氧化實(shí)驗(yàn)，空氣流量對(duì) H2／CH4、O2／CO2、O2／CO、CO2／CO和CH4／CO2的影響如圖2所示。從圖2（a）可以看出，在110℃以前沒(méi)有檢測(cè)到H2，因而H2／CH4為0；當(dāng)溫度高于120℃左右時(shí)，H2／CH4比值呈現(xiàn)最大值，隨著溫度的升高，比值呈現(xiàn)出一個(gè)降低的趨勢(shì)，其半峰寬較大，在120～150℃之間；空氣流速對(duì)H2／CH4比值影響不明顯。從圖2 （b）可以看出，O2／CO2和 O2／CO呈現(xiàn)不同的變化規(guī)律，O2／CO2比值處于0.3×104以下，當(dāng)溫度高于50℃時(shí)，其比值接近一條直線；O2／CO比值隨著溫度的增加先呈現(xiàn)出拋物線降低的趨勢(shì)，當(dāng)溫度高于70℃時(shí)，其表現(xiàn)出緩慢降低的趨勢(shì)，當(dāng)溫度達(dá)到120℃，其比值接近接近于水平線，說(shuō)明O2／CO比值與煤自然發(fā)火狀態(tài)有密切的相關(guān)性，可用于判斷煤的自燃狀態(tài)；同時(shí)也可以看到空氣流速對(duì)其影響較小。從圖2（c）可以看出，CO／CO2呈現(xiàn)出先增加后降低的趨勢(shì)，在150℃左右呈現(xiàn)出最大值，表明此時(shí)煤體處于自熱加速階段；隨著空氣流速的增加，CO／CO2顯著增大。從圖2（d）可以看出，CH4／CO2和CH4／CO比值的變化規(guī)律分別與O2／CO2和 O2／CO相類似。

2.2 粒徑的影響

粒徑對(duì)煤氧化反應(yīng)的影響主要體現(xiàn)在：一方面減小煤體的粒徑會(huì)增加煤樣的比表面積，從而增加煤的反應(yīng)位點(diǎn)，加快煤的氧化反應(yīng)；另一方面煤樣粒徑的減小會(huì)降低煤體之間的堆積空隙，不利于氧氣在煤體之間的擴(kuò)散，降低煤的氧化反應(yīng)。為了研究煤樣粒徑對(duì)氣體產(chǎn)物生成的影響，實(shí)驗(yàn)分別選取20～40目、40～80目和80～120目的不同粒徑的煤樣進(jìn)行煤的氧化實(shí)驗(yàn)，煤樣粒徑對(duì)氣體產(chǎn)物關(guān)聯(lián)性的影響如圖3所示。從圖3（a）可以看出，不同粒徑下的H2／CH4的變化趨勢(shì)整體相同，都在130℃左右出現(xiàn)最大峰值；但是由于粒徑對(duì)H2及CH4的釋放量有很大的影響，因而隨著粒徑的增加，H2／CH4峰值呈現(xiàn)增加的趨勢(shì)。從圖3（b）可以看出，隨著粒徑增加，O2／CO2與O2／CO均呈現(xiàn)增加的趨勢(shì)，然而二者變化規(guī)律是不同的。O2／CO2呈現(xiàn)緩慢的降低趨勢(shì)，在溫度接近70℃時(shí)基本上趨近于一條直線；而O2／CO在氧化初期階段隨著溫度的增加其比值迅速降低，在100℃以后才逐漸趨近平緩；O2／CO2與O2／CO比值的變化對(duì)煤自燃狀態(tài)具有很好的指示作用，粒徑對(duì)兩者的比值表現(xiàn)出明顯的影響，隨著粒徑的增加，這種指示作用更加明顯。從圖3（c）可以看出，CO／CO2同樣在180℃左右呈現(xiàn)出最大值，表明此時(shí)煤樣已經(jīng)接 近自燃狀態(tài)。

