邊小峰

(山西西山晉興能源有限責(zé)任公司 斜溝煤礦，山西 呂梁 033602)

由于近些年來我國采煤技術(shù)的飛速發(fā)展，特厚煤層放頂煤開采及瓦斯抽采技術(shù)取得空前進步，工作面開采后采空區(qū)遺煤較多，自燃問題越發(fā)明顯[1-2]。根據(jù)最近的統(tǒng)計結(jié)果，我國開采的煤層90%以上屬于自燃煤層或者易自燃煤層，因自燃引發(fā)的礦井火災(zāi)達到總數(shù)的85%以上[3]。在25個主要產(chǎn)煤大省里，有130個以上礦區(qū)因煤層自燃問題而受到不同程度的影響，寧夏寧東礦區(qū)、陜北神東礦區(qū)等地方每年都發(fā)生因為自燃引發(fā)CO濃度超限的問題，每年給礦井造成的直接經(jīng)濟損失超過50億元，甚至?xí)l(fā)生人員傷亡事故。

伴隨科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，注惰氣滅火(二氧化碳和氮氣)逐步應(yīng)用于各大礦井。采空區(qū)注入惰性氣體后，可營造惰性氣體環(huán)境，抑制遺煤自燃，目前在制氣技術(shù)還有操作復(fù)雜、制氣價格高等一系列難題[4-5]。

電廠煙氣為生產(chǎn)過程中產(chǎn)生的工業(yè)廢氣，因煙氣是煤炭燃燒之后的產(chǎn)物，氧氣濃度偏低，同時存在大量的二氧化碳和氮氣等惰性氣體，如果沿著井筒布設(shè)管路將煙氣注入工作面采空區(qū)，就能有效防治遺煤自燃，與傳統(tǒng)的人工制造惰性氣體(二氧化碳、氮氣)相比，注氣成本低，能減少資金投入。賈寶山等[6-7]通過數(shù)值模擬手段研究向采空區(qū)，則注入煙道氣治理煤炭自燃，模擬結(jié)果證明：通過設(shè)置最佳的注氣參數(shù)，可實現(xiàn)煙道氣快速覆蓋采空區(qū)“氧化升溫帶”，煙道氣用于采空區(qū)防滅火是可行的。另外，電廠煙氣中存在好多大氣污染物，像二氧化碳、二氧化硫、氮氧化物等[8-10]，若將煙氣注到采空區(qū)，則能夠封存這些大氣污染物。

煤發(fā)生自燃過程為由低溫狀態(tài)物理吸收氧氣起步，多數(shù)人贊同惰性氣體(二氧化碳、氮氣)注入采空區(qū)，惰性氣體氣體包裹在遺煤附近，可以營造良好的惰性環(huán)境，降低遺煤附近的氧含量，抑制煤吸收氧氣自燃[11-12]。傳統(tǒng)的吸附試驗要求在液氮溫度條件下實測煤吸收各類氣體的量，壓力值可達到幾兆帕[13-14]。但實際生產(chǎn)中工作面采空區(qū)為常溫常壓環(huán)境，所以在常溫常壓環(huán)境下，筆者通過自主設(shè)計煤大樣量吸附裝置測試煤吸收煙氣中各類氣體的量，同時分析采空區(qū)注入煙氣的可行性和安全性，為采空區(qū)防滅火提供新方向。

1 試驗研究

1.1 井下采集煤樣

在斜溝煤礦23105綜放工作面采集新鮮暴露煤樣作為此次試驗研究的煤樣，斜溝煤礦23105綜放工作面開采13號煤，煤層平均厚度為13.88 m，煤層平均傾角為9°，煤種為氣煤、1/3焦煤，屬于中灰、特低硫、低磷煤，主要用途為良好的配焦、動力及民用煤。試驗過程中需要煤樣質(zhì)量5 kg，煤樣的工業(yè)分析見表1。

