康延雷，趙亞明，師吉林

(1.國網能源哈密煤電有限公司，新疆維吾爾自治區(qū)哈密市，839000；2.中國煤炭科工集團沈陽研究院有限公司，遼寧省撫順市，113122；3.煤礦安全技術國家重點實驗室，遼寧省撫順市，113122)

目前我國煤炭生產重心加快向資源稟賦好、開采條件好的西部地區(qū)集中[1]，2020年新疆地區(qū)原煤產量占全國產量的7%，為區(qū)域經濟發(fā)展做出了重要貢獻。但新疆地區(qū)低變質煤炭資源蘊藏量大，開采煤層變質程度較低，揭露后極易氧化容易引起工作面開采期間CO異常，給煤礦安全生產帶來隱患[2-3]。為解決正常生產期間CO異常問題，煤礦普遍開展注漿、常規(guī)注氮、封堵漏風通道等防治措施，但治理效果均不理想[4-8]。

中國煤炭科工集團沈陽研究院有限公司孫維麗等研究人員[9]通過選擇氯化亞銅(CuCl)、溴化亞銅(CuBr)、氯化銀(AgCl)和硝酸銀(AgNO3)等4種材料作為CO吸收劑材料，開展了單一吸收劑溶液對CO吸收實驗，得出單一試劑的CO吸收效果排序為：CuCl>AgCl>CuBr>AgNO3。為了增大CuCl的溶解度，提升CO吸收效果[10-11]，筆者擬以CuCl為基礎試劑，通過分別與5種試劑進行混合實驗，優(yōu)選出CO吸收效果好的3種試劑再進行復配實驗，開發(fā)出適用于煤礦井下使用的CO吸收劑，并在國網能源哈密煤電有限公司大南湖一礦(以下簡稱“大南湖一礦”)進行了現場應用，基本可以有效解決煤礦井下正常生產期間CO異常問題。

1 實驗材料及儀器

本實驗選擇5種CO吸收劑，其基本性質見表1。同時，選擇濃度為0.015%的CO作為標準氣體；準備容量為100 mL、500 mL、1 000 mL的燒杯各10個；1個電子天平；5個容量為500 mL的錐形瓶；1個紅外測溫儀；2臺便攜式氣體檢測器；1桶去離子水；1個減壓閥；1個浮子流量計；10個量程為200 mL的注射器。

表1 5種CO吸收劑的基本性質

2 實驗方法

選取CuCl作為CO吸收實驗的基礎試劑，將擬進行實驗的5種試劑分別與CuCl溶液混合進行CO吸收實驗；優(yōu)選出CO吸收性能最優(yōu)的3種試劑后，與CuCl溶液進行復配實驗。根據通入CO標準氣體后各組實驗溶液所在錐形瓶內CO氣體的最低體積分數大小、穩(wěn)定體積分數大小和穩(wěn)定時長等指標，確定出高性能CO抑制劑的組成及最佳配比。

2.1 CuCl溶液與單一試劑混合后吸收CO實驗

(1)將5種試劑分別按照1 g、2 g、5 g、8 g、10 g的質量溶于200 mL去離子水中，各溶液中再分別加入2 g的CuCl。

(2)連接氣瓶與實驗裝置的氣路，向錐形瓶中通入濃度為0.015%的CO標準氣體以排出瓶中空氣，流量控制在300 mL/min，錐形瓶氣體輸出端與便攜式氣體檢測器相連。

(3)待便攜式氣體檢測器讀數穩(wěn)定后，利用注射器將配制好的溶液從帶有橡膠塞的錐形瓶頂部快速注入瓶內，觀察便攜式氣體檢測器讀數隨時間變化情況，并記錄實驗數據。

(4)為了更加地真實反映各種試劑CO的吸收性能，設計1個對照實驗組，僅在200 mL去離子水中加入2 g CuCl，不添加其他任何吸收劑，其他實驗步驟相同。

2.2 CuCl溶液與多種試劑混合吸收CO復配實驗

為了得到CO吸收效果更優(yōu)的吸收劑材料，將優(yōu)選出的3種試劑與CuCl溶液進行復配實驗。復配實驗分4組進行，其中第1組、第2組為實驗組，第3組、第4組為對照組。為了更好地觀察CO的吸收效果，在復配實驗中將CuCl與優(yōu)選出的各試劑按照CuCl溶液與單一試劑混合中最優(yōu)質量配比進行設置。其他實驗步驟參照上述實驗方法。

