深井酸性浸水煤層風(fēng)干氧化自然發(fā)火特性分析

劉浩東

(陜西正通煤業(yè)有限責(zé)任公司,陜西 咸陽 712000)

0 引言

我國是煤炭生產(chǎn)大國,2022年煤炭總產(chǎn)量為45.6億t。煤炭資源的消耗量在各類能源消耗量中占據(jù)主體地位,且在長時(shí)期內(nèi)不會(huì)改變[1]。據(jù)統(tǒng)計(jì),我國國有重點(diǎn)煤礦中具有自然發(fā)火危險(xiǎn)的礦井約占47.3%,因煤自燃造成的火災(zāi)高達(dá)390多次,煤炭自燃已經(jīng)對(duì)礦井的安全生產(chǎn)造成了嚴(yán)重的威脅[2]。近年來,隨著礦井采深以每年10 m左右的速度逐漸向深部延伸(部分地區(qū)的礦井已經(jīng)以每年20 m的速度增大),煤層自燃危險(xiǎn)性正在顯著增加。深井開采會(huì)引起礦井沖擊地壓、地溫的上升[3]。同時(shí),受巖石沉積及地質(zhì)構(gòu)造的影響,有些地區(qū)以海陸相為主,硫酸鹽豐富,成煤過程中煤層中集聚了不同程度的H2S氣體。H2S氣體微溶于水,遇水呈酸性,酸性浸水則會(huì)繼續(xù)侵蝕煤體結(jié)構(gòu),擴(kuò)大煤體內(nèi)部原來的孔裂隙,使煤炭本身的自燃傾向性發(fā)生改變。因此,探索浸水煤層風(fēng)干氧化自然發(fā)火特性對(duì)防治浸水煤層自燃有重要的研究意義。

目前,諸多學(xué)者對(duì)深井酸性浸水煤層自然發(fā)火特性進(jìn)行了研究。牛會(huì)永等[4]發(fā)現(xiàn)煤樣浸水干燥后,煤自燃傾向性隨著煤氧化反應(yīng)速率的逐漸加快而增大。文虎等[5]的研究表明水浸環(huán)境對(duì)煤樣耗氧速率和煤樣CO、CO2、C2H6、C2H4生成率有一定的影響。秦小文[6]研究發(fā)現(xiàn)浸水風(fēng)干煤層具有更高的自燃傾向性。李鑫[7]發(fā)現(xiàn)浸水風(fēng)干煤樣較原煤樣的氣體產(chǎn)量增加,且交叉點(diǎn)溫度降低,自燃氧化性更強(qiáng)。宋亞偉[8]探究了浸水作用引起的多元?dú)怏w競(jìng)爭(zhēng)吸附機(jī)制對(duì)自由基變化的影響。鄭凱月[9]發(fā)現(xiàn)浸水作用增加了煤與氧氣的接觸面積,提高了煤分子中活性基團(tuán)含量,導(dǎo)致浸水煤氧化過程中生成氣體產(chǎn)物的速率更快,自燃性增強(qiáng)。

綜上所述,學(xué)者們對(duì)浸水煤層風(fēng)干氧化自燃發(fā)火特性進(jìn)行了大量的研究,但是缺少酸性浸水煤層風(fēng)干氧化自燃發(fā)火特性的研究。事實(shí)上,煤礦井下環(huán)境較為復(fù)雜,并且夾雜很多酸性氣體,煤層浸水環(huán)境大多都是酸性,因此研究酸性浸水煤層風(fēng)干氧化自燃發(fā)火特性是十分必要的,且能夠促進(jìn)對(duì)煤層自燃災(zāi)害的防治工作。

1 試驗(yàn)裝置

試驗(yàn)采用氧化模擬試驗(yàn)系統(tǒng)進(jìn)行,如圖1所示。該系統(tǒng)由預(yù)熱氣路系統(tǒng)、傳熱煤樣罐、程序控溫箱、氣體采集及分析系統(tǒng)和多路數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)組成。

圖1 煤氧化模擬試驗(yàn)系統(tǒng)原理Fig.1 Schematic diagram of coal oxidation simulation experimental system

2 試驗(yàn)準(zhǔn)備

2.1 煤樣制備

在陜西某礦井下204工作面剛暴露的煤壁處收集試樣,現(xiàn)場(chǎng)用密閉塑料袋封裝,送至實(shí)驗(yàn)室。制備試驗(yàn)樣品前先剝?nèi)悠繁砻嫜趸瘜?選取一定量的樣品在常溫下進(jìn)行破碎,篩分出40目～80目(0.18～0.38mm)粒度范圍的樣品,作為試驗(yàn)樣品。

