色連煤礦煤自燃標(biāo)志氣體試驗(yàn)研究

郭 君

（晉能控股煤業(yè)集團(tuán)鄂爾多斯礦業(yè)公司，內(nèi)蒙古 鄂爾多斯 017000）

煤炭自然發(fā)火是礦井的主要災(zāi)害之一[1-2]。煤自燃標(biāo)志氣體的變化特征以及其與煤自燃的關(guān)系對(duì)煤自燃預(yù)測(cè)具有重要意義[3]。鄧軍[4]等使用隨機(jī)森林預(yù)測(cè)法對(duì)煤的自燃發(fā)火進(jìn)行了預(yù)測(cè)且與現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)相互驗(yàn)證。趙興國(guó)[5]運(yùn)用灰色理論研究氧化煤的標(biāo)志氣體，并使用SPSS 進(jìn)行了優(yōu)化。任萬興[6]利用統(tǒng)計(jì)學(xué)特征構(gòu)建了煤自燃預(yù)警指標(biāo)并劃分了6 個(gè)危險(xiǎn)等級(jí)。

研究人員對(duì)指標(biāo)氣體的研究做了大量積極有效的工作，但針對(duì)低變質(zhì)煤在常溫下便開始生成CO導(dǎo)致干裂溫度之前CO 難以較好地作為標(biāo)志氣體的解決方法研究較少。為應(yīng)對(duì)這一狀況，對(duì)色連煤礦8109 工作面煤樣進(jìn)行程序升溫試驗(yàn)，分析氣體生成的變化規(guī)律，優(yōu)選煤自燃預(yù)測(cè)指標(biāo)，對(duì)現(xiàn)場(chǎng)煤自燃預(yù)測(cè)和防治自然發(fā)火具有指導(dǎo)意義。

1 試驗(yàn)研究

1.1 試驗(yàn)設(shè)備與試驗(yàn)方法

試驗(yàn)使用程序升溫加熱氧化裝置、GC-4000A型礦井自動(dòng)色譜儀。

試驗(yàn)煤樣為色連煤礦8109 工作面煤樣，自燃等級(jí)為I 級(jí)，最短自然發(fā)火期為44 d。將粒徑為0.2～0.3 mm 的煤樣置于真空干燥箱內(nèi)40 ℃干燥48 h 后進(jìn)行工業(yè)分析，見表1。將制備好的0.2～0.3 mm 煤樣50 g 裝入煤樣罐中后，為進(jìn)一步消除吸附氣體，在100 mL/min的氮?dú)鈿夥障略O(shè)置30 ℃恒溫模式下1 h，罐內(nèi)通入流量為100 mL/min 的干空氣，設(shè)置程升模式，在30～200 ℃內(nèi)升溫速率為1 ℃/min，每升溫10 ℃使用注射器取氣后使用色譜對(duì)氣樣進(jìn)行分析。

表1 干燥煤樣工業(yè)分析

1.2 試驗(yàn)結(jié)果分析

煤低溫氧化過程會(huì)生成碳氧化物及烷烴類氣體，根據(jù)試驗(yàn)數(shù)據(jù)繪制其體積分?jǐn)?shù)隨溫度的變化如圖1、圖2。

圖1 O2 和CO2 濃度隨溫度變化曲線

圖2 CO 和C2H4 濃度隨溫度變化曲線

從圖1、圖2 可看出，煤樣在30 ℃就可以產(chǎn)生CO，表明煤的活性較大，容易與煤發(fā)生化學(xué)吸附,其產(chǎn)生速率隨煤溫的升高呈現(xiàn)出指數(shù)規(guī)律上升趨勢(shì)，110 ℃之前生成速率緩慢，之后呈指數(shù)式增長(zhǎng)，且生成C2H4煤的干裂溫度在100～110 ℃之間。因此，該溫度之后煤低溫氧化進(jìn)入熱解加速氧化階段。臨界溫度與干裂溫度之間的范圍過大且該區(qū)間是煤自燃預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)最重要的階段，單一的CO 濃度不能較好地反應(yīng)煤低溫氧化的實(shí)際情況，烷烴類氣體化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定且吸附能力較強(qiáng)，原生氣體會(huì)對(duì)指標(biāo)氣體造成影響，要盡量避開。因此，引入格氏火災(zāi)系數(shù)。

根據(jù)煤氧化過程中CO2、CO 含量的增加量（+ΔCO2、+ΔCO ）和氧含量的減少量（-ΔO2）等參數(shù)獲得火災(zāi)系數(shù)R1、R2、R3，其表達(dá)式分別為：

格雷哈姆系數(shù)有效地避免了風(fēng)流大小對(duì)指標(biāo)的影響，可信度較高，R1隨溫度變化單調(diào)性較差，R2、R3隨溫度的變化如圖3、圖4。

圖3 格氏火災(zāi)系數(shù)R2 隨溫度變化曲線

圖4 格氏火災(zāi)系數(shù)R3 溫度變化曲線

從圖3、圖4 可看出，R2、R3隨溫度整體呈增長(zhǎng)趨勢(shì)，均能較好地反應(yīng)煤的低溫氧化狀況。R2在110 ℃之前緩慢增長(zhǎng)，之后增長(zhǎng)速度加快，可有效地區(qū)分110 ℃前后的變化，這與前文分析的臨界溫度一致。R3在80 ℃之前增長(zhǎng)速度大致相同，在之后有一個(gè)較大的躍變，因此可以使用80 ℃時(shí)R3=0.1為界限解決臨界溫度與干裂溫度區(qū)間過大的問題。

2煤自燃指標(biāo)優(yōu)選

根據(jù)煤低溫氧化過程中氣體的釋放順序及規(guī)律，使用三個(gè)階段劃分煤低溫氧化過程分別為化學(xué)吸附階段（30～80 ℃）、自熱氧化階段（80～110 ℃）和熱解加速氧化階段（110～200 ℃）[7-8]。

（1）化學(xué)吸附階段（30～80 ℃）：使用R3與R2為第一、第二指標(biāo)。該階段對(duì)應(yīng)的值域分別為0～0.1 以及0～20。

（2）自熱氧化階段（80～110 ℃）：使用R3與R2為第一、第二指標(biāo)。該階段對(duì)應(yīng)的值域分別為0.1～0.19 以及20～29.17。

（3）熱解加速氧化階段（110～200 ℃）：C2H4的出現(xiàn)標(biāo)志著煤進(jìn)入熱解加速氧化階段。同時(shí)R2在110 ℃增長(zhǎng)速度有一個(gè)較大的躍變，可作為第二指標(biāo)。

3 結(jié)論

（1）色連煤礦8109 工作面煤樣低溫氧化過程中活性較大，其臨界溫度小于30 ℃，常溫下就可以生成CO。其干裂溫度在100～110 ℃之間。

（2）使用格雷哈姆系數(shù)R2、R3有效地區(qū)分了化學(xué)吸附階段（30～80 ℃）和自熱氧化階段（80～110℃），解決了臨界溫度過低CO 難以有效對(duì)干裂溫度之前煤低溫氧化的預(yù)測(cè)問題。C2H4的出現(xiàn)標(biāo)志著煤進(jìn)入熱解加速氧化階段。