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    桑樹坪煤礦11號煤自燃特性實驗研究

    2019-10-17 05:48:32蘇宏剛王瑞義
    中小企業(yè)管理與科技 2019年26期
    關鍵詞:耗氧煤樣桑樹

    蘇宏剛,王瑞義

    (1.陜西陜煤韓城礦業(yè)有限公司 通風管理部,陜西 韓城715400;2.韓城礦業(yè)有限公司桑樹坪煤礦 通風管理部,陜西 韓城715407)

    1 引言

    桑樹坪煤礦11號煤層的自燃傾向性屬于自燃煤層,經(jīng)測定煤自然發(fā)火期為57 天。工作面開采采用沿空留巷,工作面留巷采用建立水泥墻的方式保留,采用兩進一回的“Y”型通風方式。然而,“Y”型通風方式會造成采空區(qū)漏風難以得到有效的控制,遺煤不斷氧化蓄熱易造成自燃,導致煤自燃火災,甚至引起瓦斯爆炸事故,嚴重威脅礦井安全生產(chǎn)。風流從工作面向采空區(qū)流動的過程中,會由于煤巖空隙阻力作用和距離的增大而逐漸地減少。而采空區(qū)的遺煤會不斷地氧化消耗采空區(qū)環(huán)境中的氧氣。因此,隨風流進入采空區(qū)深度的增大,風流的流動速度和氧氣濃度會逐漸降低。采空區(qū)中的氧氣濃度是影響煤自燃反應的關鍵因素[1-3]。為了實現(xiàn)礦井煤自燃火災的有效防治,必須對桑樹坪煤礦11號煤的自燃氧化特性展開一系列的研究。因此,本文以桑樹坪煤礦11號煤樣作為研究對象,測試了不同O2/N2氣氛和粒度時,煤在氧化升溫過程中的耗氧速率及氣體產(chǎn)生量的變化規(guī)律,研究成果對桑樹坪礦的11號煤層開采過程中的采空區(qū)煤自燃火災預防與控制具有重要的指導意義。

    2 實驗儀器及條件

    2.1 不同氣氛對煤自燃特性的影響

    2.1.1 實驗煤樣

    本實驗的樣品取自桑樹坪煤礦11號煤。將煤樣破碎然后篩分為不同粒徑的樣本(分別為:0~0.9mm、0.9~3mm、3~5mm、5~7mm和7~10mm)。取每個粒徑范圍樣品200g,制成1kg 的實驗樣本。

    2.1.2 實驗條件

    采用不同O2/N2氣氛(氧氣濃度分別為21%、14%、8%和0%)進行煤樣的氧化實驗,研究降低氧氣濃度對煤自燃特性的影響。

    2.2 粒度對煤自燃特性的影響

    煤樣在韓城桑樹坪礦采取,將桑樹坪礦煤樣破碎并使用篩網(wǎng)進行篩分,實驗樣品的粒度范圍分別為:0~0.9mm、0.9~3mm、3~5mm、5~7mm和7~10mm,并將這5 種粒度范圍的桑樹坪11號煤的樣品,按質(zhì)量平均混合為1kg 的混合實驗樣品,在程序升溫箱中進行程序升溫實驗。

    2.3 實驗裝置及過程

    實驗裝置采用油浴程序升溫裝置,如圖1所示。在進行桑樹坪11號煤層樣品自燃氧化實驗時,首先向11號煤層的樣品裝入自燃升溫系統(tǒng)中,之后向桑樹坪11號煤層的樣品通入流量為100mL/min 的氣體,實驗采用0.3℃/min 對桑樹坪11號煤的樣品進行煤自燃氧化程序升溫實驗。實驗的溫度范圍為:20~170℃,煤樣氧化氣體采集間隔為每隔10℃,采用色譜儀分析采集到桑樹坪11號煤層樣品氧化后尾氣中的氣體成分的種類和具體的含量。研究桑樹坪11號煤樣品放熱自燃氧化特性。

    圖1 程序升溫實驗裝置

    3 結(jié)果與分析

    3.1 氧氣濃度對樣品自燃特性的影響

    3.1.1 樣品氧化產(chǎn)生的CO濃度

    在煤低溫氧化階段CO是氧化過程的標志性氣體,其變化規(guī)律可反映煤自燃程度及危險性[4]。煤樣在不同氧氣濃度時氧化產(chǎn)生的CO氣體的濃度如圖2所示。

    圖2 桑樹坪煤礦11號煤層樣品在不同氧氣濃度時氧化產(chǎn)生的CO濃度

    煤的低溫氧化過程是一個緩慢且逐漸加速活化的過程,煤氧化過程中活性官能團氧化會產(chǎn)生CO氣體、CO2氣體等氣體。在溫度較低的時桑樹坪煤礦11號煤層樣品氧化產(chǎn)生的CO量較少,隨著溫度的升高逐漸在升高。在實驗溫超過100°C以后,樣品氧化產(chǎn)生的CO量顯著增大,且增速不斷提高,如圖2所示。在O2/N2氣氛環(huán)境中樣品氧化產(chǎn)生的CO濃度在較高反應溫度下均隨著氧氣濃度的降低而不斷降低。降低氧氣會抑制煤中活性官能團的氧化,因此產(chǎn)生的CO量顯著減小。

    3.1.2 樣品的耗氧速率

    在標準氧濃度下實驗過程中實驗爐內(nèi)耗氧速率V0(T)計算公式如下:

    式中:Q 為通風量,mL/min;

    S 為爐體的橫截面面積,cm2;

    n 為煤體的空隙率;

    L 為爐膛高度,cm;