2.3 升溫速率的影響

升溫速率對(duì)煤氧化過(guò)程的影響主要體現(xiàn)在：較高的升溫速率會(huì)增大煤體與外部環(huán)境的溫差，同時(shí)不同的加熱速率會(huì)影響煤體的自熱歷程。為了研究升溫速率對(duì)氣體產(chǎn)物生成的影響，實(shí)驗(yàn)分別在0.5℃／min，1.0℃／min和2.0℃／min升溫速率下進(jìn)行煤的氧化實(shí)驗(yàn)，升溫速率對(duì)氣體產(chǎn)物關(guān)聯(lián)性的影響如圖4所示。從圖4（a）可以看出，隨著加熱速率的增加，H2／CH4呈現(xiàn)降低的趨勢(shì)，這說(shuō)明較快的加熱速率更有利于CH4的釋放。從圖4（b）、圖4 （d）可以看出，升溫速率對(duì) O2／CO2，O2／CO，CH4／CO2和CH4／CO在較低溫度下表現(xiàn)出一定的影響，隨著溫度的升高，這種影響逐漸降低。從圖4（c）可以看出，升溫速率對(duì)CO／CO2影響較為明顯，隨著升溫速率的降低，CO／CO2迅速增加；當(dāng)升溫速率為0.5℃／min時(shí)，CO／CO2呈現(xiàn)出拋物線的趨勢(shì)，在130℃左右表現(xiàn)出最大；升溫速率對(duì)CO／CO2的影響主要體現(xiàn)在100～180℃；由于CO和CO2的生成途徑上有本質(zhì)的區(qū)別，溫升速率對(duì)煤自燃過(guò)程中CO和CO2的生成途徑也有很大的影響。

圖4 升溫速度對(duì)氣體產(chǎn)物關(guān)聯(lián)性的影響

2.4 氧氣濃度的影響

氧氣作為煤自熱過(guò)程的反應(yīng)劑，其濃度大小對(duì)煤的自熱過(guò)程起著重要的作用。在相同的氣體流速條件下，較高的氧氣濃度會(huì)提供充足的氧氣，從而保證煤自熱過(guò)程的順利進(jìn)行。在煤自燃過(guò)程中，由于氣體產(chǎn)物的生成途徑的多樣性，氧氣參與了各個(gè)反應(yīng)途徑，不同的氧氣濃度對(duì)不同的途徑影響是不同的，會(huì)導(dǎo)致氧化產(chǎn)物釋放的差異性，從而引起復(fù)合指標(biāo)氣體分析的差異性。為了研究氧氣濃度對(duì)氣體產(chǎn)物生成的影響，實(shí)驗(yàn)分別在氧氣濃度為6.50%、12.60%、15.72%和20.82%下進(jìn)行煤的氧化實(shí)驗(yàn)，氣體流速為100 ml／min，氧氣濃度對(duì)復(fù)合指標(biāo)氣體影響如圖5所示。從圖5（a）可以看出，隨著氧氣濃度的增加，H2／CH4呈現(xiàn)出增加的趨勢(shì)，當(dāng)氧氣濃度為20.82%時(shí)，其峰值明顯高于其他氧氣濃度，并且所對(duì)應(yīng)的峰溫也明顯提前。從圖5（b）、圖5（d）可以看出，在反應(yīng)初期，氧氣濃度對(duì) O2／CO 和 CH4／CO 及 CH4／CO2影響較為明顯；隨著溫度的增加，這種影響逐漸降低。從圖5（c）可以看出，氧氣濃度對(duì)CO／CO2影響較為復(fù)雜，這是由于CO和CO2的生成途徑的不同，以及氧氣濃度對(duì)不同途徑的不同影響所造成的。而氧氣濃度對(duì)O2／CO2幾乎沒(méi)有影響。

