煤破碎過程中CO產生量變化規律實驗研究

杜 楠

（山西凌志達煤業有限公司，山西 長治 046606）

1 實驗研究方案

CO是煤礦井下的有毒有害氣體，對井下煤炭開采與產生CO之間關系進行研究，可為合理通風提供理論依據。

本次實驗研究主要包括兩方面內容：一是分別在氮氣和空氣全封閉式煤樣粉碎測試裝置中將煤樣粉碎成不同粒徑的樣品，然后抽取測試裝置中的氣體進行定量分析；二是測定不同粒徑的煤樣的比表面積，分析煤樣比表面積與CO產生量之間的關系，結合氣相色譜儀定量分析數據，反演井下現場煤炭開采破碎過程當中，空氣同破碎煤體接觸之后，通過快速氧化作用引起CO產生量快速增大的變化情況。

2 氮氣環境下煤比表面積對CO產生量影響

實驗的主要目的是研究在氮氣、空氣環境下，CO生成量隨著采集的新鮮煤樣破碎過程的變化情況，煤樣的比表面積變化同CO產生量之間的關系。

2.1 實驗儀器

（1）煤科集團沈陽研究院有限公司研制的全封閉式煤樣粉碎測試裝置；

（2）美國Inficon公的MicroGC3000氣相色譜儀；

（3）北京金埃譜公司V-Sorb2800P型比面積/孔徑測量儀。

2.2 煤樣選取

采集凌志達礦15號煤新鮮大塊煤樣，用保鮮膜將其密封后送實驗室； 將全封閉式煤樣粉碎測試裝置中注滿氮氣，煤樣放入該裝置中，再通過安裝于其中的砂輪機，從煤樣中心位置截取正方體形狀的煤樣實驗品，并稱取其重量，選取煤樣25 g，隨后將實驗煤樣放入液氮中冷卻10 min，然后將煤樣從液氮中取出，放入全封閉式煤樣粉碎裝置中開始實驗。

2.3 實驗過程

首先，將加工好的實驗煤樣放入充滿氮氣的全封閉式煤樣粉碎裝置中放置5 min，然后采集裝置中的氣體，用氣相色譜儀對氣體進行定量測定，記錄CO的濃度，再啟動全封閉式煤樣粉碎裝置，并將粉碎時間設定為1 min。煤樣被粉碎1 min之后，裝置自動停止。采集裝置中的氣體，用氣相色譜儀對氣體進行定量測定，記錄CO的濃度。然后將粉碎后的煤樣取出，測量該煤樣的比表面積。而后把粉碎煤樣從器皿內倒出，并將器皿洗凈準備下一組煤樣實驗。

同樣，將煤樣粉碎時間分別設定為3 min、5 min和7 min，重復以上實驗操作步驟，并分別分析CO濃度及其實驗煤樣的比表面積。

此外在實驗時，在粉碎實驗煤樣大于7 min時，其比表面積增大幅度較小，此時實驗煤樣出現高溫發熱現象，對實驗數據的精確度影響較大，因此本次實驗將實驗煤樣的最大粉碎時間設定為7 min。

2.4 實驗數據

氮氣環境下煤樣粉碎前后比表面積及CO濃度數據變化見表1。

表1 氮氣環境下煤樣粉碎前后比表面積及CO濃度數據

對表1進行分析，粉碎實驗煤樣之前，其比表面積都為2.29×10-5m2/g附近，其CO濃度均為0；粉碎實驗煤樣之后，在1 min、3 min、5 min和7 min四種不同的粉碎時間之下，其比表面積的增幅約為8.5×103倍、8.6×104倍、1.26×105倍和1.33×105倍；CO濃度分別為2 ppm、3 ppm、3 ppm和3 ppm，其絕對增長量均不大。

3 有氧環境煤比表面積對CO產生量影響

實驗的主要目的是研究在空氣環境下，CO生成量隨著采集的新鮮煤樣破碎過程的變化情況，和此條件下煤樣的比表面積同CO產生量之間的變化關系。借此反演井下現場煤炭開采破碎過程當中，空氣同破碎煤體接觸之后，通過快速氧化作用引起CO產生量快速增大的變化情況。