2.2 試驗(yàn)方案設(shè)計(jì)

2.2.1 煤體浸水風(fēng)干條件的確定

對(duì)煤樣進(jìn)行浸泡5 d處理,浸泡程序完成后,將煤樣放置在室溫23 ℃的條件下風(fēng)干24 h,模擬204工作面采空區(qū)遺煤所經(jīng)歷的浸水風(fēng)干過程,對(duì)試驗(yàn)產(chǎn)生的氣體種類、濃度、溫度等參數(shù)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè),并根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果,研究浸水風(fēng)干條件下對(duì)煤體自燃特性的影響及煤體自燃氧化規(guī)律。

2.2.2 煤體二次氧化條件的確定

為了研究在不同氧化程度下煤體自燃特性的影響及煤體自燃氧化規(guī)律,通過設(shè)定不同的預(yù)氧化條件,分別模擬204工作面采空區(qū)遺煤所經(jīng)歷的初次氧化、二次氧化的過程。204工作面埋深在900 m以上且地溫較高,因此選取較高的預(yù)氧化條件(預(yù)氧化至40 ℃、55 ℃和70 ℃),并對(duì)試驗(yàn)現(xiàn)象進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。

2.2.3 煤體內(nèi)H2S氣體濃度條件的確定

預(yù)先把煤樣放入溶有H2S的水溶液中浸泡5 d,然后進(jìn)行24 h的風(fēng)干處理,模擬204工作面采空區(qū)遺煤受H2S氣體影響的過程,研究煤層中含有H2S氣體條件下煤體自燃特性的影響及煤體自燃氧化規(guī)律。具體的試驗(yàn)方案設(shè)計(jì)見表1。

表1 試驗(yàn)方案設(shè)計(jì)

2.3 試驗(yàn)步驟

將50 g待測(cè)樣品裝入樣品罐中,煤樣上方均勻覆蓋一層厚度為2～3 mm的石棉。檢查電源、溫度控制系統(tǒng)、供氣系統(tǒng)的連接情況及氣路的通暢情況,準(zhǔn)備開始試驗(yàn)。根據(jù)試驗(yàn)需要,通過溫度控制表進(jìn)行升溫程序設(shè)置。對(duì)進(jìn)入氣相色譜分析儀的氣體進(jìn)行分析,數(shù)據(jù)進(jìn)行存檔后進(jìn)行圖表繪制。將溫度控制箱各開關(guān)關(guān)閉,切斷電源,待溫度在自然狀態(tài)下降至室溫后再打開程序升溫箱,取出并打開樣品罐,取出試樣,對(duì)樣品罐進(jìn)行清理,以方便下次試驗(yàn),具體流程如圖2所示。

圖2 試驗(yàn)步驟流程Fig.2 Flowchart of experimental procedure

3 試驗(yàn)結(jié)果及分析

根據(jù)204工作面酸性浸水及高地溫的特點(diǎn),分別對(duì)煤樣進(jìn)行升溫氧化、浸水風(fēng)干及酸性浸水風(fēng)干處理,并以原煤樣為對(duì)比煤樣,進(jìn)行程序升溫試驗(yàn)。監(jiān)測(cè)在試驗(yàn)過程中產(chǎn)生的CO、CO2、CH4標(biāo)志性氣體的濃度變化和試驗(yàn)過程中O2的消耗量變化情況,將得到的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析,分別作出不同預(yù)處理?xiàng)l件下O2消耗量及CO、CO2、CH4產(chǎn)生量變化曲線,進(jìn)而分別對(duì)原煤、預(yù)氧化及浸水風(fēng)干煤體在不同情況下的氧化自燃特性進(jìn)行分析[10-12]。

