趙志研

（1.中煤科工集團(tuán)沈陽研究院有限公司 瓦斯研究分院，遼寧 撫順 113122；2.煤礦安全技術(shù)國家重點(diǎn)試驗(yàn)室，遼寧 撫順 113122）

1 工程概況

陽泉五礦主要可采煤層8#和15#煤層，現(xiàn)單一開采15#煤層。15#煤層賦存較平穩(wěn)，均厚6.5 m。煤層結(jié)構(gòu)簡單，一般夾1～7 層矸石。15#煤層的地質(zhì)構(gòu)造較為復(fù)雜，陷落柱較多，直接頂巖層和煤層中均分布有大量的黃鐵礦，且含硫量較高，導(dǎo)致其氧化燃燒的溫度相對(duì)較低，易于氧化并放熱。煤自然發(fā)火期短，最短僅10 d，煤氧化自燃現(xiàn)象嚴(yán)重。

煤自然發(fā)火過程是煤體內(nèi)在因素和外在因素共同作用的結(jié)果，是一個(gè)極為復(fù)雜的物理和化學(xué)作用復(fù)合的動(dòng)態(tài)發(fā)展過程[1-2]。為確定15#煤層自然發(fā)火指標(biāo)氣體進(jìn)而實(shí)現(xiàn)煤自然發(fā)火的動(dòng)態(tài)監(jiān)控，進(jìn)一步為防治煤自燃提供技術(shù)支撐，本文通過測(cè)試程序升溫過程中煤樣產(chǎn)出氣體情況，研究陽泉五礦15#煤層自燃過程中一氧化碳濃度變化規(guī)律。

2 試驗(yàn)原理與過程

2.1 程序升溫試驗(yàn)原理

程序升溫分析技術(shù)（TPAT）是一種研究固體自燃過程的重要方法，其中程序升溫氧化法（TPO）是一種測(cè)定固體樣品氧化特性的試驗(yàn)手段。煤炭的程序升溫氧化試驗(yàn)通過模擬煤體氧化自燃的升溫過程，根據(jù)煤樣產(chǎn)生一氧化碳和生成其他氣體的體積來研究其氧化自燃特性。

與傳統(tǒng)的大型煤氧化自燃模擬試驗(yàn)相比，程序升溫氧化試驗(yàn)具有用時(shí)短、耗煤少等特點(diǎn)。大型煤樣氧化自燃模擬試驗(yàn)通過高度還原煤在實(shí)際生產(chǎn)中的自然環(huán)境，來觀察煤的氧化自燃特性。但是，這種試驗(yàn)方法耗時(shí)長、煤樣需求量大、成本高，并不被廣泛采用。與其相比，程序升溫法可大大縮短試驗(yàn)周期，可把一個(gè)煤樣的發(fā)火周期降低到幾個(gè)小時(shí)以內(nèi)，同時(shí)耗煤量也大量降低，一個(gè)試驗(yàn)煤樣約在10～100 g 即可（本次試驗(yàn)取每個(gè)試驗(yàn)煤樣為50 g），在節(jié)約時(shí)間的同時(shí)，也降低了試驗(yàn)成本。

2.2 試驗(yàn)裝置

試驗(yàn)裝置如圖1。該試驗(yàn)裝置可分析測(cè)試結(jié)果并生成色譜圖，能夠得出氧化反應(yīng)生成氣體中一氧化碳的濃度。

圖1 試驗(yàn)裝置示意圖

2.3 試驗(yàn)流程

粒徑小、破碎程度高的煤巖體比表面積大，在氧化升溫過程中與空氣中氧氣的接觸面積大，更易氧化自燃。針對(duì)這一情況，對(duì)煤樣做了粒徑分選，將其分為0～1 mm、1～3 mm、3～5 mm、5～7.5 mm、7.5～10 mm 和＞10 mm 共6 組，并將1～10 mm 的5組煤樣等質(zhì)量混合后以50 g 為1 組做試驗(yàn)煤樣。

（1）首先取約為50 g 的制備好的煤樣，將其裝入鋼管試管中，并在試管的兩端各留出大約2 cm的空間，在這些空間內(nèi)填入石棉。

（2）檢查試驗(yàn)設(shè)備是否能夠正常運(yùn)行，將設(shè)備連接好，接通電源。

（3）將煤樣試管放入試驗(yàn)裝置，然后向試驗(yàn)煤樣內(nèi)通入空氣，速率為60 mL/min。穩(wěn)定溫度到達(dá)20 ℃后，啟動(dòng)程序至220 ℃停止，升溫速率為1 ℃/min，每升高10 ℃采集并記錄數(shù)據(jù)。

