高地溫礦井煤自燃特性及極限參數(shù)試驗(yàn)研究

李國(guó)芳 牛紅杰 王冬冬

（山東新巨龍能源有限責(zé)任公司，山東 菏澤 274918）

煤自燃火災(zāi)一直是困擾我國(guó)煤炭開(kāi)采的主要災(zāi)害之一[1]。它不僅會(huì)燒毀和凍結(jié)資源，甚至導(dǎo)致次生災(zāi)害造成嚴(yán)重的財(cái)產(chǎn)和人員傷亡[2,3]。在我國(guó)的煤炭資源開(kāi)發(fā)以及利用的整個(gè)過(guò)程中，開(kāi)采深度超過(guò)800m已有200多處，超過(guò)1000m已有47處，僅山東省就占21處[4]。深井開(kāi)采由于地溫高，煤自燃起始溫度高，發(fā)火期短。圍巖溫度升高改變了煤體蓄熱條件，煤氧化放熱性增強(qiáng)，其中向采空區(qū)漏風(fēng)現(xiàn)象的加重，是由于煤體、工作面風(fēng)流這兩者產(chǎn)生的熱風(fēng)壓引起，由此帶來(lái)了較大的危險(xiǎn)性[5]。本文以山東省巨野礦區(qū)3煤層煤樣為研究對(duì)象，采用大型煤自然發(fā)火試驗(yàn)測(cè)試煤從30℃自燃氧化升溫到170℃過(guò)程，測(cè)定煤自燃過(guò)程以及指標(biāo)氣體變化規(guī)律。通過(guò)計(jì)算得到高地溫環(huán)境中煤自燃特性和自燃極限參數(shù)，為采空區(qū)自然發(fā)火防治提供了指導(dǎo)依據(jù)。

1 試驗(yàn)條件及裝置

1.1 試驗(yàn)裝置

采用新型煤自然發(fā)火試驗(yàn)裝置研究高地溫礦井煤樣自燃過(guò)程特征及指標(biāo)性氣體變化規(guī)律。試驗(yàn)裝置如圖1所示。

1.2 試驗(yàn)過(guò)程

試驗(yàn)使用的煤樣為塊煤，2t，使用破碎機(jī)破碎后裝入試驗(yàn)裝置，煤樣工業(yè)分析如表1所示。煤自然發(fā)火期為煤樣從原始地溫升高至發(fā)火溫度所需實(shí)際時(shí)間。試驗(yàn)中，爐內(nèi)煤體最高溫度從試驗(yàn)開(kāi)始29.7℃升至167.9℃，歷時(shí)69d，除去因停電、降溫、維護(hù)等客觀因素而造成煤自然發(fā)火試驗(yàn)時(shí)間延長(zhǎng)，按原始地溫為37.82℃計(jì)算，得出煤樣自然發(fā)火期為46d。

圖1 煤自然發(fā)火試驗(yàn)裝置

表1 煤樣工業(yè)分析及真密度

2 煤自燃過(guò)程及自然發(fā)火期

煤樣在自然發(fā)火試驗(yàn)過(guò)程中煤樣溫度與時(shí)間之間的關(guān)系如圖2所示。

圖2 煤樣溫度與時(shí)間之間的關(guān)系

由此可以得到，在初期階段，煤樣氧化具有相對(duì)較慢的增速，當(dāng)達(dá)到42d以上的通風(fēng)時(shí)間，氧化升溫速率開(kāi)始明顯加快，對(duì)應(yīng)臨界溫度50℃～65℃。試驗(yàn)進(jìn)行48d之后，煤樣氧化升溫速率加快，對(duì)應(yīng)為干裂溫度105℃～115℃。進(jìn)行到50.6d時(shí)，煤氧化溫度對(duì)應(yīng)為活性溫度℃140～150℃。當(dāng)煤體溫度超過(guò)170℃之后，升溫速率急劇升高，在保持較好的通風(fēng)供氧條件下，煤氧化溫度急劇升高，一天左右即可超過(guò)350℃，超過(guò)燃點(diǎn)。