表1 煤的工業(yè)分析

煤樣具體制作步驟：

1) 先使用小型粉碎機，把煤樣品制作為50～80目。

2) 其次在真空干燥箱中裝入煤樣處理。

1.2 試驗過程

1) 試驗裝置。試驗具體過程：在密封吸附缸內(nèi)裝入經(jīng)過干燥處理后的煤粉，將裝置密封處理后，對吸附缸使用真空泵開始脫氣；完成脫氣后，向吸附缸內(nèi)注入氣體，保持缸內(nèi)壓力處于0.1 MPa左右，通過氣相色譜儀測量各氣體濃度；吸附作用進行一段時間后，接著再通過氣相色譜儀測量各氣體的濃度，根據(jù)理想氣體狀態(tài)方程核算得到煤樣吸附各氣體量，具體試驗裝置如圖1所示。

圖1 試驗裝置

2) 試驗結(jié)果。本次試驗以西山煤電斜溝煤礦坑口電廠的煙氣組成為基礎(chǔ)，通過實測得到電廠煙氣成分為氮氣占比79%、二氧化碳占比16.4%、氧氣占比4.5%、二氧化硫占比0.004 6%、二氧化氮占比0.019%、微量一氧化碳及粉塵。試驗過程中選用氬氣作為平衡氣體，采用氣體代替模擬電廠煙氣中含有的幾種氣體含量。煤樣在吸附電廠煙氣前后每種氣體壓力和濃度數(shù)據(jù)見表2。

表2 煤的吸附試驗數(shù)據(jù)

2 試驗結(jié)果

2.1 原子力顯微鏡簡介

AFM(Atomic Force Microscope)即原子力顯微鏡，是由G.Binning在STM的基礎(chǔ)上于1986年發(fā)明的表面觀測儀器。它是繼掃描隧道顯微鏡(Scanning Tunneling Microscope)之后發(fā)明的一種具有原子級高分辨的新型儀器，能夠在大氣和液體環(huán)境下探測各種材料和樣品的納米區(qū)域物理性質(zhì)(包括形貌)，或直接進行納米操縱；現(xiàn)已廣泛應(yīng)用于半導(dǎo)體、納米功能材料、生物、化工、食品、醫(yī)藥研究和科研院所各種納米相關(guān)學(xué)科的研究試驗等領(lǐng)域中，成為納米科學(xué)研究的基本工具。

工作原理：當(dāng)原子間距離減小到一定程度以后，原子間的作用力將迅速上升。因此，由顯微探針受力的大小就可以直接換算出樣品表面的高度，從而獲得樣品表面形貌的信息。原子力顯微鏡(接觸式、非接觸式和輕敲式)的工作原理如圖2所示。

圖2 原子力顯微鏡的工作原理

2.2 觀測結(jié)果

煤屬于多孔隙物質(zhì)，為了研究煤的微觀結(jié)構(gòu)需要借助原子力顯微鏡觀測，在原子力顯微鏡觀測下煤的表面微觀結(jié)構(gòu)如圖3所示。由圖3發(fā)現(xiàn)：表面看似光滑平整的煤，其實表明凸凹不平，圖中比較明亮的區(qū)域代表凸起，比較暗淡的區(qū)域代表為下凹，另外還發(fā)現(xiàn)煤層表面具有體積不等的裂隙和孔隙，證明煤屬于多孔介質(zhì)，所以煤才具備吸附各類氣體的性質(zhì)，例如吸附氮氣、二氧化碳等氣體。

圖3 AFM作用下煤的表面形貌結(jié)構(gòu)的三維圖像

煤自燃時，首先煤要進行低溫物理吸附氧氣，由于這過程是在范德華力作用下，煤吸附氧氣量非常小，但伴隨吸附反應(yīng)不斷進行，不斷釋放出越來越多的能量，煤中官能團與氧氣分子進行緩慢的化學(xué)反應(yīng)，這時吸附過程由物理吸附逐步轉(zhuǎn)化為化學(xué)吸附，顯著增大了吸附量，依據(jù)試驗數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)：煤中官能團與氧氣分子的化學(xué)吸附一直持續(xù)到228 h。