3.1 不同預(yù)處理煤樣O2消耗變化

圖3為不同預(yù)處理煤樣O2消耗變化趨勢(shì)。可以看出,在不同溫度時(shí),不同預(yù)處理?xiàng)l件下的煤樣對(duì)O2的消耗量不同,從整體趨勢(shì)分析,在酸性水溶液中浸水風(fēng)干24 h后的煤樣在整個(gè)試驗(yàn)過程中所消耗的O2最少,當(dāng)溫度在40～110 ℃時(shí),煤樣對(duì)氧氣的消耗量雖有變化,但是整體變化趨勢(shì)不明顯;在高溫110～170 ℃時(shí),煤樣對(duì)氧氣的消耗量大幅度降低,預(yù)氧化70 ℃的煤樣在整個(gè)試驗(yàn)過程中,對(duì)氧氣的消耗呈現(xiàn)整體下降的趨勢(shì)。在試驗(yàn)初始階段,不同預(yù)處理煤樣的O2消耗依次為：酸性浸水煤樣風(fēng)干24 h(19.02×10-6)<浸水煤樣風(fēng)干24 h(19.78×10-6)<預(yù)氧化70 ℃(22.62×10-6)<預(yù)氧化55 ℃(19.94×10-6)<預(yù)氧化40 ℃(20.9×10-6)<原煤(21.05×10-6),O2的消耗量越小表明煤樣的氧化自然發(fā)火危險(xiǎn)性越大。

3.2 不同預(yù)處理煤樣CO產(chǎn)生量

由圖4可知,在相同程序升溫條件下,經(jīng)過不同的預(yù)處理?xiàng)l件后,在試驗(yàn)過程中不同煤樣CO的產(chǎn)生量明顯不同,在程序升溫的低溫階段,即在40～80 ℃時(shí),所有煤樣的CO產(chǎn)生量均較低,在40×10-6～50×10-6,說明各不同預(yù)處理?xiàng)l件下的煤樣在低溫時(shí)差異較小。當(dāng)溫度上升到90℃時(shí),此時(shí)程序升溫溫度開始進(jìn)入高溫階段,隨著溫度的不斷上升,CO產(chǎn)生量開始出現(xiàn)明顯的變化。在90～120 ℃范圍內(nèi),不同預(yù)處理?xiàng)l件下的煤樣CO產(chǎn)生量開始出現(xiàn)分化,但是增速緩慢;在120～180 ℃范圍內(nèi),不同預(yù)處理煤樣產(chǎn)生的CO量均出現(xiàn)迅速升高的趨勢(shì);180～200 ℃時(shí),不同預(yù)處理?xiàng)l件下煤樣的CO產(chǎn)生量減緩,并在200℃時(shí)達(dá)到最大值。不同預(yù)處理?xiàng)l件下的煤樣與原煤的CO產(chǎn)生量均達(dá)到20 000×10-6以上,是起始溫度CO產(chǎn)生量的400～500倍,其中弱酸性條件下浸水風(fēng)干的煤樣產(chǎn)生的CO量最大值達(dá)到24 698×10-6。其不同預(yù)處理?xiàng)l件下的煤樣CO產(chǎn)生量依次為：酸性浸水煤樣風(fēng)干24 h>浸水煤樣風(fēng)干24 h>預(yù)氧化70 ℃>預(yù)氧化55 ℃>預(yù)氧化40 ℃>原煤。

圖3 不同預(yù)處理煤樣O2消耗變化Fig.3 Changes of O2 consumption for different pretreated coal samples

圖4 不同預(yù)處理煤樣CO產(chǎn)生量Fig.4 CO production of different pretreated coal samples

3.3 不同預(yù)處理煤樣CO2產(chǎn)生量

由圖5可知,在經(jīng)過不同預(yù)處理的煤樣和原煤,在相同程序升溫條件下,試驗(yàn)過程中產(chǎn)生的CO2變化相差較大。在低溫階段,即40～80 ℃時(shí),所有煤樣產(chǎn)生的CO2均較低,不同煤樣之間差異較小,在400×10-6～600×10-6。當(dāng)溫度上升到90 ℃時(shí),不同煤樣的CO2產(chǎn)生量開始出現(xiàn)明顯的分化,此時(shí)煤樣進(jìn)入快速升溫階段。在90～140 ℃范圍內(nèi)時(shí),CO2產(chǎn)生量增長速率較為緩慢,當(dāng)溫度上升到150 ℃時(shí),CO2產(chǎn)生量開始迅速上升,直至200 ℃時(shí)達(dá)到最大值,弱酸性條件下浸水風(fēng)干煤樣產(chǎn)生的CO2量達(dá)到144 333×10-6。在不同溫度階段,弱酸性條件下浸水風(fēng)干煤樣的CO2產(chǎn)生量均處在所有煤樣中的最大值,不同預(yù)處理?xiàng)l件下煤樣的CO2產(chǎn)生量順序依次為：酸性浸水煤樣風(fēng)干24 h>浸水煤樣風(fēng)干24 h>預(yù)氧化70 ℃>預(yù)氧化55 ℃>預(yù)氧化40 ℃>原煤,與CO產(chǎn)生量順序一致。