3 實驗結果

3.1 CuCl溶液與單一試劑混合后吸收CO的實驗

將濃度0.015%的CO標準氣體通入錐形瓶約23 s后可觀察到其濃度穩(wěn)定在0.014 8%，說明瓶內空氣基本排完，之后按照CuCl溶液與單一試劑混合后吸收CO實驗方法進行操作，CuCl溶液與單一試劑混合吸收CO實驗結果見表2。

表2 CuCl溶液與單一試劑吸收CO結果

由表2可以得出以下結論：實驗所選用的5種試劑對CO吸收效果不盡相同，其中NaCl、NH4Cl、尿素、KCl試劑對CO吸收起正作用，CaCl2試劑對CO吸收起負作用；除第2組實驗外，每組實驗中隨著添加物質量的增大，錐形瓶內CO最低體積分數逐漸降低并最終幾乎趨于不變；通過與對照組比較，各組的CO穩(wěn)定體積分數及穩(wěn)定時長差異較大，其中NH4Cl試劑CO吸收性能最佳，NaCl和尿素試劑次之，KCl試劑幾乎無效果，CaCl2試劑對CO吸收起抑制作用；通過比較溶液溫度變化與CO吸收效果的關系，發(fā)現能使溶液溫度降低的試劑對CO吸收起促進作用，能使溶液溫度升高的試劑對CO吸收起反作用，這與有關文獻表述相符。

經過綜合比較可以得出，含有NaCl、NH4Cl和尿素試劑的CuCl溶液對CO吸收效果較好，達到最優(yōu)吸收效果時，上述試劑添加質量分別是CuCl添加質量的約2.5倍、4倍和2.5倍。

3.2 CuCl溶液與多種試劑混合后吸收CO復配實驗

由于含有NH4Cl試劑的CuCl溶液對CO吸收效果遠超過NaCl和尿素試劑，因此選擇NH4Cl試劑和CuCl一起作為基礎材料，將其溶液分別與NaCl、尿素試劑進行復配實驗，優(yōu)選出最佳材料及配比，復配實驗條件為選取去離子水200 mL，CuCl質量10 g，NH4Cl試劑質量40 g，NaCl和尿素試劑分別稱取10 g、20 g、30 g進行實驗。CuCl溶液與混合試劑復配實驗吸收CO效果見表3。

表3 CuCl溶液與混合試劑復配實驗吸收CO效果

由表3可以得出以下結論：在含有NH4Cl試劑的CuCl溶液中分別加入NaCl、尿素試劑后，對CO的吸收效果得到改善，相同條件下尿素試劑對CO吸收的貢獻遠大于NaCl試劑；在不含NH4Cl試劑的CuCl溶液中加入NaCl、尿素試劑后，對CO的吸收大大減弱，這說明NH4Cl試劑是構成CO吸收劑的重要組成部分；對比第2組和第3組實驗，發(fā)現添加尿素試劑后錐形瓶中CO的最低體積分數、穩(wěn)定體積分數和穩(wěn)定時長等指標均有大幅改善，因此將尿素試劑也作為CO吸收劑材料的組成部分，且得到了CO吸收劑各材料的質量最優(yōu)配比，即m(CuCl)∶m(NH4Cl) ∶m(尿素)為1∶4∶2。

4 現場應用

大南湖一礦1307綜采工作面開采的3號煤層具有低溫氧化特性，該工作面在開采過程中采空區(qū)及回風隅角的CO濃度一直較高，為治理CO氣體超限問題，該工作面采空區(qū)采取了帷幕注氮及注漿等措施抑制采空區(qū)遺煤氧化，但由于工作面放頂煤開采工藝導致支架后部帶式輸送機及機頭區(qū)域堆積大量破碎浮煤，且此區(qū)域浮煤不易清理，因此該區(qū)域破碎煤體產生的CO氣體是導致回風隅角CO濃度超限的來源之一。針對常規(guī)注氮、注漿手段無法有效抑制浮煤氧化問題，采取對此區(qū)域浮煤噴灑CO吸收劑來減少破碎煤體CO氣體的產生。