2.3 吸附量計算

結(jié)合煤在吸附前后的壓力差值和各種氣體在吸附前后的濃度差值，依據(jù)理想氣體狀態(tài)方程，推到出吸附量的公式見式(1)。

(1)

依據(jù)以上公式計算得到煤吸附電廠煙氣的飽和量，具體如圖4所示。從圖4得到：不算煙氣中的氧氣，煤吸附其他四種氣體12 h后形成平衡狀態(tài)，其中煤吸附氧氣的過程逐步從物理吸附變成化學(xué)吸附，在228 h之后1 g煤能夠吸附氧氣量4.79 cm3；但在物理吸附過程中，煤吸附二氧化碳的量最高，1 g煤能吸附二氧化碳量達到1.2 cm3；其次是氮氣、二氧化硫和二氧化氮，1 g煤能吸附氮氣量達到0.26 cm3，1 g煤能吸附二氧化硫量達到0.64×10-3mL，1 g煤能吸附二氧化氮量達到2.6×10-3mL，試驗得到煤幾乎可全部吸收煙氣中二氧化硫和二氧化氮氣體。依據(jù)試驗結(jié)果可發(fā)現(xiàn)，在惰性氣體環(huán)境下，煤吸附二氧化碳的量明顯超過氮氣，所以相比氮氣防滅火，二氧化碳氣體防滅火效果更佳。

圖4 煤吸附煙氣中各氣體的量

電廠煙氣主要成分為氮氣和二氧化碳等惰性氣體，所以向采空區(qū)注入煙氣，氮氣和二氧化碳可共同抑制煤吸附氧氣，營造惰性氣體環(huán)境，阻止遺煤自燃，另外也可降低惰性氣體的制造成本；煤幾乎可全部吸收電廠煙氣中的二氧化硫和二氧化氮，明顯降低溫室氣體的排放量，減弱電廠煙氣對大氣的污染程度。

3 可行性研究

結(jié)合生產(chǎn)實際數(shù)據(jù)報表等資料得到：斜溝煤礦坑口電廠所產(chǎn)生的煙氣流量約為1.935×106Nm3/h，但礦井防滅火預(yù)計所需要的的煙氣流量約為15 000 Nm3/h，只占整個電廠所排出的煙氣的0.78%.通過采取脫硫工藝處理之后，電廠所排出的煙氣中氧氣濃度可達到4.5%以下，其中氧氣傳感器所監(jiān)測的最高濃度為6.5%，所以氧氣濃度的平均值為4.1%。氧氣濃度小于7%，營造了一種惰性氣體環(huán)境，有利于阻止遺煤自燃。

現(xiàn)場測定煙氣中二氧化碳濃度約為16.4%，根據(jù)“四算一校核”，核算得出采煤工作面應(yīng)配風(fēng)量為2 000 m3/min左右，向工作面采空區(qū)注入煙氣流量預(yù)計為4 500 m3/h左右，假想煤體、巖石沒有與注入采空區(qū)的煙氣發(fā)生吸附反應(yīng)，基本都進入采煤工作面回風(fēng)巷，那么工作面回風(fēng)流中二氧化碳最大濃度可達0.62%.根據(jù)《煤礦安全規(guī)程》(2016版)第一百七十二條：采區(qū)回風(fēng)巷、采掘工作面回風(fēng)巷風(fēng)流中甲烷濃度超過1.0%或者二氧化碳濃度超過1.5%時，必須停止工作，撤出人員，采取措施，進行處理。發(fā)現(xiàn)向采空區(qū)注入煙氣后，工作面回風(fēng)巷二氧化碳濃度沒有超限報警。

