王麗敏，宋 欣，林大力

（1.黑龍江工業(yè)學(xué)院，黑龍江 雞西 158100；2.雞西榮華礦，黑龍江 雞西 158100）

高瓦斯易自燃煤層安全技術(shù)研究

王麗敏1，宋 欣1，林大力2

（1.黑龍江工業(yè)學(xué)院，黑龍江 雞西 158100；2.雞西榮華礦，黑龍江 雞西 158100）

針對(duì)雞西礦區(qū)低透氣性高瓦斯易自燃煤層安全開采的實(shí)際情況，并在綜合分析影響安全開采的瓦斯和煤自燃因素基礎(chǔ)上，應(yīng)用熱重和紅外光譜分析技術(shù)，對(duì)礦區(qū)煤分子結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析，并在實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上建立煤的分子結(jié)構(gòu)模型，并采用實(shí)驗(yàn)的方法研究煤在自燃氧化過程中不同溫度下煤的化學(xué)鍵和官能團(tuán)的變化規(guī)律，從而得出煤炭的自燃機(jī)理理論.然而在煤炭自燃過程中生成的指標(biāo)氣體研究方面，應(yīng)用傅利葉變換紅外光譜儀實(shí)驗(yàn)研究煤在氧化自燃過程中不同溫度下產(chǎn)生的指標(biāo)氣體.并給出煤在氧化自燃過程不同溫度下對(duì)應(yīng)的指標(biāo)氣體濃度值.為了防止因煤的自燃火災(zāi)引起瓦斯爆炸事故的發(fā)生，本研究提出一種有效的瓦斯治理技術(shù)和防止礦井自燃火災(zāi)發(fā)生的綜合防治技術(shù).

雞西礦區(qū)；高瓦斯易自燃煤層；安全開采；防治技術(shù)

20世紀(jì)90年代以來，機(jī)械化采煤技術(shù)作為一種高產(chǎn)、高效的一項(xiàng)重要技術(shù)，它以機(jī)械化為主，大大減少了人力活動(dòng)，從而得到了廣泛推廣.但是，這種開采方式中安全問題也逐漸增多.根據(jù)相關(guān)資料結(jié)果顯示：我國(guó)現(xiàn)有的煤礦，有50%煤礦是有自燃的危險(xiǎn)的.在煤礦開采過程中自燃和治理高瓦斯的安全就是矛盾的，如何解決高瓦斯、易自燃的煤層所采取綜合措施，已成為煤礦安全開采的的重點(diǎn).

1 雞西礦區(qū)工作面概況

雞西礦區(qū)位于黑龍江省東南部，地跨雞西、林口、穆林、雞東和密山等到市縣.東西長(zhǎng)135公里，南北寬25公里，面積3375平方公里.區(qū)仙交通方便，鐵路有濱密線和牡東線，并與各礦專用線相連.公路可通礦區(qū)周圍各鄰近市.礦井主要以機(jī)械抽出式為主也就是通過中央并列式進(jìn)行通風(fēng).采用主立井、副立井、排矸斜井兼安全出口進(jìn)風(fēng)方式，并采用局部通風(fēng)機(jī)作為通風(fēng)系統(tǒng).礦井一采區(qū)工作面總長(zhǎng)為180m.

城子河組與穆棱組為雞西礦區(qū)含煤地層.城子河組煤層發(fā)育較好，共含煤7-40余層，可采3-17層，可采總厚1076米.煤層由西往東層數(shù)逐漸增多.穆棱組含煤10-17層，可采2-7層，厚386米，由西往東層數(shù)逐漸減少.煤類以焦煤、氣煤為主.在工作面開采過程中煤層和中的黃鐵礦垮落入采空區(qū)后，黃鐵礦就可以在低溫的時(shí)候發(fā)生氧化，這是因?yàn)辄S鐵礦進(jìn)行的化學(xué)反應(yīng)時(shí)放熱的反應(yīng)，同時(shí)他的激烈的氧化溫度也低于煤礦的激烈氧化溫度.又因?yàn)榉磻?yīng)放出的熱量很大，促進(jìn)和誘發(fā)了煤的氧化進(jìn)而自燃，在采空區(qū)氧化帶內(nèi)煤層很容易自燃.

