高瓦斯易自燃煤層安全技術研究

王麗敏，宋 欣，林大力

（1.黑龍江工業學院，黑龍江 雞西 158100；2.雞西榮華礦，黑龍江 雞西 158100）

高瓦斯易自燃煤層安全技術研究

王麗敏1，宋 欣1，林大力2

（1.黑龍江工業學院，黑龍江 雞西 158100；2.雞西榮華礦，黑龍江 雞西 158100）

針對雞西礦區低透氣性高瓦斯易自燃煤層安全開采的實際情況，并在綜合分析影響安全開采的瓦斯和煤自燃因素基礎上，應用熱重和紅外光譜分析技術，對礦區煤分子結構進行分析，并在實驗的基礎上建立煤的分子結構模型，并采用實驗的方法研究煤在自燃氧化過程中不同溫度下煤的化學鍵和官能團的變化規律，從而得出煤炭的自燃機理理論.然而在煤炭自燃過程中生成的指標氣體研究方面，應用傅利葉變換紅外光譜儀實驗研究煤在氧化自燃過程中不同溫度下產生的指標氣體.并給出煤在氧化自燃過程不同溫度下對應的指標氣體濃度值.為了防止因煤的自燃火災引起瓦斯爆炸事故的發生，本研究提出一種有效的瓦斯治理技術和防止礦井自燃火災發生的綜合防治技術.

雞西礦區；高瓦斯易自燃煤層；安全開采；防治技術

20世紀90年代以來，機械化采煤技術作為一種高產、高效的一項重要技術，它以機械化為主，大大減少了人力活動，從而得到了廣泛推廣.但是，這種開采方式中安全問題也逐漸增多.根據相關資料結果顯示：我國現有的煤礦，有50%煤礦是有自燃的危險的.在煤礦開采過程中自燃和治理高瓦斯的安全就是矛盾的，如何解決高瓦斯、易自燃的煤層所采取綜合措施，已成為煤礦安全開采的的重點.

1 雞西礦區工作面概況

雞西礦區位于黑龍江省東南部，地跨雞西、林口、穆林、雞東和密山等到市縣.東西長135公里，南北寬25公里，面積3375平方公里.區仙交通方便，鐵路有濱密線和牡東線，并與各礦專用線相連.公路可通礦區周圍各鄰近市.礦井主要以機械抽出式為主也就是通過中央并列式進行通風.采用主立井、副立井、排矸斜井兼安全出口進風方式，并采用局部通風機作為通風系統.礦井一采區工作面總長為180m.

城子河組與穆棱組為雞西礦區含煤地層.城子河組煤層發育較好，共含煤7-40余層，可采3-17層，可采總厚1076米.煤層由西往東層數逐漸增多.穆棱組含煤10-17層，可采2-7層，厚386米，由西往東層數逐漸減少.煤類以焦煤、氣煤為主.在工作面開采過程中煤層和中的黃鐵礦垮落入采空區后，黃鐵礦就可以在低溫的時候發生氧化，這是因為黃鐵礦進行的化學反應時放熱的反應，同時他的激烈的氧化溫度也低于煤礦的激烈氧化溫度.又因為反應放出的熱量很大，促進和誘發了煤的氧化進而自燃，在采空區氧化帶內煤層很容易自燃.

2 雞西礦區煤分子結構分析

2.1 熱重分析技術

熱重(TG)技術是指煤礦在溫度一定情況下，是一種對煤礦的質量和溫度的關系的技術測定方法.在煤的燃燒過程中充分運用熱重(TG)技術，對于煤在燃燒過程中的質量變化進行跟蹤，進而我們可以得到其微分曲線DTG和TG曲線，用來評價煤在固定床、流化床等燃燒裝置中的特性，通過失重最大時的溫度(峰溫)對煤的燃燒活性進行劃分等級也是這個技術的一大功能.

