煤氧化過程中氣體變化計量檢測研究

王淑杰（黃驊市質量技術監督局， 河北 黃驊 061100）

煤氧化過程中氣體變化計量檢測研究

王淑杰（黃驊市質量技術監督局， 河北 黃驊 061100）

為掌握煤氧化動力學特性，采集大柳塔活雞兔井12煤層煤樣，在實驗室進行了煤升溫氧化產生氣體成分及濃度的檢測實驗，主要測定了不同粒徑的煤在氧化過程中氣體變化情況。根據實驗結果，結合理論分析得出煤升溫氧化生成的氣體變化規律。為確定煤自然發火標志氣體提供了真實可靠的數據基礎，提高了煤自然發火預測預報系統的可靠性，豐富了煤礦安全生產檢測檢驗標準體系。

升溫氧化；檢測；氣體變化；標志氣體；標準體系

煤礦安全是我國安全生產工作中的一大重要組成部分，煤自燃是礦井火災的主要形式。據統計，在我國的國有重點煤礦中，56%以上的礦井存在自然發火危險性，由煤自燃引起的火災占礦井火災總數的90% 以上［1］。火災領域計量檢測已成為煤礦環境安全生產檢測檢驗標準中的一個重要子系統。

煤自燃是煤氧復合作用的結果，且在煤與氧氣發生復雜的物理化學反應的同時，還伴隨有氣體的生成［2］。本實驗是在程序升溫箱中，對不同粒度的煤樣分別進行加熱升溫，檢測其在不同溫度情況下的耗氧特性、CO、CO2、C2H2、C2H4、C2H6等氣體產生量等自燃特性參數，科學分析其變化規律，全面掌握煤氧化動力特性，完善礦井防滅火技術體系，指導煤礦安全生產。

1 程序升溫系統

煤樣裝入一直徑10cm、長25cm的鋼管中，煤量lkg。鋼管上下兩端均留有2cm左右自由空間，用以保證管內通氣均勻，管內采用100目銅絲網托住煤樣。把裝好煤樣的鋼管放在程序升溫箱內進行加熱，升溫箱經可控硅控制溫度的變化。由SPB-3全自動空氣泵提供氣體，經三通流量控制閥和浮子流量計，進入控溫箱內盤旋2m長的銅管預熱，流經煤樣。煤樣試管中產生的氣體排入空氣中，由針管取氣，經進行氣相色譜儀進行氣體分析。

2 實驗條件

采集大柳塔活雞兔井12煤層煤樣，在空氣環境中經破碎機破碎，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。升溫箱初始溫度設置成與煤樣的初始溫度相同，升溫速度設為0.3℃/min，空氣流量設為120ml/min，煤樣每升高10℃進行取氣分析。

3 實驗結果及分析

（1）CO濃度變化檢測分析 在實驗初始階段煤樣中檢測到含有少量的CO，這表明大柳塔煤礦活雞兔井12煤層煤樣低溫氧化現象嚴重，在較低的溫度下即可氧化產生一定濃度的CO，且CO濃度隨變化趨勢不是特別明顯。但當煤溫達到65℃時，CO濃度增長趨勢開始較明顯的表現出來，且隨著溫度的逐漸上升，這種增長趨勢更加明顯。說明溫度越高，其進行的氧化反應更為激烈。在氧化升溫實驗過程中，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濃度變化檢測分析 煤樣在80℃左右時開始生成極少量C2H6，且濃度不超過5ppm。隨著溫度的升高生成量雖有增加，但在整個實驗過程中，C2H6未超過50ppm。C2H4則表現為化學性質不穩定。

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

（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重要表現形式。

煤自燃臨界溫度是指常溫下煤溫逐漸升高過程中，首次使煤氧復合反應自動加速對應的溫度點。

干裂溫度宏觀上體現為CO濃度出現第二次突增現象。

經試驗數據分析，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）實驗結論 根據不同粒徑下煤自燃氧化升溫實驗，可以得出以下結論：①大柳塔煤礦活雞兔井12煤層煤樣中低溫氧化現象嚴重，在較低的溫度下即可氧化產生CO。②實驗數據顯示CO產生速率與溫度呈指數規律迅速增加，且易于檢測，可把CO作為預測大柳塔礦活雞兔井12煤層煤自然發火的標志氣體；在程序升溫實驗過程中生成的C2H6氣體濃度很低、易受風流等其他因素干擾影響，不能作為煤自燃預測預報性指標氣體。③粒度對耗氧速度的影響在物理吸附階段表現不明顯；而在化學吸附階段的影響就較為明顯。不同粒度煤樣，其CO產生率和耗氧速度均不相同，且與溫度成指數關系。在相同的漏風供氧條件下，煤樣的粒度越小，其比表面積相對越大，反應強度越激烈，耗氧速率、CO產生率也變大，化學吸附生成的熱量就越多，據此認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 結語

程序升溫實驗作為一種對煤氧化升溫所產生氣體的組分及濃度的檢測方法，得到的檢測結果比較真實的解釋礦井煤自燃的反應機理，因此能較好的用于完善礦井火災預測預報系統，同時也使我國的煤礦安全生產檢測檢驗體系更加的具有科學性、合理性、適用性，對完善我國煤礦安全生產檢測檢驗標準體系工作也有一定的重要意義。

［1］秦波濤，王德明.礦井防滅火技術現狀及研究進展［J］.中國安全科學學報，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系統的煤自燃特性研究［J］.煤炭科學技術，2010，38（8）:85-88.