綜放工作面采空區浮煤升溫氧化產氣規律試驗研究

權春陽

(晉能控股 山西科學技術研究院有限公司(大同)技術中心，山西 大同 037003)

在礦井綜放工作面的開采過程中采空區遺留了大量的煤炭，由于井下漏風規律的復雜多變，對浮煤氧化產氣規律掌握不明確，導致預測預報系統不準確，極易造成浮煤氧化自燃發生火災，甚至引燃瓦斯煤塵爆炸，造成人員傷亡和經濟損失的重大安全事故[1].因此，掌握浮煤耗氧產氣規律及特性，對煤炭自燃火災進行早期預測預報，為煤礦安全生產提供了基礎保障。

近年來，國內外專家學者對煤炭氧化自燃氣體產物進行了大量研究，王福生等[2]通過分析煤氧化過程中的活性基團變化規律，進一步分析了氧化動力學綜合判定指數，通過評定煤自燃傾向性等級能夠詮釋煤整個自燃過程的氧化特性。張玉濤等[3]通過程序升溫氧化試驗和絕熱氧化試驗，提出用突變溫度作為指標評價煤自燃傾向性。王月紅等[4]采用控制變量法研究煤的變質程度、遺煤環境對耗氧速度的影響。但由于煤在燃燒過程中其耗氧產氣規律會受自身條件和外部環境影響[5]，上述幾種方法均未能準確得出綜放工作面采空區浮煤的產氣規律。因此，本文以馬道頭礦8404工作面為工程背景，通過將不同粒徑的煤樣在不同氧氣環境中進行程序升溫測試，得出浮煤氧化產物的變化規律，以此優選出煤自燃早期預測預警的指標氣體，保障煤礦安全生產。

1 工作面概況

馬道頭礦8404工作面位于北四盤區中部，四周均為實煤區，對應上部無采空區，煤層賦存3#、5#煤，為長焰煤，煤層賦存穩定，煤層硬度2，可采指數1，變異系數13.9%，自燃傾向性為容易自燃等級。該礦開拓方式為斜、立井混合開拓，通風方式為中央并列式，工作面為“U”型通風系統。

8404工作面采用單一走向長壁綜放開采方法，煤層厚度14.29～26.70 m，平均16.55 m，煤層結構復雜，傾角1°～12°，放煤高度為10.39～22.80 m，平均放煤高度為12.65 m，工作面走向長4 137～4 262 m.

2 煤升溫氧化過程中氣體產物規律及特性

2.1 實驗裝置

構建程序升溫實驗測試系統，主要由配氣系統、預熱氣路、程序控溫箱、傳熱煤樣罐和氣體采集及分析系統組成。實驗系統結構示意圖見圖1.配氣系統采用MF-4動態穩定配氣裝置，根據需要，通過調節空氣和氮氣的流量來配制具有不同氧濃度N2-O2預混氣體；預熱氣路可以向煤樣罐提供經過預熱的預混氣體，最大限度地降低混氣與煤樣間的對流換熱對實驗結果的影響；程序控溫箱在溫度控制系統的作用下能夠實現在某一溫度恒溫或者程序升溫；傳熱煤樣罐能夠使得煤樣溫度和程序控溫箱內的溫度保持一致的變化；氣體采集及分析系統可以即時采集煤氧化過程中的氣體產物，并實時檢測氣體產物的成分及濃度。

Ⅰ—配氣系統 Ⅱ—測試室(程序控溫箱、預熱氣路及煤樣罐) Ⅲ—氣體分析室 Ⅳ—控制面板

2.2 實驗方案

擬采用不同粒徑的煤樣在不同氧氣環境中進行程序升溫測試[6-7].程序升溫過程中，每隔10 ℃采集并檢測煤樣罐出氣口的氣體種類及濃度，分析CO、CO2、CH4、C2H4等氣體隨溫度的變化規律；基于不同氣體的初始產生溫度以及產生濃度隨溫度的變化規律，根據標志氣體的優選原則，優選出用于煤自燃災害早期預測預警的標志氣體。

程序升溫實驗的測試步驟為：

1)剝離煤樣的表層并取其中心部位進行破碎，篩分出所需要粒徑(5-6目、6-16目、16-40目)的煤樣。2)把篩分后的煤樣置于40 ℃的環境中，然后進行真空干燥48 h以去除外在的多余水分。3)取煤樣50 g，放入煤樣反應罐中，并在煤樣上方鋪設一薄層石棉以防止煤樣顆粒進入到管路堵塞氣管。4)依次連接好進出氣管路、熱電偶等，并檢查管路的氣密性。5)向煤樣中通入配制具有5%、10%、21%氧氣濃度的N2-O2混合氣體。將流量設定為40 mL/min，并以1.5 ℃/min的升溫速率進行升溫。6)每隔10 ℃采集一次煤樣反應罐出口的氣體，并檢測其中CO、CO2、CH4、C2H4等氣體的濃度。7)煤樣溫度達到200 ℃時停止實驗，當爐溫降到室溫后清理煤樣罐以備下次使用。