2 雞西礦區(qū)煤分子結(jié)構(gòu)分析

2.1 熱重分析技術(shù)

熱重(TG)技術(shù)是指煤礦在溫度一定情況下，是一種對(duì)煤礦的質(zhì)量和溫度的關(guān)系的技術(shù)測(cè)定方法.在煤的燃燒過程中充分運(yùn)用熱重(TG)技術(shù)，對(duì)于煤在燃燒過程中的質(zhì)量變化進(jìn)行跟蹤，進(jìn)而我們可以得到其微分曲線DTG和TG曲線，用來評(píng)價(jià)煤在固定床、流化床等燃燒裝置中的特性，通過失重最大時(shí)的溫度(峰溫)對(duì)煤的燃燒活性進(jìn)行劃分等級(jí)也是這個(gè)技術(shù)的一大功能.

預(yù)測(cè)煤的燃燒性能，對(duì)煤礦的燃燒條件優(yōu)化，進(jìn)而確定煤在不同床型中需要的燃燒條件是TG/DTG技術(shù)的運(yùn)用.TG/DTG裝置能夠?qū)γ旱娜紵M(jìn)行考察，對(duì)煤在燃燒過程中的催化作用進(jìn)行研究，最后可以給出對(duì)催化劑的評(píng)價(jià).

圖1 氫化熱轉(zhuǎn)化率之間的關(guān)系

在溫度一定時(shí)，通過測(cè)量物質(zhì)與物質(zhì)的功率差與溫度之間關(guān)系的一種技術(shù)就是差示掃描量熱法(DSC).這種技術(shù)，能夠顯示煤在加熱過程中熱量的變化，從而直接測(cè)量出煤在燃燒過程中的熱效應(yīng).

煤氫化過程中所釋放出的熱量是DSC技術(shù)能夠測(cè)定的，我們進(jìn)而可以預(yù)測(cè)出煤在供氫溶劑(四氫萘)中的特性，它釋放的熱量和轉(zhuǎn)化率成正比關(guān)系.可以將氫化熱用Q(以煤起始質(zhì)量為基準(zhǔn)，J/g)表示.

2.2 紅外、質(zhì)譜聯(lián)用和熱分析

對(duì)于煤在熱解、氣化以及燃燒等情況中逸出的組織成分進(jìn)行檢測(cè)只是采用簡(jiǎn)單的的熱重分析法無法檢測(cè)的，也同時(shí)給探討反應(yīng)機(jī)理和煤的熱反應(yīng)進(jìn)程等研究帶來困難.為了解決以上產(chǎn)生的問題，通過將熱分析儀與其它的檢測(cè)技術(shù)或設(shè)備一起應(yīng)用，將TG與紅外(FTIR)以及質(zhì)譜(MS)的聯(lián)用是在當(dāng)前應(yīng)用最多的.我曾研究過采用TG-MS對(duì)煤熱解行為的影響，并獲得了如圖2所示曲線.

圖2 TG/MS研究煤的熱解行為

研究出煤中的含氧官能團(tuán)在熱分解過程主要產(chǎn)生三種氣體，需要利用紅外和熱重技術(shù)測(cè)定煤中氧的含量，對(duì)計(jì)算公式進(jìn)行積分來獲得煤中氧含量是根據(jù)逸出曲線得出的，方便、快捷是這種方式的特點(diǎn)，但是這種方法在測(cè)定煤中硫含量時(shí)會(huì)產(chǎn)生誤差.

2.3 煤的分子結(jié)構(gòu)模型

芳香核是煤分子結(jié)構(gòu)的核心，整個(gè)分子中存在很多相似的結(jié)構(gòu)，同時(shí)也有差異，煤分子結(jié)構(gòu)中主要通過橋鍵連接，且其分子結(jié)構(gòu)內(nèi)部還有一些低分子化合物.