圖5 不同預(yù)處理煤樣CO2產(chǎn)生量Fig.5 CO2 production of different pretreated coal samples

3.4 不同預(yù)處理煤樣CH4產(chǎn)生量

由圖6可知,在經(jīng)過不同預(yù)處理的煤樣和原煤,在相同程序升溫條件下,試驗(yàn)過程中產(chǎn)生的CH4變化相差較大。不同預(yù)處理?xiàng)l件下的煤樣在煤氧化自燃過程中產(chǎn)生的CH4氣體量都較原煤有明顯的增加,并且在整個(gè)試驗(yàn)過程中呈現(xiàn)上升趨勢(shì),其中弱酸性浸水風(fēng)干條件下的煤樣在整個(gè)過程中CH4的產(chǎn)生量都處在最大值,浸水風(fēng)干的煤樣次之。不同預(yù)處理?xiàng)l件下煤樣的CO2產(chǎn)生量順序依次為：酸性浸水煤樣風(fēng)干24 h>浸水煤樣風(fēng)干24 h>預(yù)氧化70 ℃>預(yù)氧化55 ℃>預(yù)氧化40 ℃>原煤,與CO產(chǎn)生量順序一致。

綜合不同預(yù)處理?xiàng)l件下的煤樣與原煤的程序升溫試驗(yàn)所測(cè)得的試驗(yàn)數(shù)據(jù)可知,不同煤樣的O2消耗量相差較大,不同煤樣在相同溫度條件下O2的消耗量越小說明該煤樣越容易發(fā)生氧化自燃;不同煤樣CO與CO2的產(chǎn)生量變化趨勢(shì)類似,在低溫階段,不同煤樣的CO、CO2產(chǎn)生量均較小且相差不大,當(dāng)溫度進(jìn)入90 ℃后,煤樣進(jìn)入快速升溫階段,CO、CO2的產(chǎn)生量開始快速上升。CO與CO2氣體是煤樣在氧化后的產(chǎn)物,CO、CO2的產(chǎn)生量越大,表明煤樣越容易發(fā)生氧化自燃。CH4氣體在整個(gè)試驗(yàn)過程中氣體產(chǎn)生量變化較明顯,且不斷增加,CH4氣體的產(chǎn)生量越大說明煤體發(fā)生氧化自燃的危險(xiǎn)性越大。

圖6 不同預(yù)處理煤樣CH4產(chǎn)生量Fig.6 CH4 production of different pretreated coal samples

由以上試驗(yàn)結(jié)果可知,所有煤樣發(fā)生氧化自燃的難易程度順序?yàn)椋核嵝越簶语L(fēng)干24 h>浸水煤樣風(fēng)干24 h>預(yù)氧化70 ℃>預(yù)氧化55 ℃>預(yù)氧化40 ℃>原煤。因此,在深井酸性浸水煤層在高地溫的條件下發(fā)生氧化自燃的危險(xiǎn)性很大,需要采取措施進(jìn)行控制。

4 結(jié)論

(1)不同預(yù)處理?xiàng)l件下煤樣的耗氧量大小順序?yàn)椋核嵝越簶语L(fēng)干24 h<浸水煤樣風(fēng)干24 h<預(yù)氧化70 ℃<預(yù)氧化55 ℃<預(yù)氧化40 ℃<原煤,說明酸性浸水煤層的耗氧量越小,在氧濃度低時(shí)煤炭就越容易發(fā)生氧化自燃。

(2)不同預(yù)處理?xiàng)l件下煤樣的CO、CO2產(chǎn)生量大小順序均為：酸性浸水煤樣風(fēng)干24 h>浸水煤樣風(fēng)干24 h>預(yù)氧化70 ℃>預(yù)氧化55 ℃>預(yù)氧化40 ℃>原煤,表明在酸性條件下浸水風(fēng)干的煤樣自然發(fā)火的危險(xiǎn)性更大,浸水風(fēng)干煤樣次之,原煤樣自然發(fā)火危險(xiǎn)性最低。

(3)不同預(yù)處理?xiàng)l件下煤樣的CH4產(chǎn)生量大小順序?yàn)椋核嵝越簶语L(fēng)干24 h>浸水煤樣風(fēng)干24 h>預(yù)氧化70 ℃>預(yù)氧化55 ℃>預(yù)氧化40 ℃>原煤。

(4)結(jié)合理論分析及程序升溫試驗(yàn)結(jié)果可知,當(dāng)煤體處于高地溫、弱酸性浸水風(fēng)干條件下發(fā)生煤體氧化自燃的危險(xiǎn)性最大。