表2 不同地溫時(shí)煤自然發(fā)火期

煤樣自然發(fā)火期受到地溫的影響，由表2可得，通過(guò)試驗(yàn)得到在采空區(qū)環(huán)境的溫度為20℃時(shí)，煤樣發(fā)生自燃的最短自然發(fā)火期為59d，隨著地溫的升高，逐漸減小。當(dāng)?shù)販厣叩?2℃時(shí)，煤樣試驗(yàn)最短自然發(fā)火期減少為34d。地溫升高22℃，試驗(yàn)最短自然發(fā)火期減少了25d。因此，高地溫礦井煤自然發(fā)火期會(huì)顯著地縮短，增加了煤出現(xiàn)自燃火災(zāi)的危險(xiǎn)程度。

3 煤自燃指標(biāo)氣體

隨著煤溫升高以及氧化程度增加，反應(yīng)產(chǎn)生氣種類(lèi)和產(chǎn)生量會(huì)出現(xiàn)顯著變化。因此，確定合適煤自燃特征參數(shù)對(duì)預(yù)測(cè)煤自燃程度、對(duì)煤自燃預(yù)警與防治意義重大。針對(duì)新巨龍公司煤樣選取CO、C2H6、C2H4等分析，進(jìn)一步確定合適的煤自燃預(yù)報(bào)指標(biāo)氣體。

3.1 單一指標(biāo)氣體選擇

CO濃度在低溫階段（20℃～80℃）隨煤氧化溫度升高變化規(guī)律如圖3，煤自燃全過(guò)程中產(chǎn)生氣體濃度和供風(fēng)量與溫度關(guān)系如圖4，C2H4和C2H6產(chǎn)生量與溫度的關(guān)系如圖5。

圖3可以得出，在低溫階段，CO氣體濃度隨溫度的增加而不斷增加。隨著煤溫升高，CO氣體逐漸增加，超過(guò)煤自燃臨界溫度之后，CO氣體產(chǎn)量增長(zhǎng)速度明顯加快。溫度超過(guò)110℃以后，CO增長(zhǎng)率突然降低，增大供風(fēng)量稀釋了CO氣體。由圖4可以看出，在煤的氧化過(guò)程低溫階段，CO2氣體產(chǎn)生量較大，隨著煤的氧化溫度的升高呈先下降后升高的趨勢(shì)，在煤的氧化溫度為56.5℃時(shí)達(dá)到最小值。說(shuō)明煤在低溫階段氧化過(guò)程中產(chǎn)生的CO2主要是煤中原有的CO2脫附。

由圖5可知，煤樣在試驗(yàn)的初始階段未產(chǎn)生C2H4，C2H4在煤樣溫度超過(guò)80℃后產(chǎn)生，據(jù)此可判斷C2H4是煤裂解產(chǎn)生的氣體。在試驗(yàn)的初始階段就出現(xiàn)了C2H6，可判斷為煤解吸脫附產(chǎn)生的，在超過(guò)裂解溫度后，裂解產(chǎn)生的C2H6大幅增加。

圖3 低溫階段（20℃～80℃）CO的濃度

圖4 氣體濃度和供風(fēng)量與溫度的關(guān)系

圖5 C2H4和C2H6產(chǎn)生量與溫度的關(guān)系

3.2 氣體比值

（1）CO2/CO

CO2和CO氣體的比值可以用來(lái)排除風(fēng)流變化對(duì)煤自燃產(chǎn)生氣體的影響，能夠更準(zhǔn)確地反應(yīng)煤自燃的程度。在50℃之前，CO2與CO的比值隨煤溫升高呈現(xiàn)先上升后下降的趨勢(shì)，在煤溫達(dá)到50℃左右時(shí)比值最大，隨后呈下降趨勢(shì)，煤氧化溫度超過(guò)100℃之后CO2/CO的比值趨于穩(wěn)定。

3.3 烯烷比

烯烷比是判定煤自燃程度的重要依據(jù)之一，其比值與溫度的關(guān)系如圖7。單一指標(biāo)氣體受井下環(huán)境因素影響不能準(zhǔn)確判斷井下自然發(fā)火情況，烯烷比配合其他指標(biāo)氣體能夠準(zhǔn)確預(yù)測(cè)煤自燃發(fā)展程度。烯烷比隨煤的氧化溫度升高總體呈現(xiàn)先上升后下降的趨勢(shì)，烯烷比在120℃左右達(dá)到最大值。

圖6 CO2/CO比值與溫度之間的關(guān)系

圖7 C2H4/C2H6比值與溫度的關(guān)系

4 煤自燃極限參數(shù)