3 實驗測試結果

3.1 不同粒徑及氧濃度下交叉點溫度出現規律

對煤樣進行加熱升溫過程中，煤樣與爐體溫差逐漸縮小，最終在某一溫度下出現交叉點溫度[8]，見圖2，首先得到不同粒徑和不同氧濃度下煤樣的交叉點溫度。

圖2 不同粒徑/氧濃度下煤樣的交叉點溫度圖

由圖2a)可看出，煤樣粒徑越小，溫度越早達到爐溫即交叉點溫度越低，在粒徑為40～80目時，交叉點溫度最小為177.5 ℃，意味著煤自燃傾向性越高，煤自燃危險性越大。由圖2b)可知，氧濃度達到21%時，交叉點溫度為197.1 ℃.氧濃度越高，交叉點溫度越低，煤越容易發生自燃，溫度越容易達到爐溫。

3.2 不同粒徑及氧濃度下CO和CO2產生規律

煤自燃氣體產物包括兩部分：一部分由煤自身氧化產生的氣體產物，另一部分是成煤過程中吸附的氣體，在煤樣氧化升溫過程中，CO是出現最早的氧化氣體產物，CO2是煤吸附氣體的主要成份之一，所以研究CO和CO2的產生規律尤為重要。

圖3為煤樣在不同粒徑下CO和CO2氣體產生量與溫度的關系曲線圖。由圖3a)可看出，CO氣體產生量與溫度之間基本符合指數遞增關系，當溫度達到50 ℃時，CO開始產生，當溫度低于70 ℃時，CO的產生量極少，當溫度介于70 ℃～110 ℃時，CO產生速率開始緩慢增加，說明煤樣在逐漸氧化；當溫度高于110 ℃時，CO開始加速產生，氧化反應速率明顯增加。當溫度高于70 ℃時，CO的產生量便受煤樣粒徑的目數影響，在同一溫度下，煤樣目數越大，即顆粒越小，CO產生量越大。由圖3b)可看出，當溫度低于90 ℃時，CO2產生量緩慢增加，當溫度高于110 ℃時，CO2產生量開始加速產生，且當溫度高于80 ℃時，CO2的產生量開始受煤樣粒徑的目數影響，在同一溫度下，煤樣目數越大，CO2產生量越大。

圖3 不同粒徑下CO和CO2氣體產生量與溫度的關系曲線圖

圖4為煤樣在不同氧濃度下CO和CO2氣體產生量與溫度的關系曲線圖。由圖4可看出，其變化趨勢基本與不同粒徑作為對照量相同，但仍有較多不同之處。由圖4a)可看出，溫度高于90 ℃時，CO產生量因氧濃度的不同而有所變化，在同一溫度下，CO產生量隨著氧濃度的提高而增加。在氧濃度為21%的情況下，當溫度高于110 ℃時，CO產生量隨著溫度的升高急劇增長，到達170 ℃時，CO產生量達到3 859×10-6.由圖4b)可看出，當溫度低于90 ℃，CO2產生量緩慢增加，當溫度高于110 ℃時，CO2產生量開始加速產生。且在同一溫度下，CO2產生量隨著氧濃度的提高而增加。

圖4 不同氧濃度下CO和CO2氣體產生量與溫度的關系曲線圖

3.3 不同粒徑下烷烯烴氣體產生規律

煤樣氧化過程中產生的烷烯烴氣體組分主要有CH4、C2H4、C2H6和C3H8.在氧濃度為21%的條件下，同一烯烴氣體在不同粒徑煤樣氧化反應下氣體產生量隨溫度變化趨勢見圖5.

