吳 超，鄧榮斌

(1.運(yùn)城職業(yè)技術(shù)大學(xué), 山西 運(yùn)城044000； 2. 重慶山河生態(tài)環(huán)境工程有限公司， 重慶 400060)

0 引 言

煤自燃引起的礦井火災(zāi)威脅著煤炭資源的安全開(kāi)采[1]。目前，中國(guó)60%的礦井存在自燃危險(xiǎn)性，90%以上的礦井火災(zāi)是由煤炭自燃引起的[2]。采空區(qū)作為井下煤炭自燃的主要發(fā)生地點(diǎn)，受漏風(fēng)及瓦斯抽采的影響，其真實(shí)環(huán)境處于動(dòng)態(tài)演變過(guò)程[3]。采空區(qū)氧氣 “三帶”分布不對(duì)稱(chēng)，它在進(jìn)氣側(cè)移動(dòng)較深，但在回風(fēng)側(cè)更靠近工作面，在采空區(qū)中部較寬，這給防滅火技術(shù)的應(yīng)用帶來(lái)了很大困難[4-8]。

1 實(shí) 驗(yàn)

1.1 實(shí)驗(yàn)樣品

文中選取中國(guó)云南昭通的褐煤，變質(zhì)程度低，容易自燃，原始煤樣工業(yè)分析結(jié)果見(jiàn)表1。實(shí)驗(yàn)取原始煤樣新鮮的中間部分，將其粉碎至0.075 mm以下，并將所得煤樣放置在真空干燥箱中干燥2 h，在氮?dú)獗Ｗo(hù)下儲(chǔ)存?zhèn)溆?。磨煤機(jī)的粉碎過(guò)程會(huì)產(chǎn)生機(jī)械熱，使煤中官能團(tuán)發(fā)生變化，由于該研究實(shí)驗(yàn)煤樣均在同一環(huán)境中獲得，因此，制樣過(guò)程對(duì)煤中官能團(tuán)測(cè)定結(jié)果的影響在實(shí)驗(yàn)誤差范圍內(nèi)。

表1 煤樣的工業(yè)分析

1.2 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)

實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)如圖1所示。實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)主要包括供氣系統(tǒng)、程序升溫系統(tǒng)、氣相色譜分析系統(tǒng)及FTIR分析系統(tǒng)。供氣系統(tǒng)由穩(wěn)壓鋼瓶(O2、N2)、減壓閥、穩(wěn)壓閥及質(zhì)量流量控制器組成，以保證不同體積分?jǐn)?shù)的氣體穩(wěn)定持續(xù)輸出；程序升溫系統(tǒng)采用ZRJ-2000型煤自燃傾向測(cè)定儀，以保證煤樣以恒定速度升溫；GC4000A型氣相色譜儀，可直接輸送煤體低溫氧化氣體產(chǎn)物，分析氣相組分；FTIR分析系統(tǒng)由計(jì)算機(jī)和Tensor27型傅里葉紅外光譜儀組成。

圖1 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)Fig. 1 Experimental system

1.3 實(shí)驗(yàn)過(guò)程

利用供氣系統(tǒng)動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)供氣氧氣體積分?jǐn)?shù)(3%、5%、7%、9%、12%、15%、18%、21%)，每次稱(chēng)取密封煤樣20 g，進(jìn)行程序升溫實(shí)驗(yàn)，升溫速率設(shè)為0.4 ℃/min，在30 mL/min的混合氣流下，實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)升溫梯度為50 ℃，將煤樣由30 ℃分別氧化升溫至80、130、180、230 ℃，連接氣相色譜分析系統(tǒng)實(shí)時(shí)分析氧化升溫(30～230 ℃)過(guò)程中CO生成規(guī)律；取到達(dá)設(shè)定溫度的煤樣進(jìn)行官能團(tuán)的測(cè)定。紅外測(cè)試參數(shù): KBr與煤樣的比為180∶1, 壓片機(jī)壓力為20 MPa，受壓時(shí)間為10 min，壓片尺寸厚為0.1 mm，直徑為0.9 mm，掃描次數(shù)32次，掃描時(shí)間為60 s，波長(zhǎng)范圍400～4 000 cm-1。

2 結(jié)果與討論

2.1 官能團(tuán)的變化

21%氧氣體積分?jǐn)?shù)下煤氧化升溫過(guò)程中的傅里葉變換紅外光譜如圖2所示。

圖2 煤的FTIR譜Fig. 2 FTIR spectra of coal

由圖2可見(jiàn)，氧化溫度的不同，紅外光譜圖中表現(xiàn)出峰的高低和峰面積值不同，說(shuō)明官能團(tuán)數(shù)量存在差異，但峰形相似，表明煤中含有的官能團(tuán)種類(lèi)相同。紅外譜圖數(shù)據(jù)處理前先進(jìn)行基線(xiàn)校正后平滑，利用PeakFitv4.12軟件對(duì)譜圖進(jìn)行分峰擬合，分理出相互干擾的譜峰，將擬合分峰結(jié)果與煤的紅外光譜譜峰特征表比對(duì)，可定位脂肪烴和含氧官能團(tuán)的峰位[21]。文中選用峰面積占比來(lái)定量分析各官能團(tuán)的變化趨勢(shì)， 通過(guò)分峰擬合得到主要官能團(tuán)峰面積， 將峰面積之和作為總的峰面積， 則某一官能團(tuán)峰面積與總的峰面積的比值就表示了該種官能團(tuán)在煤樣中的占比[19]。

2.1.1 脂肪烴官能團(tuán)的變化

圖3 氧化升溫過(guò)程CH2、CH3占比的變化 Fig. 3 Changes of CH2、CH3 content with oxidation temperature

2.1.2 羥基的變化

圖4 氧化升溫過(guò)程O(píng)H占比的變化 Fig. 4 Changes of OH content with oxidation temperature

2.1.3 羰基的變化

圖5 氧化升溫過(guò)程中CO占比的變化 Fig. 5 Changes of CO content with oxidation temperature

2.1.4 羧基的變化

圖6 氧化升溫過(guò)程COOH占比的變化Fig. 6 Changes of COOH content with oxidation temperature

2.2 CO產(chǎn)氣量變化

CO作為煤體低溫氧化全過(guò)程伴隨物，一直作為煤自燃預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)的指標(biāo)氣體；在氧化升溫過(guò)程中，煤分子受氧化、熱解等作用，共價(jià)鍵及橋鍵斷裂生成新的活性基團(tuán)，含C活性基團(tuán)的氧化產(chǎn)生CO。利用氣相色譜儀對(duì)不同氧氣體積分?jǐn)?shù)下煤體氧化升溫過(guò)程中(30～230 ℃)產(chǎn)氣組分進(jìn)行分析，CO體積分?jǐn)?shù)變化如圖7所示。

圖7 氧化升溫過(guò)程CO的產(chǎn)生規(guī)律 Fig. 7 Law of CO production under different oxidation conditions

3 結(jié) 論