煤自燃極限參數(shù)主要指的是使其實(shí)現(xiàn)自燃的外界極限條件，具體分為極限氧濃度、下限漏風(fēng)強(qiáng)度以及最小浮煤厚度。松散煤體自燃發(fā)生的可能有：氧濃度的下限值同環(huán)境相比較較大，同上限漏風(fēng)強(qiáng)度相比較小以及最小煤體厚度小于松散煤體厚度[5]。

式中：

Cmin-松散煤體的下限氧濃度，%；

C1-空氣中的氧濃度，%；

Qmax-松散煤體的上限漏風(fēng)強(qiáng)度，cm/s；

λe- 松散煤體的等效導(dǎo)熱系數(shù)，J/(cm·s·K)；

hmin-松散煤體的最小浮煤厚度，cm；

q-煤體溫度為T(mén)時(shí)的放熱強(qiáng)度，J/(cm3·s)；

T-煤體溫度，℃；

Ty-煤體圍巖體溫度，℃；

Tg-風(fēng)流溫度，℃；

h-松散煤體的煤厚，cm；

Q-漏風(fēng)強(qiáng)度，cm/s；

Cg- 空氣比熱容，J/(kg·K)；

ρg-空氣的密度，kg/m3。

根據(jù)公式（1）到（3）計(jì)算得出，同條件下煤樣的自燃極限參數(shù)呈如下變化規(guī)律：

（1）煤樣的極限參數(shù)中最小浮煤厚度和下限氧濃度隨著煤樣溫度的升高，數(shù)值體現(xiàn)為先上升后下降的變化趨勢(shì)，在達(dá)到最大值后迅速減少。

（2）上限漏風(fēng)強(qiáng)度同煤溫之間具有一定關(guān)系，溫度的不斷升高，會(huì)使上限漏風(fēng)強(qiáng)度先下降后上升；當(dāng)煤的氧化溫度高于100℃以后，上限漏風(fēng)強(qiáng)度迅速上升。煤自燃極限參數(shù)在50℃～60℃達(dá)到極值。

（3）煤樣的臨界溫度與煤自燃極值點(diǎn)溫度基本上相似。根本的原因就是煤溫升高的過(guò)程中，同環(huán)境溫度的差值就會(huì)增大，因此需要大量的散熱；處于臨界點(diǎn)之前的氧化放熱具有相對(duì)較小的增加幅度，對(duì)氧化放熱量、散熱量的增長(zhǎng)率兩者相比較，前者相對(duì)較小，達(dá)到臨界點(diǎn)時(shí)，氧化速率就會(huì)出現(xiàn)明顯的增加，同時(shí)帶來(lái)其放熱量的上升，帶來(lái)增長(zhǎng)率的翻轉(zhuǎn)。

（4）煤的極限參數(shù)極值點(diǎn)的溫度同煤化程度具有正相關(guān)關(guān)系，根本原因就是氧化程度的不斷升高，帶來(lái)臨界點(diǎn)溫度的增加，相反處于低溫環(huán)境下，氧化性也就相應(yīng)的比較低。

5 結(jié)論

（1）采用煤自然發(fā)火試驗(yàn)研究得到高地溫環(huán)境煤自燃特性，得到隨著地溫的升高煤的上限漏風(fēng)強(qiáng)度自然發(fā)火期顯著縮短，在地溫為42℃時(shí)，煤自然發(fā)火期相比地溫為20℃時(shí)，煤樣上限漏風(fēng)強(qiáng)度自然發(fā)火期減少25d。

（2）利用煤自然發(fā)火試驗(yàn)裝置得出煤自燃指標(biāo)氣體（CO、C2H4、C2H4/C2H6）及其對(duì)應(yīng)特征溫度，測(cè)定了煤自燃特征參數(shù)，為煤自燃火災(zāi)的監(jiān)測(cè)預(yù)警提供依據(jù)。

（3）煤的下限氧濃度及最小浮煤厚度隨著煤溫升高，呈現(xiàn)先上升后下降的趨勢(shì)；煤的上限漏風(fēng)強(qiáng)度隨著煤溫升高，表現(xiàn)為先下降后上升的趨勢(shì)，煤的自燃極限參數(shù)的極值出現(xiàn)溫度與煤的臨界溫度相近。