預測煤的燃燒性能，對煤礦的燃燒條件優化，進而確定煤在不同床型中需要的燃燒條件是TG/DTG技術的運用.TG/DTG裝置能夠對煤的燃燒進行考察，對煤在燃燒過程中的催化作用進行研究，最后可以給出對催化劑的評價.

圖1 氫化熱轉化率之間的關系

在溫度一定時，通過測量物質與物質的功率差與溫度之間關系的一種技術就是差示掃描量熱法(DSC).這種技術，能夠顯示煤在加熱過程中熱量的變化，從而直接測量出煤在燃燒過程中的熱效應.

煤氫化過程中所釋放出的熱量是DSC技術能夠測定的，我們進而可以預測出煤在供氫溶劑(四氫萘)中的特性，它釋放的熱量和轉化率成正比關系.可以將氫化熱用Q(以煤起始質量為基準，J/g)表示.

2.2 紅外、質譜聯用和熱分析

對于煤在熱解、氣化以及燃燒等情況中逸出的組織成分進行檢測只是采用簡單的的熱重分析法無法檢測的，也同時給探討反應機理和煤的熱反應進程等研究帶來困難.為了解決以上產生的問題，通過將熱分析儀與其它的檢測技術或設備一起應用，將TG與紅外(FTIR)以及質譜(MS)的聯用是在當前應用最多的.我曾研究過采用TG-MS對煤熱解行為的影響，并獲得了如圖2所示曲線.

圖2 TG/MS研究煤的熱解行為

研究出煤中的含氧官能團在熱分解過程主要產生三種氣體，需要利用紅外和熱重技術測定煤中氧的含量，對計算公式進行積分來獲得煤中氧含量是根據逸出曲線得出的，方便、快捷是這種方式的特點，但是這種方法在測定煤中硫含量時會產生誤差.

2.3 煤的分子結構模型

芳香核是煤分子結構的核心，整個分子中存在很多相似的結構，同時也有差異，煤分子結構中主要通過橋鍵連接，且其分子結構內部還有一些低分子化合物.

根據煤的化學成分，煤中氧基團的含量會隨著煤化程度增加而降低，煤化過程中甲氧基最早消失；其次是羧基，由于它的存在，使得褐煤有著一些固有特性；而羥基和羰基(包括醌基)在煤的整個過程中都存在；而醚鍵和雜環上的氧存在于整個成煤過程.

通過對煤層的分析得出，煤的有機結構主體主要是由縮合芳環結構為基本單元，以次是以甲基、次乙基和醚鍵等鏈接而成的一種立體網狀的體型高聚物結構.煤分子中的芳香結構、環烷烴和雜環類化學性質是比較穩定，在常溫下發生氧化反應的可能性很小，在煤的氧化過程中，煤分子中的一些非芳香側鏈和橋鍵與氧氣發生氧化了還原反應.另外，與側鏈(含氧官能團的側鏈除外)相比，橋鍵受到芳環的影響更大，更容易與氧發生反應放出熱量.此外，在常溫常壓下，煤表面的一些活性基團就能自發的與氧氣發生反應.

圖3 煤的分子結構模型

煤自燃發生在煤堆體積一定時，它的中心可以被認為是絕熱.由于煤的吸附能力是0-10倍，因此產生的煤的吸附，從而延緩了氧化速度；另一方面，由于對氧的吸附氧化的存在，總是隨著溫度的升高，緩慢解吸溫度增加，同時溫度上升，但也加速了反應.由于矛盾勢均力敵，使自燃是奄奄一息的狀態.這段時間保持相當長，是低溫氧化階段的主要成分.

在矛盾的主要方面，在影響響應速度的時候溫度上升起到主導作用，溫度上升更快.較大的體積密度，由于溫度和光照就變輕了，它彌漫于粒間孔隙，與煤表面若即若離，有一些開始借熱浮力作用，從上部逸出.將含有逃離上限溫度在60-70℃(亦說70-80℃)的有20%混合氣體.

