基于煤自燃標(biāo)志性氣體的阻化劑優(yōu)選研究

張 燕

(山西潞安化工集團(tuán) 余吾煤業(yè)有限責(zé)任公司，山西 長治 046100)

礦井火災(zāi)一直都是制約我國煤礦安全高效開采的重要影響因素之一[1]。礦井火災(zāi)是復(fù)雜的物理化學(xué)反應(yīng)，多發(fā)于采空區(qū)遺煤自燃。采空區(qū)特殊的位置環(huán)境，導(dǎo)致采空區(qū)遺煤自燃具有隱匿性，難發(fā)現(xiàn)、難預(yù)防、難治理、危險性大[2-3]，因此防治采空區(qū)遺煤自燃的工作尤為重要。根據(jù)采空區(qū)的實際情況，防治遺煤自燃的方法一般有噴灑阻化劑、注漿、注惰性氣體、均壓等[4-5]。其中噴灑阻化劑是非常重要的手段，阻化劑種類和復(fù)配的選擇性多，需要對不同阻化劑的阻化效果進(jìn)行研究[6-8]。通過分析阻化前后對指標(biāo)氣體的影響來優(yōu)選合適的阻化劑。

鑒于此，筆者對沙坪煤礦8號煤層煤樣和13號煤層煤樣添加NaHCO3、CaCl2和水玻璃以及兩兩組合6種阻化劑進(jìn)行處理后，利用程序升溫實驗裝置，以阻化劑對煤指標(biāo)氣體產(chǎn)量和產(chǎn)氣溫度的影響大小為指標(biāo)，得到表征不同阻化劑阻燃性能的參數(shù)，以期篩選出性能優(yōu)良的阻化劑，為建立相應(yīng)的預(yù)防預(yù)測體系，有效地預(yù)防礦井采空區(qū)遺煤自燃提供了理論指導(dǎo)。

1 煤自燃氧化程序升溫試驗

1.1 試驗裝置系統(tǒng)及原理

試驗裝置系統(tǒng)主要由程序升溫氧化實驗裝置、氣相色譜儀等組成。程序升溫氧化實驗裝置由煤樣氧化室、加熱爐、溫度控制箱、氣路系統(tǒng)組成，與氣相色譜儀配合使用，完成自然發(fā)火標(biāo)志氣體及其指標(biāo)測試工作。程序升溫箱內(nèi)部反應(yīng)器為導(dǎo)熱性良好的銅制罐體，罐體上、中、下分別開孔用于連接出氣管路、熱電偶、進(jìn)氣管路；箱內(nèi)風(fēng)扇可使箱體內(nèi)部的溫度均勻分布，從而使反應(yīng)器更加均勻地受熱；進(jìn)氣管路盤繞于反應(yīng)器底部，可將進(jìn)入反應(yīng)器內(nèi)的氣體提前預(yù)熱至與箱體內(nèi)部同樣溫度，保證反應(yīng)器內(nèi)部與外部溫度相同。指標(biāo)氣體數(shù)據(jù)采集裝置為氣相色譜分析儀，可以實時檢測程序升溫過程中反應(yīng)器內(nèi)煤各種指標(biāo)性氣體的含量，通過對采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，計算出程序升溫過程中煤樣生成指標(biāo)氣體濃度的變化。煤自燃危險特性測試系統(tǒng)如圖1所示。

圖1 煤自燃危險特性測試系統(tǒng)圖

1.2 試驗條件及過程

采集沙坪煤礦8號和13號煤層新鮮煤樣。首先分別將各種煤樣破碎篩選為20～40目、40～60目、60～80目和80～100目各10 g。每種煤樣按照每份40.0 g的劑量取樣，將樣品放置于煤樣反應(yīng)罐中備用。在相同實驗條件下，分別進(jìn)行程序升溫氧化實驗，通過控制流量計保證流入反應(yīng)罐的空氣流量為恒定的100 mL/min，并檢查氣路密閉性；之后通過程序升溫箱控溫系統(tǒng)，將煤樣以1 ℃/min的溫升速率，從室溫升溫至250 ℃，每升溫10 ℃利用氣相色譜儀測定煤自燃過程中指標(biāo)氣體的濃度變化。煤自燃程序升溫試驗條件如表1所示。

表1 煤樣程序升溫試驗條件

1.3 試驗結(jié)果與分析

在模擬沙坪煤礦2種煤樣自然發(fā)火過程中，測得試驗產(chǎn)物有O2、N2、CO、CO2、C2H4、C2H6、H2，通過繪制各氣體產(chǎn)物濃度隨溫度升高的變化曲線圖，分析氣體濃度和溫度關(guān)系的變化規(guī)律，可以發(fā)現(xiàn)CO、C2H4、H2的濃度變化規(guī)律與溫度的關(guān)聯(lián)度比較有特征性，具體如圖2、圖3所示。

圖2 8號煤層煤樣氣體產(chǎn)物濃度與溫度關(guān)系圖

由圖2可知，8號煤樣在試驗過程中，產(chǎn)物CO濃度隨煤溫升高整體呈上升趨勢。煤樣在30～70 ℃時，CO氣體濃度較小且基本不變；在煤溫升至70～80 ℃時，CO濃度以小速率開始增大，說明煤樣已經(jīng)開始發(fā)生緩慢氧化；當(dāng)煤溫升至100 ℃

由圖3可知，13號煤樣在試驗過程中，產(chǎn)物CO濃度隨煤溫升高整體呈上升趨勢。煤樣在30～60 ℃時CO氣體濃度較小且基本不變；在煤溫升至60～70 ℃時，CO濃度以小速率開始增大，說明煤樣已經(jīng)開始發(fā)生緩慢氧化；當(dāng)煤溫升至90 ℃