根據(jù)煤的化學(xué)成分，煤中氧基團(tuán)的含量會(huì)隨著煤化程度增加而降低，煤化過程中甲氧基最早消失；其次是羧基，由于它的存在，使得褐煤有著一些固有特性；而羥基和羰基(包括醌基)在煤的整個(gè)過程中都存在；而醚鍵和雜環(huán)上的氧存在于整個(gè)成煤過程.

通過對(duì)煤層的分析得出，煤的有機(jī)結(jié)構(gòu)主體主要是由縮合芳環(huán)結(jié)構(gòu)為基本單元，以次是以甲基、次乙基和醚鍵等鏈接而成的一種立體網(wǎng)狀的體型高聚物結(jié)構(gòu).煤分子中的芳香結(jié)構(gòu)、環(huán)烷烴和雜環(huán)類化學(xué)性質(zhì)是比較穩(wěn)定，在常溫下發(fā)生氧化反應(yīng)的可能性很小，在煤的氧化過程中，煤分子中的一些非芳香側(cè)鏈和橋鍵與氧氣發(fā)生氧化了還原反應(yīng).另外，與側(cè)鏈(含氧官能團(tuán)的側(cè)鏈除外)相比，橋鍵受到芳環(huán)的影響更大，更容易與氧發(fā)生反應(yīng)放出熱量.此外，在常溫常壓下，煤表面的一些活性基團(tuán)就能自發(fā)的與氧氣發(fā)生反應(yīng).

圖3 煤的分子結(jié)構(gòu)模型

煤自燃發(fā)生在煤堆體積一定時(shí)，它的中心可以被認(rèn)為是絕熱.由于煤的吸附能力是0-10倍，因此產(chǎn)生的煤的吸附，從而延緩了氧化速度；另一方面，由于對(duì)氧的吸附氧化的存在，總是隨著溫度的升高，緩慢解吸溫度增加，同時(shí)溫度上升，但也加速了反應(yīng).由于矛盾勢(shì)均力敵，使自燃是奄奄一息的狀態(tài).這段時(shí)間保持相當(dāng)長(zhǎng)，是低溫氧化階段的主要成分.

在矛盾的主要方面，在影響響應(yīng)速度的時(shí)候溫度上升起到主導(dǎo)作用，溫度上升更快.較大的體積密度，由于溫度和光照就變輕了，它彌漫于粒間孔隙，與煤表面若即若離，有一些開始借熱浮力作用，從上部逸出.將含有逃離上限溫度在60-70℃(亦說70-80℃)的有20%混合氣體.

3 煤炭自燃過程中生成的指標(biāo)氣體

3.1 煤的紅外光譜

煤中各種有機(jī)物質(zhì)可以選擇性地吸收特定波長(zhǎng)的紅外線，并隨著煤化程度的加劇，煤結(jié)構(gòu)的官能團(tuán)將發(fā)生相應(yīng)的變化，煤的紅外光譜是分子結(jié)構(gòu)的一種反映，振動(dòng)光譜吸收峰對(duì)應(yīng)的分子表征和每個(gè)組.

因此，通過對(duì)紅外光譜圖上吸收帶進(jìn)行分析，從中分析煤中一些化學(xué)結(jié)構(gòu)及其變化.

整個(gè)紅外光譜范圍可以分為4000-1300cm(官能團(tuán)區(qū))與1300-600cm(指紋區(qū))2個(gè)區(qū)域. 4000-1300cm這個(gè)區(qū)域的峰主要是因?yàn)樯炜s振動(dòng)而產(chǎn)生的，而1300-600cm區(qū)域的峰不僅有單鍵的伸縮振動(dòng)，還有因?yàn)樽冃握駝?dòng)而產(chǎn)生的復(fù)雜光譜一些鍵.

3.2 傅立葉紅外光譜法

利用傅立葉紅外光譜法能夠?qū)ΦV區(qū)的煤樣進(jìn)行研究，從而得到煤的紅外譜圖，通過相關(guān)實(shí)驗(yàn)我們可以知道：隨著煤中煤階的增加，羥基呈遞減的趨勢(shì).且煤中的-OH主要存在端基和側(cè)鏈中；同時(shí)，羥基譜帶的位置也由原來的3200cm移至3410cm，這表明羥基是以多聚的締合結(jié)構(gòu)形式存在（煤中存在大量氫鍵）.

