王鵬軍 李清林

（山西亞美大寧能源有限公司，山西 晉城 048100）

0 引言

煤體在一定條件下會(huì)發(fā)生自熱氧化，當(dāng)氧化產(chǎn)熱大于煤體表面散熱量時(shí)，熱量積聚使煤體升溫，溫度高于一定值會(huì)導(dǎo)致煤體發(fā)生自燃。據(jù)統(tǒng)計(jì)，我國(guó)礦井火災(zāi)次數(shù)的85%～90%是由煤炭自燃引起的，其中采空區(qū)煤自燃火災(zāi)占比高達(dá)60%以上[1]。煤自燃過(guò)程會(huì)產(chǎn)生許多有害氣體，不僅會(huì)造成井下環(huán)境污染，還會(huì)對(duì)井下人員和生產(chǎn)過(guò)程的安全帶來(lái)影響。因此，有必要研究煤體自熱氧化氣體生成量與煤溫的耦合變化規(guī)律。

從現(xiàn)有的文獻(xiàn)來(lái)看，李林，陸偉等人[2-3]對(duì)煤自燃過(guò)程中活化能與溫度之間的規(guī)律變化進(jìn)行了相關(guān)研究。戴廣龍，王德明，王寶俊等人[4-6]研究了煤在不同氧化氧化階段下產(chǎn)生的CO、C2H4氣體與其對(duì)應(yīng)的自由基濃度隨溫度的變化規(guī)律。

為了分析采空區(qū)遺煤在自然過(guò)程中釋放有害氣體的成分、濃度與煤溫的耦合變化規(guī)律，在大寧煤礦205工作面選取1200kg煤樣進(jìn)行絕熱氧化試驗(yàn)。對(duì)氧化過(guò)程產(chǎn)生的氣體成分進(jìn)行測(cè)定，建立有害氣體生成量與煤溫的定量關(guān)系函數(shù)，為采空區(qū)防火提供理論依據(jù)。

1 工作面概況

大寧煤礦為突出礦井，主采3#煤層，煤層不易自燃，煤塵無(wú)爆炸性。205綜采工作面東部為回采結(jié)束的204工作面，西部為規(guī)劃的206工作面，北部為二采區(qū)輔助巷，南部為本礦南部邊界及宋王莊村的北部。工作面地面標(biāo)高+742.7m～+900.6m，工作面煤層底板標(biāo)高+497.2m～+544.0m，埋深245.5m～356.6m，與地形趨勢(shì)相似。該工作面走向長(zhǎng)1586.6m，傾斜長(zhǎng)度254.5m煤層傾角10°～120°，煤層厚度2.90m～6.05m，平均厚度4.48m。煤層為3#煤層，黑色，塊狀，中至寬條帶結(jié)構(gòu)。亮煤為主為光亮型煤，階梯狀或貝殼狀斷口。夾2層～4層泥巖或含炭泥巖夾矸，夾矸總厚度0.05m～1.2m，平均厚度約0.30m，以中下部夾矸較穩(wěn)定。本煤層為低灰、特低硫、高熱值無(wú)煙煤，優(yōu)質(zhì)動(dòng)力煤及一級(jí)合成氨用煤。

2 試驗(yàn)方案

2.1 試驗(yàn)裝置

絕熱氧化試驗(yàn)裝置外形為1.6m高的圓柱爐體，爐體外徑為1.2m，爐體內(nèi)徑為1.0m，內(nèi)外徑之間設(shè)有水保溫層0.1m，位于爐體上部安裝0.2m高的傘形蓋，底部進(jìn)氣通道0.2m。氧氣由輸氣通道進(jìn)過(guò)供養(yǎng)孔送至爐體內(nèi)部，生成氣體由頂部采氣口收集，水保溫層溫度由PLC智能控制器維持恒定。通過(guò)高精度GC-001氣相色譜儀分析氧化產(chǎn)生的CO、O2、CH4、C2H4等多種氣體的成分和濃度變化情況。絕熱氧化試驗(yàn)裝置具體結(jié)構(gòu)如圖1所示。

2.2 測(cè)點(diǎn)布置

在煤體自熱氧化過(guò)程中，采用熱電偶測(cè)量煤體的溫度變化，熱電偶型號(hào)為SBW-Pt100，量程為0℃～500℃，精度為0.5級(jí)，電流為4mA～20mA，直流電壓為24V。圖1中①～⑩熱電偶在爐體內(nèi)按等面積布置，各熱電偶測(cè)點(diǎn)距裝煤底的高度見(jiàn)表1。

表1 爐體內(nèi)熱電偶位置表

3 試驗(yàn)測(cè)試結(jié)果

通過(guò)對(duì)205工作面煤樣進(jìn)行絕熱氧化試驗(yàn)，對(duì)煤體溫度變化、生成的氣體產(chǎn)物及其濃度變化原始數(shù)據(jù)進(jìn)行記錄，記錄數(shù)據(jù)見(jiàn)表2。

表2 煤樣絕熱氧化過(guò)程中氣體產(chǎn)物及其濃度變化數(shù)據(jù)

4 自熱氧化氣體生成量與煤溫的關(guān)系

4.1 O2、CO和CO2濃度與煤溫的關(guān)系

對(duì)205工作面煤樣在絕熱氧化試驗(yàn)過(guò)程中O2消耗以及CO、CO2氣體產(chǎn)物及其濃度變化進(jìn)行了監(jiān)測(cè)分析，同時(shí)得到O2、CO和CO2隨溫度變化規(guī)律，如圖2～圖4所示。