3 煤炭自燃過程中生成的指標氣體

3.1 煤的紅外光譜

煤中各種有機物質可以選擇性地吸收特定波長的紅外線，并隨著煤化程度的加劇，煤結構的官能團將發生相應的變化，煤的紅外光譜是分子結構的一種反映，振動光譜吸收峰對應的分子表征和每個組.

因此，通過對紅外光譜圖上吸收帶進行分析，從中分析煤中一些化學結構及其變化.

整個紅外光譜范圍可以分為4000-1300cm(官能團區)與1300-600cm(指紋區)2個區域. 4000-1300cm這個區域的峰主要是因為伸縮振動而產生的，而1300-600cm區域的峰不僅有單鍵的伸縮振動，還有因為變形振動而產生的復雜光譜一些鍵.

3.2 傅立葉紅外光譜法

利用傅立葉紅外光譜法能夠對礦區的煤樣進行研究，從而得到煤的紅外譜圖，通過相關實驗我們可以知道：隨著煤中煤階的增加，羥基呈遞減的趨勢.且煤中的-OH主要存在端基和側鏈中；同時，羥基譜帶的位置也由原來的3200cm移至3410cm，這表明羥基是以多聚的締合結構形式存在（煤中存在大量氫鍵）.

用傅里葉變換紅外光譜法可以得到煤的其他參數.孫慶磊等人利用紅外技術和原料煤在室溫下鏡質組和殼質組的樣品進行了研究，結果表明：煤的透射紅外譜圖、漫反射紅外譜圖稍有差別，紅外透射在2000厘米一下的分辨率更好，而鏡質組脂肪C-H鍵和芳香C-H分辨率較差.

3.3 煤炭自燃特性實驗

為了對煤的自燃研究有更好效果，作者設計了一種簡單的模擬裝置模擬煤自燃，并測試了雞西煤炭.

如圖4所示，為本次實驗的實驗裝置，這個實驗裝置中有供氣系統、程序升溫系統和氣樣分析系統三個部分組成.

圖4 煤自燃實驗裝置

本次實驗中，我們主要測定了雞西礦區煤在不同溫度下CO、CO2、O2、C2H6、C2H4的濃度，根據實驗結果我們可以選出預測煤自燃氣體.

煤在自然過程中所產生的氣體種類及其煤自然的溫度會隨著煤質的不同而不同，因此，煤自燃時對生產的氣體指標進行分析時，氣體應該具備以下特點：

（1）氣體易于檢測（檢測性好）.利用色譜分析儀能夠方便的檢測出指標氣體.

（2）氣體的敏感性較好（檢測性高）.當煤自然過程中，指標氣體在自然過程中一定會出現，并且隨著煤溫的升高指標氣體產量越多.

（3）指標氣體有較強的規律性（規律性）.指標氣體的濃度與煤溫之間應有良好的關系.

通過本次實驗結果顯示，雞西礦區各煤樣在氧化過程中都有規律地出現、、三種氣體，且雞西礦區煤層試樣CO、C2H6、C2H4氣體含量與煤溫關系如圖所示.

由圖5可以看出，CO、C2H4的生成量隨著煤自然溫度的升高而增多.而在煤自然110-120℃時出現，由此可以說明此時煤自然過程中發生了較強的化學反應.在30℃時就存在，而溫度在190-200℃時達到最大.因此，雞西礦區可采作為煤炭自燃的主要指標氣體，而將作為輔助指標氣體，而不能作為指標氣體.

圖5 三種氣體含量和煤溫度的關系

5 結束語

進行高瓦斯易自燃煤層回收礦井殘采工作面通風安全保障技術的應用之后，能夠有效提高礦井采區的安全性，并有利于創造好的經濟和社會收益.通過對工作面采空區進行觀測，并利用力學等相關理論，結合瓦斯轉移特性等相關因素（氧濃度、瓦斯濃度、滲透系數、壓力分布等）進行擬合，能夠有效做好通風安全保障措施，從而有利于礦產的生產.

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1673-260X（2014）03-0123-03