用傅里葉變換紅外光譜法可以得到煤的其他參數(shù).孫慶磊等人利用紅外技術(shù)和原料煤在室溫下鏡質(zhì)組和殼質(zhì)組的樣品進(jìn)行了研究，結(jié)果表明：煤的透射紅外譜圖、漫反射紅外譜圖稍有差別，紅外透射在2000厘米一下的分辨率更好，而鏡質(zhì)組脂肪C-H鍵和芳香C-H分辨率較差.

3.3 煤炭自燃特性實(shí)驗(yàn)

為了對(duì)煤的自燃研究有更好效果，作者設(shè)計(jì)了一種簡(jiǎn)單的模擬裝置模擬煤自燃，并測(cè)試了雞西煤炭.

如圖4所示，為本次實(shí)驗(yàn)的實(shí)驗(yàn)裝置，這個(gè)實(shí)驗(yàn)裝置中有供氣系統(tǒng)、程序升溫系統(tǒng)和氣樣分析系統(tǒng)三個(gè)部分組成.

圖4 煤自燃實(shí)驗(yàn)裝置

本次實(shí)驗(yàn)中，我們主要測(cè)定了雞西礦區(qū)煤在不同溫度下CO、CO2、O2、C2H6、C2H4的濃度，根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果我們可以選出預(yù)測(cè)煤自燃?xì)怏w.

煤在自然過程中所產(chǎn)生的氣體種類及其煤自然的溫度會(huì)隨著煤質(zhì)的不同而不同，因此，煤自燃時(shí)對(duì)生產(chǎn)的氣體指標(biāo)進(jìn)行分析時(shí)，氣體應(yīng)該具備以下特點(diǎn)：

（1）氣體易于檢測(cè)（檢測(cè)性好）.利用色譜分析儀能夠方便的檢測(cè)出指標(biāo)氣體.

（2）氣體的敏感性較好（檢測(cè)性高）.當(dāng)煤自然過程中，指標(biāo)氣體在自然過程中一定會(huì)出現(xiàn)，并且隨著煤溫的升高指標(biāo)氣體產(chǎn)量越多.

（3）指標(biāo)氣體有較強(qiáng)的規(guī)律性（規(guī)律性）.指標(biāo)氣體的濃度與煤溫之間應(yīng)有良好的關(guān)系.

通過本次實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，雞西礦區(qū)各煤樣在氧化過程中都有規(guī)律地出現(xiàn)、、三種氣體，且雞西礦區(qū)煤層試樣CO、C2H6、C2H4氣體含量與煤溫關(guān)系如圖所示.

由圖5可以看出，CO、C2H4的生成量隨著煤自然溫度的升高而增多.而在煤自然110-120℃時(shí)出現(xiàn)，由此可以說明此時(shí)煤自然過程中發(fā)生了較強(qiáng)的化學(xué)反應(yīng).在30℃時(shí)就存在，而溫度在190-200℃時(shí)達(dá)到最大.因此，雞西礦區(qū)可采作為煤炭自燃的主要指標(biāo)氣體，而將作為輔助指標(biāo)氣體，而不能作為指標(biāo)氣體.

圖5 三種氣體含量和煤溫度的關(guān)系

5 結(jié)束語

進(jìn)行高瓦斯易自燃煤層回收礦井殘采工作面通風(fēng)安全保障技術(shù)的應(yīng)用之后，能夠有效提高礦井采區(qū)的安全性，并有利于創(chuàng)造好的經(jīng)濟(jì)和社會(huì)收益.通過對(duì)工作面采空區(qū)進(jìn)行觀測(cè)，并利用力學(xué)等相關(guān)理論，結(jié)合瓦斯轉(zhuǎn)移特性等相關(guān)因素（氧濃度、瓦斯?jié)舛?、滲透系數(shù)、壓力分布等）進(jìn)行擬合，能夠有效做好通風(fēng)安全保障措施，從而有利于礦產(chǎn)的生產(chǎn).

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