煤氧化過(guò)程中氣體變化計(jì)量檢測(cè)研究

王淑杰（黃驊市質(zhì)量技術(shù)監(jiān)督局， 河北 黃驊 061100）

煤氧化過(guò)程中氣體變化計(jì)量檢測(cè)研究

王淑杰（黃驊市質(zhì)量技術(shù)監(jiān)督局， 河北 黃驊 061100）

為掌握煤氧化動(dòng)力學(xué)特性，采集大柳塔活雞兔井12煤層煤樣，在實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行了煤升溫氧化產(chǎn)生氣體成分及濃度的檢測(cè)實(shí)驗(yàn)，主要測(cè)定了不同粒徑的煤在氧化過(guò)程中氣體變化情況。根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果，結(jié)合理論分析得出煤升溫氧化生成的氣體變化規(guī)律。為確定煤自然發(fā)火標(biāo)志氣體提供了真實(shí)可靠的數(shù)據(jù)基礎(chǔ)，提高了煤自然發(fā)火預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)系統(tǒng)的可靠性，豐富了煤礦安全生產(chǎn)檢測(cè)檢驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)體系。

升溫氧化；檢測(cè)；氣體變化；標(biāo)志氣體；標(biāo)準(zhǔn)體系

煤礦安全是我國(guó)安全生產(chǎn)工作中的一大重要組成部分，煤自燃是礦井火災(zāi)的主要形式。據(jù)統(tǒng)計(jì)，在我國(guó)的國(guó)有重點(diǎn)煤礦中，56%以上的礦井存在自然發(fā)火危險(xiǎn)性，由煤自燃引起的火災(zāi)占礦井火災(zāi)總數(shù)的90% 以上［1］。火災(zāi)領(lǐng)域計(jì)量檢測(cè)已成為煤礦環(huán)境安全生產(chǎn)檢測(cè)檢驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)中的一個(gè)重要子系統(tǒng)。

煤自燃是煤氧復(fù)合作用的結(jié)果，且在煤與氧氣發(fā)生復(fù)雜的物理化學(xué)反應(yīng)的同時(shí)，還伴隨有氣體的生成［2］。本實(shí)驗(yàn)是在程序升溫箱中，對(duì)不同粒度的煤樣分別進(jìn)行加熱升溫，檢測(cè)其在不同溫度情況下的耗氧特性、CO、CO2、C2H2、C2H4、C2H6等氣體產(chǎn)生量等自燃特性參數(shù)，科學(xué)分析其變化規(guī)律，全面掌握煤氧化動(dòng)力特性，完善礦井防滅火技術(shù)體系，指導(dǎo)煤礦安全生產(chǎn)。

1 程序升溫系統(tǒng)

煤樣裝入一直徑10cm、長(zhǎng)25cm的鋼管中，煤量lkg。鋼管上下兩端均留有2cm左右自由空間，用以保證管內(nèi)通氣均勻，管內(nèi)采用100目銅絲網(wǎng)托住煤樣。把裝好煤樣的鋼管放在程序升溫箱內(nèi)進(jìn)行加熱，升溫箱經(jīng)可控硅控制溫度的變化。由SPB-3全自動(dòng)空氣泵提供氣體，經(jīng)三通流量控制閥和浮子流量計(jì)，進(jìn)入控溫箱內(nèi)盤(pán)旋2m長(zhǎng)的銅管預(yù)熱，流經(jīng)煤樣。煤樣試管中產(chǎn)生的氣體排入空氣中，由針管取氣，經(jīng)進(jìn)行氣相色譜儀進(jìn)行氣體分析。

2 實(shí)驗(yàn)條件

采集大柳塔活雞兔井12煤層煤樣，在空氣環(huán)境中經(jīng)破碎機(jī)破碎，并篩選出0～0.9mm、0.9～3mm、3～5mm、5～7mm、7～10mm等5種不同粒徑的煤樣。升溫箱初始溫度設(shè)置成與煤樣的初始溫度相同，升溫速度設(shè)為0.3℃/min，空氣流量設(shè)為120ml/min，煤樣每升高10℃進(jìn)行取氣分析。

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析

（1）CO濃度變化檢測(cè)分析 在實(shí)驗(yàn)初始階段煤樣中檢測(cè)到含有少量的CO，這表明大柳塔煤礦活雞兔井12煤層煤樣低溫氧化現(xiàn)象嚴(yán)重，在較低的溫度下即可氧化產(chǎn)生一定濃度的CO，且CO濃度隨變化趨勢(shì)不是特別明顯。但當(dāng)煤溫達(dá)到65℃時(shí)，CO濃度增長(zhǎng)趨勢(shì)開(kāi)始較明顯的表現(xiàn)出來(lái)，且隨著溫度的逐漸上升，這種增長(zhǎng)趨勢(shì)更加明顯。說(shuō)明溫度越高，其進(jìn)行的氧化反應(yīng)更為激烈。在氧化升溫實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，不同粒度的煤樣，生成的CO濃度大小各不相同，煤樣粒度越小，生成的CO濃度越大。