2.1 實驗儀器

實驗儀器與氮氣環境下實驗儀器相同。

2.2 煤樣選取

煤樣選取與氮氣環境下煤樣選取相同。

2.3 實驗過程

實驗過程與氮氣環境下實驗過程相似，不同的是全封閉式煤樣粉碎裝置中充滿的氣體換為空氣，其余過程全部相同。

2.4 實驗數據

空氣環境下煤樣粉碎前后比表面積及CO濃度數據見表2。

表2 空氣環境下煤樣粉碎前后比表面積及CO濃度數據

對表2進行分析，粉碎實驗煤樣之前，其比表面積都為2.29×10-5m2/g附近，各組CO濃度分別為1 ppm、2 ppm、2 ppm、1 ppm和1 ppm；粉碎實驗煤樣之后，在1 min、3 min、5 min和7 min四種不同的粉碎時間之下，其比表面積的增幅約為8.6×103倍、8.7×104倍、1.34×105倍和1.36×105倍，并且其CO生成量也有大幅度地增加。

4 兩種氣體環境下實驗結果分析

圖1到圖3為氮氣和空氣兩個環境下煤樣粉碎時間、CO產生量、煤樣比表面積三者之間的關系。

圖1 煤樣粉碎時間與CO產生量曲線

圖2 煤樣粉碎時間與煤樣比表面積曲線

從圖1到圖3可以看出，在氮氣環境下粉碎實驗煤樣后，CO的生成量很小。其原因為此環境下的實驗煤樣在粉碎時沒有高溫產生，較低濃度的CO生成一定程度上是由于吸附于實驗煤樣的CO氣體在實驗煤體破碎時被釋放出來，抑或是由于吸附于實驗煤體的O2在實驗煤體破碎時同其某些官能團具有氧化反應而產生的。從圖3中可以看出，隨著煤樣比表面積的增加，盡管CO的產生量有一定量的增長，然而其總量保持在很低的水平。綜上所述，氮氣環境下，煤樣破碎后其比表面積的增大對CO濃度異常增大的作用是微乎其微的。

圖3 煤樣比表面積與CO產生量曲線

在空氣環境下，對比實驗煤樣粉碎前后CO產生量的情況，其CO濃度增幅均很大。實驗煤體的比表面積逐漸增大，其CO濃度也有隨之增大的規律。其原因為此環境下的實驗煤樣在粉碎時比表面積增大，同空氣中的氧氣接觸后發生快速氧化，其CO產生量也隨之大幅增加。綜上所述，空氣環境下，煤樣破碎后其比表面積的增大同CO濃度異常增大之間具有聯系。

5 實驗數據擬合

利用Matlab軟件對圖3中空氣環境下煤樣比表面積與CO產生量曲線進行擬合，得到了擬合公式和擬合曲線，見圖4。

圖4 空氣環境下煤樣比表面積與CO產生量擬合曲線

從圖4中可以看出，實驗煤樣比表面積同CO濃度之間的變化關系可以擬合為二次拋物線。并且在起始范圍內，煤的比表面積的增長速率大于CO產生量的增長速率，而后盡管實驗煤體破碎后的比表面積繼續增大，但其CO濃度增大幅度較小并保持在一定的穩定范圍內。

由此可以得出CO產生量與煤比表面積的推導公式：

式中：a、b、c均為非負常數；Y為CO濃度，ppm；X為煤樣比表面積，m2/g。

對于本次試驗煤樣，得出煤層CO產生量與煤比表面積的推導公式為：

其相關性系數R=0.980 3。通過公式（2）能夠對在井下現場開采時，開采后煤體的破碎程度引起CO濃度異常增大的影響程度進行預評估。

6 結語

1）在氮氣環境下，煤樣破碎后其比表面積的增大對CO濃度異常增大的作用是微乎其微的。

2）在空氣環境下，實驗煤樣在粉碎時比表面積增大，同空氣中的氧氣接觸后發生快速氧化，其CO產生量也隨之大幅增加。實驗煤樣比表面積同CO濃度之間的變化關系可以擬合為二次拋物線。

由于實驗條件所限，實驗過程中沒有測定煤樣在粉碎時溫度變化情況以及對CO產生量的影響，有待于今后進一步研究。