圖5 氧氣濃度對(duì)氣體產(chǎn)物關(guān)聯(lián)性的影響

3 結(jié)論

（1）環(huán)境條件對(duì)煤自燃單一指標(biāo)氣體的生成有很大影響。與單一指標(biāo)氣體分析法相比，復(fù)合指標(biāo)氣體分析法具有一定的穩(wěn)定性。環(huán)境條件會(huì)對(duì)單一指標(biāo)氣體的釋放時(shí)間及釋放量上造成影響；而對(duì)復(fù)合指標(biāo)氣體的影響表現(xiàn)在峰值的大小。

（2）不同的環(huán)境條件對(duì)煤自燃復(fù)合指標(biāo)氣體的影響是不同的。增加空氣流速會(huì)同等增加CH4和H2的釋放速率，因而對(duì)H2／CH4影響不大；同時(shí)會(huì)增加CH4和CO2的釋放速率，因而增加CO2／CO，CH4／CO的比值。增大煤樣的粒徑，會(huì)增加CH4／H2，CO／CO2，CH4／CO 的比值。增加升溫速率，會(huì)增加 H2／CH4和CO／CO2的比值，而對(duì)O2／CO2、O2／CO以及CH4／CO影響很小。增加氧氣濃度，會(huì)增加 H2／CH4和CH4／CO的比值，降低CO／CO2的比值。這些影響與煤自燃過(guò)程各種指標(biāo)氣體生成途徑及生成機(jī)理有很大關(guān)聯(lián)。

（3）在整個(gè)實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，O2／CO2與 O2／CO受實(shí)驗(yàn)條件波動(dòng)較小，并在煤自燃過(guò)程中表現(xiàn)出明顯的指示作用。

［1］廖禮 .渝陽(yáng)礦煤層自燃標(biāo)志氣體及臨界值的研究［J］.中國(guó)煤炭，2012 （10）

［2］黃顯華 .平朔礦區(qū)9＃煤程序升溫氧化過(guò)程中指標(biāo)氣體變化規(guī)律研究 ［J］.中國(guó)煤炭，2012（2）

［3］牛光勇，鄔劍明等 .平朔礦區(qū)煤自燃宏觀特性的關(guān)聯(lián)性研究 ［J］.中國(guó)煤炭，2012（9）

［4］陳汝豪，王德明等 .煤炭低溫氧化自燃過(guò)程指標(biāo)氣體影響因素關(guān)聯(lián)分析 ［J］.礦業(yè)工程研究，2012（1）

［5］寇礫文，蔣曙光等 .溫莊煤自燃指標(biāo)氣體產(chǎn)生規(guī)律及影響因素分析 ［J］.煤礦安全，2012（3）

［6］李曼，李增華等 .運(yùn)用多指標(biāo)氣體體系分析煤層自燃氧化性 ［J］.煤礦安全，2012（1）

Effect of experimental conditions on composite index method of gas analysis in spontaneous combustion

Zhang Yulong，Wang Junfeng，Wang Yongyu，Chang Liping，Li Zhengfeng
（Taiyuan University of Technology，Taiyuan，Shanxi 030024，China）

This study involved investigating the environmental conditions affecting the composite index method of gas analysis during coal spontaneous combustion including the effect of gas flow rates，heating rates，particle size and oxygen concentrations during spontaneous combustion.The results showed that experimental conditions still affect the gas composite index.However，the composite index method of gas analysis is less affected by environmental conditions compared with the single index method，which showed advantages in predicting spontaneous combustion.Different factors showed different effects on the composite gas index.In the experiment，O2／CO and O2／CO2were relatively stable and showed significant indicators for spontaneous combustion.

spontaneous combustion，composite index method of gas analysis，influencing factor，environment condition

TD752.2

A

國(guó)家自然基金 （51274146），國(guó)家國(guó)際科技合作項(xiàng)目 （2011DFA72310）

張玉龍 （1987-），男，河南南陽(yáng)人，在讀研究生。主要從事煤化工及煤自燃機(jī)理、預(yù)測(cè)及防治技術(shù)的研究。

（責(zé)任編輯 張艷華）