4.1 應用過程

選擇大南湖一礦1307綜采工作面后部帶式輸送機及機頭區(qū)域作為現場工藝實驗地點，為保證CO吸收劑有效降低回風隅角CO濃度，設計了后部帶式輸送機及機頭區(qū)域CO抑制劑噴灑工藝及參數。

(1)首先在1307綜采工作面機頭區(qū)域浮煤處噴灑100 kg CO吸收劑進行小劑量實驗，噴灑完吸收劑后，立即用水管對噴灑吸收劑區(qū)域澆水直至其完全融化，并在噴灑區(qū)域觀測溫度變化及回風隅角處CO氣體濃度變化情況。

(2)根據前期小劑量實驗情況，對CO吸收劑噴灑工藝及用量進行調整，以便最大限度地發(fā)揮CO吸收劑對CO氣體的吸收效果。具體參數為：CO吸收劑與水用量比為1∶4，單次CO吸收劑噴灑量為1.0～1.5 t，單個支架的CO抑制劑用量為100 kg，噴灑區(qū)域為130號支架至回風隅角后部帶式輸送機及機頭浮煤區(qū)域。

(3)本次實驗具體過程為：提前下放1.2 t的 CO吸收劑至回風端頭位置，從130號支架往上每個支架后部帶式輸送機浮煤處均勻噴灑100 kgCO吸收劑，機頭區(qū)域噴灑100 kg，噴灑完后立即利用水管澆水，循環(huán)澆水直至吸收劑完全融化反應。

4.2 應用效果

4.2.1 降低CO濃度效果

在1307綜采工作面130號支架后部帶式輸送機往上至機頭區(qū)域破碎浮煤均勻噴灑完1.2 t 的CO抑制劑后，立即利用水管對噴灑抑制劑區(qū)域灑水，使CO抑制劑遇水融化反應。每灑完一遍水，記錄后部帶式輸送機浮煤溫度變化及回風隅角CO濃度變化，直至CO抑制劑完全融化反應完。浮煤溫度及回風隅角CO濃度變化見表4。

由表4可以看出，噴灑CO吸收劑并澆水后，吸收劑開始融化并充分反應，130號支架至回風隅角處的CO濃度均有所降低。CO抑制劑完全融化后，回風流CO的濃度由噴灑前的0.002 8%降低至0.001 4%；回風隅角CO的濃度由噴灑前的0.011 0%降低至0.002 9%；138號支架后部帶式輸送機浮煤處CO的濃度由噴灑前的0.012 7%降低至0.004 0%。

表4 CO吸收劑現場噴灑效果數據 %

4.2.2 CO抑制劑降溫效果

噴灑完CO吸收劑后利用水管對噴灑吸收劑位置澆水，吸收劑遇水開始反應，灑水約2 min后，煤體表面溫度由常溫降至2 ℃左右，局部地方溫度降至-2 ℃；CO抑制劑與水反應時間5～10 min后，煤體表面溫度開始回升，再繼續(xù)對未融化的抑制劑灑水，反應溫度繼續(xù)降低，直至抑制劑完全融化反應完畢后，煤體恢復常溫。

5 結論

(1)從錐形瓶中CO的最低體積分數、穩(wěn)定體積分數和穩(wěn)定時長等指標考察各種試劑對CO的吸收效果，發(fā)現NH4Cl試劑性能最佳，NaCl和尿素試劑次之，KCl試劑幾乎無作用，CaCl2試劑對CO吸收起抑制作用；同時發(fā)現溶液溫度變化也影響CO的吸收效果，低溫時促進CO的吸收，高溫抑制CO的吸收。

(2)經過復配實驗，發(fā)現CO吸收劑由CuCl、NH4Cl試劑和尿素這3種材料組成效果最佳，且最優(yōu)質量比m(CuCl)∶m(NH4Cl)∶m(尿素)為1∶4∶2。

(3)在大南湖一礦1307綜采工作面的現場應用表明，CO吸收劑達到最佳效果時，支架后部帶式輸送機浮煤處CO濃度由噴灑前的0.012 7%最低可降至0.004 0%；同時兼具良好的降溫效果，CO吸收劑遇水開始反應，灑水后2 min左右煤體表面溫度由常溫降低至2 ℃左右，局部地方溫度可降至-2 ℃，能在一定程度上減緩煤體低溫氧化。