圖3 13號煤層煤樣氣體產(chǎn)物濃度與溫度關(guān)系圖

2 阻化前后指標(biāo)氣體起始溫度變化及阻化劑優(yōu)選

2.1 煤樣制作及試驗過程

為了分析、對比不同阻化劑的阻化效果，分別對相同條件下的原煤樣和不同阻化浸潤過的煤樣進(jìn)行自燃氧化試驗，試驗條件和上述指標(biāo)氣體優(yōu)選相同。其中補添加任何阻化劑的原煤組作為對照組，試驗組是在原煤樣的基礎(chǔ)上分別添加NaHCO3、CaCl2、水玻璃、NaHCO3+CaCl2、NaHCO3+水玻璃和CaCl2+水玻璃，充分?jǐn)嚢韬蠓旁跍囟仍O(shè)定為30 ℃的真空干燥箱中，靜置48 h，試驗組的阻化劑添加情況如表2所示。

表2 阻化劑的添加情況

2.2 試驗結(jié)果與分析

試驗得到煤樣指標(biāo)氣體在阻化前后的濃度變化，由于CO的變化作為阻化劑前后的影響指標(biāo)難以給出有效的分析，故選取了規(guī)律性好的C2H4和H2濃度與溫度的關(guān)系曲線圖，如圖4、圖5所示。

圖4 8號煤層煤樣指標(biāo)氣體濃度與溫度關(guān)系圖

由圖4可知，添加阻化劑的煤樣和原煤樣在同樣試驗條件下，產(chǎn)生的C2H4和H2濃度在整體變化趨勢相同的基礎(chǔ)上，產(chǎn)量都有不同程度的下降，且產(chǎn)生的起始溫度也都有不同程度的升高。其中當(dāng)溫度超過110 ℃時，NaHCO3、CaCl2和水玻璃阻化煤樣幾乎同時產(chǎn)生C2H4，但隨著溫度的升高，水玻璃阻化煤樣的增加速率最慢；當(dāng)溫度超過150 ℃時，NaHCO3+CaCl2、水玻璃+CaCl2和水玻璃+NaHCO33組混合阻化煤樣幾乎同時產(chǎn)生C2H4，但隨著溫度的升高，水玻璃+NaHCO3混合阻化煤樣的增加速率最慢。

當(dāng)溫度超過110 ℃時，NaHCO3、CaCl2和水玻璃阻化煤樣與原煤幾乎同時產(chǎn)生H2，但隨著溫度的升高，原煤樣的產(chǎn)生H2速率最大；當(dāng)溫度超過130 ℃時，NaHCO3+CaCl2和水玻璃+CaCl2兩組混合阻化煤樣幾乎同時產(chǎn)生H2，而水玻璃+NaHCO3混合阻化煤樣在溫度超過150 ℃時，才開始產(chǎn)生H2，且增加速率最慢。

綜上分析，針對8號煤層煤樣，水玻璃+NaHCO3、水玻璃+CaCl2、NaHCO3+CaCl2、水玻璃、CaCl2、NaHCO3的阻化效果依次遞減。

由圖5可知，添加阻化劑的煤樣和原煤樣在同樣試驗條件下，產(chǎn)生的C2H4和H2濃度同樣在整體變化趨勢相同的基礎(chǔ)上，產(chǎn)量都有所下降，且起始溫度也都有所升高。其中當(dāng)溫度超過110 ℃時，NaHCO3、CaCl2和水玻璃阻化煤樣幾乎同時產(chǎn)生C2H4，水玻璃阻化煤樣的產(chǎn)氣速率最慢；當(dāng)溫度超過130 ℃時，NaHCO3+CaCl2混合阻化煤樣開始產(chǎn)生C2H4；當(dāng)溫度超過150 ℃時，水玻璃+CaCl2混合阻化煤樣開始產(chǎn)生C2H4；溫度超過170 ℃時，水玻璃+NaHCO3混合阻化煤樣開始產(chǎn)生C2H4。

圖5 13號煤層煤樣指標(biāo)氣體濃度與溫度關(guān)系圖

當(dāng)溫度超過110 ℃時，NaHCO3阻化煤樣與原煤幾乎同時產(chǎn)生H2，但隨著溫度的升高，原煤樣的產(chǎn)H2速率大；當(dāng)溫度超過130 ℃時，CaCl2和水玻璃兩組阻化煤樣幾乎同時產(chǎn)生H2，但隨著溫度的升高，水玻璃阻化煤樣產(chǎn)氣速率較慢；當(dāng)溫度超過150 ℃時，NaHCO3+CaCl2和水玻璃+CaCl2兩組混合阻化煤樣幾乎同時產(chǎn)生H2，而水玻璃+NaHCO3混合阻化煤樣在溫度超過170 ℃時，才開始產(chǎn)生H2，且增加速率最慢。

綜上分析，針對13號煤層煤樣，水玻璃+NaHCO3、水玻璃+CaCl2、NaHCO3+CaCl2、水玻璃、CaCl2、NaHCO3的阻化效果依次遞減。

3 結(jié) 語

1) 根據(jù)試驗結(jié)果建立了以CO、C2H4和H2為指標(biāo)氣體的8號和13號煤層預(yù)測預(yù)報煤自燃體系。

2) 提出了以指標(biāo)氣體產(chǎn)量和起始溫度值相結(jié)合的評判阻化效果指標(biāo)。

3) 不同阻化劑處理8號和13號煤樣的阻化效果由高到低依次為水玻璃+NaHCO3、水玻璃+CaCl2、NaHCO3+CaCl2、水玻璃、CaCl2、NaHCO3。