衛(wèi) 浩

(晉城煤業(yè)集團(tuán) 鳳凰山礦，山西 晉城 048007)

山西煤炭儲量大，全省主要有六大煤田，分別為大同、寧武、西山、沁水、霍西、河?xùn)|[1]。沁水煤田東西寬約70～120 km，南北長約310 km，煤田總面積約為22 000 km2，其中晉城礦區(qū)勘探面積約280 km2[2]。

鳳凰山礦位于晉城礦區(qū)，主采15號煤層，屬無煙煤，但含硫量較高，為自燃煤層。針對煤自燃氧化特性的研究，很多專家學(xué)者開展了大量的實驗分析：徐精彩等[3]采用煤樣程序升溫裝置模擬煤自燃的發(fā)火過程，實驗分析煤樣的煤溫變化、氧氣消耗及氣體變化規(guī)律，確定了臨界溫度、放熱強度和氣體產(chǎn)生率；鄧軍等[4]結(jié)合國內(nèi)外眾多學(xué)者的研究對煤自燃理論進(jìn)行綜述，對煤層自燃的預(yù)測預(yù)報及防治技術(shù)研究進(jìn)行了梳理；文虎等[5]選取了硫含量不同的相同煤種在相同條件下進(jìn)行程序升溫實驗，對煤的低溫氧化參數(shù)進(jìn)行研究，從而加深了解硫?qū)γ鹤匀嫉挠绊?；余明高等[6]以義馬耿村礦綜放面為研究對象，采取措施有效遏制了易自燃特厚煤層綜放面的自然發(fā)火。

本文以鳳凰山礦15號煤層為研究對象，采用程序升溫氧化實驗研究煤自然發(fā)火規(guī)律，以期為煤自燃防治提供依據(jù)。

1 實驗研究

1.1 實驗裝置

煤自燃程序升溫模擬裝置示意如圖1所示，主要由程序控溫箱、氣相色譜儀、煤樣罐、氣體預(yù)熱管路、溫度傳感器、流量控制器等組成。

1.2 實驗步驟

制備煤樣前剝?nèi)ッ簶颖砻嫜趸瘜?，使用碎煤機粉碎，篩分出0.18～0.425 mm的煤樣100 g，放入真空干燥箱，在-0.1 MPa和30℃的環(huán)境中干燥48 h，取出后放入密封袋待用。程序升溫實驗前對實驗煤樣進(jìn)行工業(yè)分析與元素分析(結(jié)果見表1)，實驗時將50 g煤樣置于銅質(zhì)煤樣罐內(nèi)，放入程序升溫箱內(nèi)，連接好氣路并檢查氣密性。當(dāng)煤溫達(dá)到30℃時向煤樣內(nèi)通入80 ml/min的干空氣，將程序升溫速率調(diào)整為1 ℃/min，溫度從30℃加熱上升至220℃，每間隔10℃，用氣相色譜儀分析氣樣的氣體成分和濃度。

圖1 模擬煤氧化裝置示意

表1 煤樣的工業(yè)分析和元素分析 %

煤樣MadAdVdafCHONS煤種15號2.1824.4814.1888.663.310.864.792.38無煙煤

2 實驗結(jié)果與分析

2.1 耗氧量和耗氧速率變化規(guī)律

根據(jù)上述實驗獲得煤樣在30～260 ℃間出口O2體積分?jǐn)?shù)及各溫度的耗氧速率，如圖2所示。假設(shè)：①煤樣在實驗加熱升溫中氧化反應(yīng)前后質(zhì)量變化很小可忽略不計；②煤樣罐內(nèi)空氣軸向流動且流量穩(wěn)定；③罐內(nèi)溫度均勻。根據(jù)以上假設(shè)，則煤的耗氧速率為[7]：

(1)

式中：VO2為煤溫為T時刻耗氧速度，mol/(cm3·s)；C0為進(jìn)口氧氣體積分?jǐn)?shù)，%；C為出口氧氣體積分?jǐn)?shù)，%；Q為干空氣流量，mL/s；S為煤樣罐截面積，cm2；L為煤樣高度，cm。

圖2 煤樣出口氧氣體積分?jǐn)?shù)和耗氧速率

從圖2可以看出，煤樣在氧化升溫過程中，出口氧氣體積分?jǐn)?shù)與耗氧速率隨著煤樣溫度的增大呈現(xiàn)出不同的變化規(guī)律。從初始溫度到60℃左右，二者變化較小，耗氧速率增長緩慢；超過60℃后，出口氧氣體積分?jǐn)?shù)開始較大幅度減小，耗氧速率逐漸加快增加，表明耗氧量增大。

2.2 CO與C2H4氣體的變化規(guī)律

鄧軍等[8]根據(jù)指標(biāo)氣體選取條件，得到CO氣體是檢查煤自燃程度最靈敏的指標(biāo)。由于CO氣體檢測溫度范圍較寬，煤自燃發(fā)生的地方大多位于采空區(qū)，受漏風(fēng)影響嚴(yán)重，對CO氣體的測定有較大誤差，且指標(biāo)預(yù)報范圍過大，不夠精確，所以選取一個輔助指標(biāo)氣體C2H4，CO與C2H4氣體體積分?jǐn)?shù)變化率如圖3所示。

圖3 煤樣CO與C2H4氣體產(chǎn)生量

當(dāng)煤溫上升到某一特定值時，化學(xué)吸附、脫附趨于平衡，產(chǎn)生的CO增多，該溫度為臨界溫度；煤在低溫氧化階段，不會產(chǎn)生C2H4氣體，而當(dāng)煤結(jié)構(gòu)中的側(cè)鏈開始斷裂與氧氣發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，就會產(chǎn)生C2H4，此時的溫度點為干裂溫度[9]。由圖3中可以看出，該煤層的臨界溫度在60～70℃之間，干裂溫度在120～130℃之間。C2H4是煤升溫氧化分解及熱裂解的產(chǎn)物以及煤進(jìn)入加速氧化階段的一個重要標(biāo)志，CO的氣體產(chǎn)生量也在干裂溫度點后加快。

2.3 φ(CO)/φ(CO2)

由上面分析可知：單一氣體CO只能對煤早期自燃發(fā)火進(jìn)行預(yù)測預(yù)報，煤礦井下風(fēng)量等環(huán)境因素對單一氣體量有較大影響，使得預(yù)測不準(zhǔn)確[10]，而φ(CO)/φ(CO2)與煤溫的變化關(guān)系比較明確，有良好的對應(yīng)關(guān)系和變化規(guī)律，能夠反映煤氧化程度。φ(CO)、φ(CO2)分別表示CO和CO2的濃度，在現(xiàn)場實踐中，使用φ(CO)/φ(CO2)可以消除風(fēng)流對氣體濃度的影響，減少誤差[8]。如圖4所示，根據(jù)在各個溫度點的比值擬合曲線呈直線分布，隨著煤溫的升高而增大，得到CO2氣體的產(chǎn)生速率比CO的產(chǎn)生速率小，并且可以依據(jù)φ(CO)/φ(CO2)的比值測算煤樣低溫氧化進(jìn)程，為井下防滅火工作提供指導(dǎo)。

圖4 φ(CO)/φ(CO2)隨溫度變化

3 結(jié) 語

1) 根據(jù)程序升溫實驗分析可知：鳳凰山礦15號煤的臨界溫度在60～70 ℃之間，干裂溫度在120～130 ℃之間，預(yù)測預(yù)報自燃指標(biāo)氣體以CO為主，C2H4氣體為輔。

2)φ(CO)/φ(CO2)的比值與煤溫的對應(yīng)關(guān)系和變化規(guī)律一致。