根據(jù)圖2～圖4擬合得出O2、CO、CO2濃度與煤溫的定量關(guān)系函數(shù)，如公式（1）～公式（3）所示。

式中：y為不同氣體的濃度，x為煤體的溫度。

根據(jù)O2消耗率和CO、CO2生成率的變化程度將煤樣的絕熱氧化過(guò)程分為兩個(gè)階段。第一階段，即煤體溫度為25.5℃～103.6℃時(shí)，O2濃度與溫度的變化呈線性關(guān)系，O2消耗速率較小，O2濃度呈現(xiàn)緩慢下降趨勢(shì)；CO、CO2的生成速率與煤體溫度呈二次函數(shù)增加關(guān)系，但生成速率較小，增加較為緩慢，同時(shí)煤體溫度的增加也較為緩慢，說(shuō)明該階段煤體自熱氧化較溫和。第二階段，即煤體溫度高于103.6℃時(shí)，O2消耗速率明顯提高，O2濃度隨著煤體溫度的升高急劇下降，煤樣處于加速氧化階段；CO、CO2的生成速率加劇，同時(shí)表現(xiàn)為煤樣升溫速率加快。

同時(shí)根據(jù)表2和圖3可知：煤樣在氧化試驗(yàn)的開(kāi)始階段25.5℃（8#傳感器的檢測(cè)值）就檢測(cè)到CO氣體，其濃度為13.27mg/m3，氧化試驗(yàn)的全過(guò)程都存在CO氣體的生成。根據(jù)煤自燃標(biāo)志性氣體優(yōu)選原則，煤絕熱氧化試驗(yàn)過(guò)程中監(jiān)測(cè)的CO2一般不作為標(biāo)志氣體。雖然CO生成量在煤氧化過(guò)程分為明顯2個(gè)階段，但是CO氣體出現(xiàn)貫穿整個(gè)試驗(yàn)過(guò)程，且受采空區(qū)遺煤、漏風(fēng)量等因素的影響，其濃度存在一定的波動(dòng)性。因此，CO只可作為煤自熱氧化規(guī)律的輔助標(biāo)志氣體。

4.2 烷烴、烯烴濃度與煤溫的關(guān)系

對(duì)205工作面煤樣在絕熱氧化試驗(yàn)過(guò)程中CH4、C2H6、C3H8和C2H4氣體產(chǎn)物及其濃度變化進(jìn)行了監(jiān)測(cè)分析，同時(shí)得到CH4、C2H6、C3H8和C2H4隨溫度變化規(guī)律，如圖5～圖8所示。

根據(jù)圖5～圖8擬合得出CH4、C2H6、C3H8和C2H4濃度與煤溫的定量關(guān)系函數(shù)，如公式（4）～公式（7）所示。

式中：y為不同氣體的濃度，x為煤體的溫度。

從圖5～圖8可知，烷烴類(lèi)氣體出現(xiàn)的初始溫度及其隨溫度的變化規(guī)律，當(dāng)煤體溫度超過(guò)103.6℃時(shí)，煤絕熱氧化過(guò)程中產(chǎn)生的氣體組分中開(kāi)始明顯檢測(cè)出C2H4、C2H6、C3H8，且隨煤體溫度上升其濃度也在不斷增加。在整個(gè)氧化過(guò)程中均沒(méi)有檢測(cè)到C2H2的生成，說(shuō)明其產(chǎn)生的溫度大于試驗(yàn)溫度范圍。在煤溫升高過(guò)程中出現(xiàn)了C2H4，這時(shí)煤的自熱氧化就進(jìn)入了加速氧化階段，可以說(shuō)當(dāng)205工作面檢測(cè)到C2H4氣體時(shí)，說(shuō)明井下存在103.6℃以上的高溫點(diǎn)。根據(jù)煤標(biāo)志性氣體優(yōu)選原則可知：C2H6、CH4存在為煤的原生氣體的可能性，不宜作為標(biāo)志氣體；而C3H8氣體因煤質(zhì)的不同，也不適合作為標(biāo)志氣體。因此，選取，當(dāng)205工作面檢測(cè)到C2H4氣體時(shí)，說(shuō)明煤礦井下存在103.6℃以上的高溫點(diǎn)，可以確定該煤體加速氧化臨界溫度為103.6℃。

現(xiàn)場(chǎng)在205采空區(qū)與回風(fēng)聯(lián)絡(luò)巷的密閉墻上預(yù)留觀測(cè)孔，利用抽氣泵抽取已經(jīng)埋入密閉墻內(nèi)部采空區(qū)探頭內(nèi)的氣體并儲(chǔ)存在氣樣袋，帶到地面色譜檢測(cè)室分析氣體組分，得到205采空區(qū)內(nèi)O2濃度和CO濃度的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，采用氧體積分?jǐn)?shù)（C）劃分煤炭氧化自然“三帶”的指標(biāo)參數(shù)：C（O2）≥18%為散熱帶，8%≤C（O2）＜18%為自燃帶，C（O2）＜8%為窒息帶。根據(jù)氧體積分?jǐn)?shù)法及CO體積分?jǐn)?shù)變化，采用min-max優(yōu)化理論，散熱帶取二者中的最小值，自燃帶取二者中的最大值。得出307采空區(qū)散熱帶為0m～34m，自燃帶為34m～130m，窒息帶為＞130m。“三帶”的劃分對(duì)防止遺煤自然具有舉足輕重的作用。

5 結(jié)論

通過(guò)對(duì)大寧煤礦205工作面采空區(qū)遺煤的絕熱氧化試驗(yàn)，測(cè)得了不同氧化溫度時(shí)煤體釋放有害氣體的成分和濃度，建立了有害氣體生成量與煤溫的定量關(guān)系函數(shù)。綜合分析并確定了以C2H4作為煤層自燃預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)標(biāo)志性氣體，煤體的加速氧化臨界溫度為103.6℃，為采空區(qū)有害氣體治理和防止自然發(fā)火提供理論依據(jù)。