（4）關(guān)閉試驗(yàn)設(shè)備開關(guān)，切斷電源，清潔試驗(yàn)設(shè)備。

3 煤自燃一氧化碳濃度變化規(guī)律

利用程序升溫法針對(duì)原煤樣進(jìn)行試驗(yàn)，通過改變煤體溫度，觀察記錄煤體在溫度升高的過程中，一氧化碳濃度變化趨勢(shì)和生成的其他氣體的濃度變化規(guī)律，研究煤體自身的氧化自燃特性，同時(shí)也為研究阻化劑抑制煤炭自燃的阻化效果提供了對(duì)比參數(shù)[3-5]。

隨著程序升溫試驗(yàn)裝置的控溫箱內(nèi)溫度不斷升高，15#煤層的煤樣溫度也隨之不斷提高，煤樣氧化反應(yīng)速率持續(xù)增大，耗氧量及氧氣消耗速率不斷攀升，試驗(yàn)裝置中隨著氧氣濃度逐漸減少，煤樣不完全氧化反應(yīng)生成的一氧化碳?xì)怏w濃度持續(xù)增大。根據(jù)碳的氧化還原反應(yīng)式，一氧化碳?xì)怏w濃度與耗氧速率成正比，煤樣中某一點(diǎn)的一氧化碳產(chǎn)生速率方程式可被表示為式（1）：

則有式（3）：

根據(jù)陽泉五礦15#煤層煤樣的程序升溫試驗(yàn)數(shù)據(jù)記錄，通過對(duì)試驗(yàn)中生成一氧化碳濃度的記錄，可得到一氧化碳濃度變化規(guī)律，如圖2。

圖2 15#煤層氧化自燃生成一氧化碳濃度變化規(guī)律

隨著裝置內(nèi)溫度的升高，煤樣氧化還原反應(yīng)越來越劇烈，一氧化碳生成的速率越來越快。當(dāng)煤的溫度在90 ℃時(shí)，第一次檢測(cè)到一氧化碳生成，一氧化碳濃度為0.225‰；當(dāng)煤的溫度在120 ℃時(shí)，一氧化碳生成速率明顯加快，一氧化碳濃度顯著增大，一氧化碳隨溫度升高變化曲線進(jìn)一步變陡，斜率不斷變大；當(dāng)濃度在200 ℃時(shí)，一氧化碳的生成速率開始減緩，但減緩程度不大；當(dāng)溫度達(dá)到220℃時(shí)，一氧化碳濃度達(dá)到試驗(yàn)過程中的最大值，為13.2‰。綜上，可以對(duì)15#煤層的自燃特性做出預(yù)測(cè)，其臨界溫度在80～90 ℃，干裂溫度在110～130 ℃。

國際上常用煤自燃相關(guān)氣體的可檢測(cè)性、靈敏性和規(guī)律性分析確定煤自然發(fā)火的指標(biāo)氣體。由于一氧化碳在煤礦生產(chǎn)過程中是必檢氣體，檢測(cè)設(shè)備充足可靠，具備可檢測(cè)性。一氧化碳在空氣中的含量相對(duì)很低，其濃度在實(shí)際生產(chǎn)中與煤礦的通風(fēng)及漏風(fēng)無直接關(guān)系，在程序溫升氧化試驗(yàn)前后濃度變化明顯，具備靈敏性。此外，一氧化碳濃度隨煤的溫度變化規(guī)律性較高，具備規(guī)律性。

綜上分析，一氧化碳可作為15#煤層自然發(fā)火檢測(cè)的主要指標(biāo)氣體。在生產(chǎn)過程中，只要檢測(cè)到一氧化碳存在且濃度在不斷上升，就可以判定該監(jiān)測(cè)點(diǎn)可能存在高溫點(diǎn)或者自然發(fā)火現(xiàn)象。

4 結(jié)論

陽泉五礦15#煤層所取煤樣自燃氧化的臨界溫度在90 ℃，干裂溫度110～130 ℃，當(dāng)溫度升高至220 ℃時(shí)，一氧化碳濃度進(jìn)一步增加到13.2‰；隨著煤溫的升高，一氧化碳濃度持續(xù)升高，呈正相關(guān)性。一氧化碳可作為15#煤層自然發(fā)火檢測(cè)的主要指標(biāo)氣體，為陽泉五礦自然發(fā)火防治提供了技術(shù)支撐。