張 慧安徽理工大學能源與安全學院

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煤的低溫氧化及指標氣體實驗研究

張 慧
安徽理工大學能源與安全學院

【摘 要】本文主要利用自制研發(fā)的煤自燃特性測試系統(tǒng)，通過程序升溫加熱的方法，分析了桃園煤礦10煤和8煤在不同溫度環(huán)境下氧化的氣體組分及其濃度分布，以此來分析煤在低溫條件下的氧化規(guī)律，并綜合分析判定煤自然發(fā)火標志氣體。實驗結果表明，隨著煤溫的升高，煤的氧化速度越來越快，煤氧化速度的拐點溫度為100℃～120℃；10煤出現(xiàn)C2H4和C2H6的溫度均在80℃～100℃，而8煤在35℃～40℃下就有C2H6生成，但出現(xiàn)C2H4的溫度高達150℃；10煤以CO為主標志氣體，以C2H4、C2H6、C3H8作為輔助指標氣體；8煤以CO、C2H6為主標志氣體，以C2H4、C3H8作為輔助指標氣體。

【關鍵詞】程序升溫；煤自燃；預測預報；指標氣體

煤炭自燃火災是礦井安全生產(chǎn)的主要災害之一，如何防止和減少自燃火災的損失是目前國內(nèi)外有關專家正在致力研究的課題。煤炭自燃火災的早期預測預報，能及時、準確地預測預報煤炭早期自熱，可將煤炭自燃火災處理在萌芽之中，因此，煤炭自燃早期預測預報是防止煤礦自然發(fā)火行之有效的方法。煤炭自燃早期預測預報主要有測溫法和氣體分析法兩種[1-3]。氣體分析法：就是依據(jù)煤炭在自熱氧化過程中，除放出一定的熱量外，同時還要熱解釋放出CO、C2H4等碳氫類氣體的特點，通過檢測分析采、掘空間中是否含有煤炭自燃而釋放的氣體產(chǎn)物來判定煤炭自燃發(fā)火的情況[4-6]。煤炭自燃指標氣體是能預測和反映煤自然發(fā)火狀態(tài)的某種氣體，這種氣體產(chǎn)率隨煤溫上升而發(fā)生規(guī)律性變化[7-8]。雖然僅據(jù)井下氣體的分析結果不能系統(tǒng)地了解到煤溫和指標氣體的定量關系，但可通過人工氧化模擬實驗過程中的氣體的形成特征建立這種關系[8-9]。因此，本文通過實驗的方法對桃園煤礦10煤和8煤工作面煤樣進行煤氧化升溫試驗，分析他們在低溫條件下的氧化規(guī)律，并優(yōu)選適合桃園煤礦的指標氣體，這對預測預報桃園煤礦10煤和8煤工作面煤自燃發(fā)火具有重要的指導意義。

1 煤氧化升溫實驗

1.1實驗煤樣采樣地點分布

本文以桃園煤礦的10煤和8煤為例，根據(jù)煤樣采樣原則及研究需要，分別在10煤的1033工作面和8煤的8245工作面，共采集6個煤樣。采樣點的位置設置在工作面的上部、中部和下部，煤樣編號及其位置，見表1。

表1　采樣點位置及煤樣編號

1.2實驗裝置及條件

1.2.1實驗裝置

實驗裝置是專為研究煤炭自燃特性而設計的，實驗裝置圖如圖1所示，它包括供氣系統(tǒng)、程序升溫系統(tǒng)和氣樣分析系統(tǒng)3部分。主要部件包括程序控溫爐、煤樣罐、溫度測量、顯示和控制系統(tǒng)、流量傳感器及氣路系統(tǒng)穩(wěn)壓、穩(wěn)流等部分。

圖1　實驗裝置示意圖

1.2.2實驗條件

實驗條件對實驗結果具有一定的影響，根據(jù)參考文獻[10-11]，本次實驗條件如下：

煤樣：107g～133g；

實驗空氣：氧氣濃度20.96%（體積濃度）；

空氣流量：100ml/min；

爐膛溫升速率：3℃/min；

達到預設溫度穩(wěn)定時間：3min；

粒度：小于0.198mm。

1.2.3實驗步驟

（1）將制備好的煤樣裝入試驗罐內(nèi)，接好氣路后置入儀器的爐膛內(nèi)。

（2）設定爐膛的目標溫度，按程序升溫。

（3）當溫度達到預設溫度后，停止加熱，然后進行恒溫運行。

（4）恒溫運行3min，再把煤樣罐出氣口接到礦井自動氣相色譜儀（GC—4085型）進行色譜分析。

（5）記錄好目標溫度下的煤樣氧化氣體組分及濃度。

（6）重新回至第2步，直至爐膛目標溫度達到實驗所需的最高溫度即可。

2 實驗結果及分析

通過煤氧化升溫實驗，可以分析得出煤在不同溫度下煤氧化得出的各類碳氫類氣體及其濃度，以溫度為橫坐標，氣體濃度為縱坐標，繪制出各種實驗煤樣在不同溫度下的氣體組分分布趨勢圖，如圖2-7。各煤樣最早出現(xiàn)碳氫類氣體的溫度，見表2。