    由圖3可得,桑樹坪煤礦11號煤層樣品在反應溫度較低時,不同氧氣濃度下樣品的耗氧速率均較低。主要是此溫度階段煤樣主要發(fā)生氧氣性結(jié)構(gòu)的物理化學吸附,因此,樣品的耗氧速率較低。煤自燃程度升溫溫度不斷升高,桑樹坪煤礦11號煤層樣品中活性基團逐漸被活化參與氧化反應,導致樣品的耗氧速率顯著增大[5]。當煤自燃程序升溫實驗溫度超過100℃后,樣品的耗氧速率顯著增強,耗氧速率大幅增加。隨實驗氧氣濃度的降低,桑樹坪煤礦11號煤層樣品氧化的耗氧速率顯著降低。這是由于環(huán)境中的氧氣濃度降低而抑制了煤中活化基團與氧氣的反應導致的。

    圖3 桑樹坪煤礦11號煤層樣品在不同氧氣濃度時的耗氧速率

    3.2 粒度對樣品自燃特性的影響

    3.2.1 樣品耗氧速度

    圖4 不同粒度桑樹坪煤礦11號煤層樣品在不同溫度下的耗氧速率

    由圖4可得,隨不同粒徑下桑樹坪煤礦11號煤層樣品的耗氧速率均隨實驗溫度的升高而不斷增大,呈現(xiàn)指數(shù)增加規(guī)律。隨實驗樣品粒徑的逐漸上升,煤樣的耗氧速率不斷地降低[6]。對于桑樹坪煤礦11號煤層樣品在相同溫度和質(zhì)量情況下,樣品的粒徑越大,則暴露在空氣中的表面積會顯著降低。因此,樣品在實驗過程中與氧氣發(fā)生接觸的面積就會顯著減少,導致相同溫度時,樣品中與氧氣發(fā)生反應的活性基團數(shù)量降低,造成耗氧速率顯著降低。

    3.2.2 樣品氧化產(chǎn)生的CO濃度

    圖5 不同粒度桑樹坪煤礦11號煤層樣品氧化過程中CO產(chǎn)生量

    通過圖5可得,CO濃度隨溫度的升高先緩慢增加,當溫度達到某一值(100℃)時其生成量迅速增加。這是由于煤的氧化過程是一個逐步活化的過程。隨著煤的氧化溫度的升高,導致煤中活性官能團的數(shù)量增加。煤與氧氣的反應速率增大,造成煤氧化產(chǎn)生的CO量顯著地增大。由圖5分析CO的含量隨溫度的變化規(guī)律可以發(fā)現(xiàn),隨煤氧化溫度的升高,煤氧化產(chǎn)生的CO濃度呈指數(shù)形式增長,溫度越高煤氧化產(chǎn)生的CO含量越高。因此,煤氧化產(chǎn)生的CO濃度可以作為預測煤自燃的主要指標氣體。對比分析發(fā)現(xiàn)煤樣的粒度越小,氧化產(chǎn)生的CO濃度越大,這主要是粒度減小增大了煤反應的表面積和活性官能團的數(shù)量。

    3.2.3 臨界溫度和干裂溫度

    煤自燃臨界溫度是煤在氧化升溫過程中自動加速的第一個溫度點。CO產(chǎn)生率發(fā)生第一次突變的起點溫度即為臨界溫度。煤的干裂溫度是煤結(jié)構(gòu)中的側(cè)鏈開始斷裂,并參與氧化反應的初始溫度。聯(lián)系實驗過程,CO產(chǎn)生率的變化率與溫度的關系曲線中發(fā)生第二次突變的起點溫度即為干裂溫度。不同粒度煤樣臨界溫度、干裂溫度如表1所示,煤樣的臨界溫度范圍為95~105℃,干裂溫度范圍為125~135℃。

    煤樣編號0~9mm 0.9~3mm 3~5mm 5~7mm 7~10mm 混樣臨界溫度/℃干裂溫度/℃100.26 130.51 101.54 130.00 100.00 130.26 104.87 130.51 102.05 131.54 99.74 130.00

    3.2.4 C2H6和C2H4氣體

    從圖6和圖7可以看出,煤樣中不含C2H4氣體,在煤的溫度升高到160℃時產(chǎn)生的C2H4氣體,這主要是煤樣高溫裂解的氣體,這與煤樣的裂解溫度有關。在實驗一開始就有C2H6氣體,這是由于煤樣中富含有一定的C2H6氣體,隨著溫度升高,煤樣中吸附的C2H6氣體發(fā)生脫附現(xiàn)象逐漸釋放出來。同時C2H6和C2H6兩種氣體產(chǎn)生率與粒徑有關,粒徑越小,產(chǎn)生量越多,并且溫度越高,產(chǎn)生率越高。C2H6可以作為一種預報煤自燃程度的指標氣體。

    圖6 煤樣氧化過程中的C2H4 產(chǎn)生量

    圖7 煤樣氧化過程中的C2H6 產(chǎn)生量

    4 結(jié)論

    ①桑樹坪礦11號煤層煤樣在氧化過程中的耗氧速率、CO氣體濃度,在氧化溫度較低時(<100℃),耗氧速率和CO氣體產(chǎn)生量增速較小。之后隨溫度升高耗氧速率和CO氣體產(chǎn)生量增速顯著增加,總體隨溫度的增加符合指數(shù)增加規(guī)律。

    ②11號煤在不同氣氛條件下耗氧速率和CO產(chǎn)生量隨溫度的升高逐漸升高;降低氧氣濃度對煤低溫氧化的抑制作用逐漸增大,氧氣濃度越低對煤的耗氧和CO產(chǎn)生的抑制作用越明顯。

    ③在O2/N2不同氣氛時,降低氧氣濃度對煤氧化具有明顯的抑制作用。在相同氧化溫度條件下,耗氧速率隨著粒徑的增大而減小,CO、C2H4和C2H6氣體的濃度也顯著地減小。

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