（2）C2H4和C2H6濃度變化檢測(cè)分析 煤樣在80℃左右時(shí)開(kāi)始生成極少量C2H6，且濃度不超過(guò)5ppm。隨著溫度的升高生成量雖有增加，但在整個(gè)實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，C2H6未超過(guò)50ppm。C2H4則表現(xiàn)為化學(xué)性質(zhì)不穩(wěn)定。

（3）耗氧速率變化檢測(cè)分析 煤樣耗氧速度隨著煤溫的升高而增加，且在整體升溫過(guò)程中，煤樣的耗氧速度隨著粒徑的減小而逐漸增大，當(dāng)煤溫超過(guò)110～130℃之后，耗氧速度維持在較高的水平，并隨煤溫的繼續(xù)升高略成上升趨勢(shì)。

（4）臨界溫度和干裂溫度 臨界溫度和干裂溫度是煤自燃特征溫度中的兩個(gè)重要表現(xiàn)形式。

煤自燃臨界溫度是指常溫下煤溫逐漸升高過(guò)程中，首次使煤氧復(fù)合反應(yīng)自動(dòng)加速對(duì)應(yīng)的溫度點(diǎn)。

干裂溫度宏觀上體現(xiàn)為CO濃度出現(xiàn)第二次突增現(xiàn)象。

經(jīng)試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析，得出大柳塔活雞兔井12煤層煤樣的臨界溫度范圍70～80℃，煤干裂溫度范圍120～130℃。

（5）實(shí)驗(yàn)結(jié)論 根據(jù)不同粒徑下煤自燃氧化升溫實(shí)驗(yàn)，可以得出以下結(jié)論：①大柳塔煤礦活雞兔井12煤層煤樣中低溫氧化現(xiàn)象嚴(yán)重，在較低的溫度下即可氧化產(chǎn)生CO。②實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)顯示CO產(chǎn)生速率與溫度呈指數(shù)規(guī)律迅速增加，且易于檢測(cè)，可把CO作為預(yù)測(cè)大柳塔礦活雞兔井12煤層煤自然發(fā)火的標(biāo)志氣體；在程序升溫實(shí)驗(yàn)過(guò)程中生成的C2H6氣體濃度很低、易受風(fēng)流等其他因素干擾影響，不能作為煤自燃預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)性指標(biāo)氣體。③粒度對(duì)耗氧速度的影響在物理吸附階段表現(xiàn)不明顯；而在化學(xué)吸附階段的影響就較為明顯。不同粒度煤樣，其CO產(chǎn)生率和耗氧速度均不相同，且與溫度成指數(shù)關(guān)系。在相同的漏風(fēng)供氧條件下，煤樣的粒度越小，其比表面積相對(duì)越大，反應(yīng)強(qiáng)度越激烈，耗氧速率、CO產(chǎn)生率也變大，化學(xué)吸附生成的熱量就越多，據(jù)此認(rèn)為粒度為影響煤自燃的主要因素。④大柳塔活雞兔井12煤層煤樣臨界溫度70～80℃，干裂溫度為120～130℃。

4 結(jié)語(yǔ)

程序升溫實(shí)驗(yàn)作為一種對(duì)煤氧化升溫所產(chǎn)生氣體的組分及濃度的檢測(cè)方法，得到的檢測(cè)結(jié)果比較真實(shí)的解釋礦井煤自燃的反應(yīng)機(jī)理，因此能較好的用于完善礦井火災(zāi)預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)系統(tǒng)，同時(shí)也使我國(guó)的煤礦安全生產(chǎn)檢測(cè)檢驗(yàn)體系更加的具有科學(xué)性、合理性、適用性，對(duì)完善我國(guó)煤礦安全生產(chǎn)檢測(cè)檢驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)體系工作也有一定的重要意義。

［1］秦波濤，王德明.礦井防滅火技術(shù)現(xiàn)狀及研究進(jìn)展［J］.中國(guó)安全科學(xué)學(xué)報(bào)，2007，17（12）:80-85.

［2］張嬿妮，李士戎，羅振敏，等.基于油浴程序升溫試驗(yàn)系統(tǒng)的煤自燃特性研究［J］.煤炭科學(xué)技術(shù)，2010，38（8）:85-88.