圖2　O2濃度隨溫度變化規(guī)律

圖3　CO濃度隨溫度變化規(guī)律

圖4　C2H4濃度隨溫度變化規(guī)律

圖5　C2H6濃度隨溫度變化規(guī)律

圖6　C3H8濃度隨溫度變化規(guī)律

圖7　C4H10濃度隨溫度變化規(guī)律

表2　各個煤樣出現(xiàn)氧化氣體的最低溫度表

從圖2可以看出，氧氣濃度隨著煤溫的升高，氧氣濃度都是下降的，而且下降的速度越來越快，這主要是因為煤樣發(fā)生氧化反應所致，而且隨著溫度的升高，煤的氧化越來越劇烈。當煤溫達到100℃～120℃時，氧氣濃度下降速度明顯加快，說明100℃～120℃是煤氧化的拐點溫度。

由圖3可知，CO的產(chǎn)生量與溫度之間均呈指數(shù)規(guī)律變化的趨勢。從表2中可以看出，4#、5#、6#煤樣在45℃～60℃之前未出現(xiàn)CO，1#、2#、3#煤樣在常溫下出現(xiàn)了CO，但在煤溫低于60℃時，各煤樣生產(chǎn)的CO濃度都較低（＜20ppm），根據(jù)指標氣體的條件，8煤和10煤均可采用CO作為指標氣體。在煤溫低于100℃～120℃時，CO濃度增加的較平緩，說明煤發(fā)生的是緩慢氧化，當煤溫高于100℃～120℃后， CO濃度增長的速度越來越快，說明氧化反應越來越劇烈，說明100℃～120℃是煤氧化的拐點溫度，這與前面分析結論相一致。

從表2中可以看出，不同煤樣開始出現(xiàn)C2H4，C2H6，C3H8的溫度差別較大。8煤和10煤開始出現(xiàn)C2H4和C2H6的溫度相差較大，8煤在35℃～40℃下就出現(xiàn)了C2H6，但出現(xiàn)C2H4的溫度高達150℃，而10煤出現(xiàn)C2H4和C2H6的溫度均在80℃～100℃。

從圖4-圖6可以看出C2H4，C2H6，C3H8氣體的產(chǎn)生量與溫度之間都是呈指數(shù)有規(guī)律變化的，而且趨勢基本相同。當煤溫高于100℃～120℃后，C2H6和C3H8的濃度增長的速度越來越快，由此也說明100℃～120℃是煤氧化的拐點溫度。

由于8煤出現(xiàn)C2H6溫度較低，而出現(xiàn)C2H4、C3H8的溫度較高，所以除CO外，8煤還可以用C2H6作為主要指標氣體，以C2H4、C3H8作為輔助指標氣體。10煤出現(xiàn)C2H4，C2H6，C3H8的溫度均較高，所以采用C2H4，C2H6，C3H8作為10煤的輔助指標氣體。

從圖7可以看出，隨著溫度的升高，C4H10并不是完全呈指數(shù)有規(guī)律的增加；各煤樣出現(xiàn)的C4H10的溫度不同，而且同一煤層相同溫度下的濃度C4H10差別也較大。因此，C4H10不適合作為8煤和10煤的指標氣體。

各煤層出現(xiàn)指標氣體的最低溫度范圍如表3所示。從表3中可以看出，若8煤工作面采空區(qū)內(nèi)出現(xiàn)了C2H4，則說明8煤工作面采空區(qū)內(nèi)溫度已經(jīng)達到了150℃以上；同樣，若10煤工作面采空區(qū)內(nèi)出現(xiàn)了C2H6或C3H8，則說明該工作面采空區(qū)內(nèi)的溫度已達100℃，此時應盡快采取有效的滅火措施。

表3　煤層出現(xiàn)指標氣體的最低溫度范圍表

3 結論

通過對桃園礦8煤和10煤的煤氧化升溫實驗研究，得出以下主要結論：

（1）隨著煤溫的升高，煤的氧化速度加快，煤的氧化速度出現(xiàn)拐點的溫度為100℃～120℃。

（2）通過實驗分析得出8煤以CO、C2H6為主標志氣體，以C2H4、C3H8作為輔助指標氣體；10煤以CO為主標志氣體，以C2H4、C2H6、C3H8作為輔助指標氣體。

（3）在煤炭自熱發(fā)展的過程中，隨著煤溫升高，各個煤層出現(xiàn)氣體的順序是：8煤，CO→C2H6→C3H8→C2H4；10煤，CO→C2H4→C2H6→C3H8。

（4）實驗得出8煤出現(xiàn)C2H6的溫度在35℃～40℃，但出現(xiàn)C2H4的溫度高達150℃，而10煤出現(xiàn)C2H4和C2H6的溫度均在80℃～100℃。

當然，應該正確看待煤低溫氧化實驗與現(xiàn)場實際煤的氧化還存在一定的區(qū)別，畢竟標志氣體是在實驗室條件下優(yōu)選的，由于現(xiàn)場條件的復雜、多變，在標志氣體的使用過程中，應結合現(xiàn)場實際加以補充、修正。

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