現(xiàn)場測定煙氣中二氧化硫氣體濃度約為0.004 6%，根據(jù)“四算一校核”，核算得出采煤工作面應(yīng)配風(fēng)量為2 000 m3/min左右，向工作面采空區(qū)注入煙氣流量預(yù)計為4 500 m3/h左右，假想煤體、巖石沒有與注入采空區(qū)的煙氣發(fā)生吸附反應(yīng)，基本都進入采煤工作面回風(fēng)巷，那么工作面回風(fēng)流中二氧化硫最大濃度可達0.000 192%，根據(jù)《煤礦安全規(guī)程》(2016版)第一百三十五條：二氧化硫有害氣體的濃度不超過0.000 5%，發(fā)現(xiàn)向采空區(qū)注入煙氣后，工作面回風(fēng)巷二氧化硫濃度沒有超限報警。

現(xiàn)場測定煙氣中一氧化碳氣體濃度為0.015%.根據(jù)“四算一校核”，核算得出采煤工作面應(yīng)配風(fēng)量為2 000 m3/min左右，向工作面采空區(qū)注入煙氣流量預(yù)計為4 500 m3/h左右，假想煤體、巖石沒有與注入采空區(qū)的煙氣發(fā)生吸附反應(yīng)，基本都進入采煤工作面回風(fēng)巷，那么工作面回風(fēng)流中一氧化碳最大濃度可達0.000 56%，根據(jù)《煤礦安全規(guī)程》(2016版)第一百三十五條：一氧化碳有害氣體的濃度不超過0.002 4%.發(fā)現(xiàn)向采空區(qū)注入煙氣后，工作面回風(fēng)巷一氧化碳濃度沒有超限報警。

假想煤體、巖石沒有與注入采空區(qū)的煙氣發(fā)生吸附反應(yīng)，基本都進入采煤工作面回風(fēng)巷，根據(jù)《煤礦安全規(guī)程》(2016版)第一百三十五條：氧化氮(換算成二氧化氮)有害氣體的濃度不超過0.000 25%，向采空區(qū)注入的煙氣中氧化氮氣體含量上限值為208.4 mg/Nm3。因煙氣中的氧化氮氣體濃度為0.019%，明顯不滿足規(guī)程要求，為保證電廠煙氣可安全注入工作面采空區(qū)，需要通過煙氣處理設(shè)施，對電廠煙氣重點開展脫硝處理。

通過以上計算分析得到：除去氧化氮氣體，把電廠煙氣以規(guī)定流量向工作面采空區(qū)注入，工作面回風(fēng)巷有毒有害氣體濃度不會發(fā)生超限報警。另外，向井下輸送煙氣時，由于井下粉塵濃度高、空氣濕度大將會嚴重影響輸氣管路的安全性，所以在輸送煙氣時需要采取防塵與除濕技術(shù)。

4 結(jié) 語

1) 向工作面采空區(qū)注入電廠煙氣后，1 t煤能吸收煙氣中二氧化碳量、氮氣量、二氧化硫量、二氧化氮量分別為1.2 m3、0.26 m3、0.64 L、2.6×10-3L，其中煤幾乎全部吸收了煙氣中的二氧化硫和二氧化氮；注氣后，不但可營造惰性氣體環(huán)境，抑制煤吸收氧氣，而且可降低惰性氣體的制造成本，明顯降低溫室氣體的排放量，減弱電廠煙氣對大氣的污染程度。

2) 依據(jù)工作面應(yīng)配風(fēng)量與注入采空區(qū)的煙氣流量核算工作面回風(fēng)巷有毒有害氣體濃度發(fā)現(xiàn)：假想煙氣注入后未與煤、巖發(fā)生吸附反應(yīng)，控制注入煙氣流量，注氣后工作面回風(fēng)巷一氧化碳、二氧化碳和二氧化硫氣體沒有超限，但二氧化氮氣體濃度超限，所以需通過脫硝裝置處理煙氣后方可注入井下。