圖5a)是不同粒徑煤樣升溫氧化過程中CH4氣體產生量隨溫度變化的趨勢，從中可以看出在低溫階段CH4的產生量受煤樣粒徑的影響較小，在40 ℃時出現，這是由于長焰煤煤樣中本身吸附CH4，在低溫階段，煤樣中的CH4隨著溫度的升高逐漸解吸出來。對煤樣繼續加熱，逐漸產生由氧化反應得到的CH4，尤其當溫度超過130 ℃氧化反應加速，CH4產生量呈現指數型增長，且同一溫度下，煤樣粒徑越小，CH4產生量越大。圖5b)是不同粒徑煤樣升溫氧化過程中C2H4氣體產生量隨溫度變化的趨勢，可以發現煤在常溫狀態下檢測不到C2H4，說明煤的吸附氣體中沒有C2H4.當溫度到達100 ℃左右時，煤樣氧化反應開始產生C2H4，且在升溫過程中，C2H4的產生量與溫度變化呈現良好的規律性。在同一溫度下，煤樣粒徑越小，C2H4產生量越大。圖5c)是不同粒徑的煤樣升溫氧化過程中C2H6氣體產生量隨溫度變化的趨勢，當溫度超過100 ℃，煤樣產生少量的C2H6，隨著溫度的升高，C2H6的產生量受粒徑的影響越大。圖5d)是不同粒徑的煤樣升溫氧化過程中C3H8氣體產生量隨溫度變化的趨勢，從圖中看出，煤樣出現C3H8的溫度是70 ℃，當溫度為170 ℃，粒徑是40～80目的煤樣產生的C3H8濃度為50.77×10-6，粒徑為40～80目的煤樣產生的C3H8濃度為15.16×10-6,煤樣溫度較高時，氣體產生量受煤樣粒徑影響較大。在整個升溫實驗過程中檢測到少量C2H2氣體，其產生臨界溫度為380 ℃左右。C2H2氣體的出現表明煤已完全進入燃燒階段。

圖5 不同粒徑煤樣CH4、C2H4、C2H6、C3H8隨溫度變化趨勢圖

通過圖5的4個趨勢圖可以發現，煤樣在30～170 ℃隨著溫度的升高有規律的出現CH4、C2H4、C2H6和C3H8氣體，生成量隨溫度的升高變化不同，且同一溫度下，煤樣粒徑不同氣體的產生量亦有所區別。

4 煤自然發火預測預報指標體系及防治措施

通過煤在不同條件下的氧化產氣特性實驗，得出各個標志氣體的變化規律，結合各氣體的產生量隨溫度變化的趨勢以及首次檢出時的溫度來推斷煤自然發火所處的狀態和發展趨勢[9].根據測試結果可知，在30～180 ℃測試煤樣升溫氧化過程中所分解出來的氣體產物有CO2、CO、CH4、C2H4、C2H6和C3H8.

CO是馬道頭礦自然發火的指標氣體之一，CO在50 ℃即開始出現，其產生量隨著溫度的升高而上升，180 ℃之前這種變化基本符合指數遞增關系。CO的出現表明煤樣已經開始氧化，CO濃度越來越高則表明煤樣氧化越來越劇烈，煤層自然發火危險性越高。因此，CO可以作為預測預報煤自然發火的標志氣體之一，但對煤自燃具體氧化溫度段的預測還要結合其他氣體聯合分析。

C2H4是測試煤樣進入加速氧化階段的一個標志性氣體指標，在升溫過程中，C2H4的產生量隨著溫度的升高呈現較好的規律性。8404工作面C2H4出現的臨界溫度為100 ℃，C2H4的出現與CO快速增加的溫度基本吻合，表明煤的氧化已進入加速氧化階段，在有CO存在的前提下，只要出現C2H4必須采取切實有效的防滅火措施。

C2H2也是煤自然發火的重要標志氣體之一，30～180 ℃沒有測試到C2H2，一旦C2H2出現，標志著溫度已經遠遠超過200 ℃，此時煤進入激烈氧化燃燒階段，需要密切注意，以免高溫煤體引發瓦斯、煤塵爆炸事故。

C2H6和C3H8雖然也表現出臨界溫度的特征但需要進一步結合現場測試結果再定。

根據8404綜放工作面采空區煤炭自燃防治的特點：1)采用人機互檢體系對工作面及其回風巷中的CO、CH4、C2H4、C2H2濃度進行檢查，并采用合理的配風量進行通風。2)在工作面進風巷布置注氮系統，采用下隅角采空區注氮方式降低采空區的氧濃度。3)對采空區的浮煤進行及時清理，尤其是顆粒較小的浮煤。

5 結 論

在升溫氧化試驗中通過改變采空區煤樣試驗參數條件，研究各參數對煤自燃的影響，得到以下結論：

1)交叉點溫度的高低與煤樣粒徑及采空區的氧濃度有直接關系，粒徑越小，氧濃度越高，交叉點溫度越低，煤自燃危險性越大。

2)CO和CO2以及烷烯烴氣體產生量與溫度之間基本符合指數遞增關系，當煤樣溫度越高時，越有利于浮煤對氧氣的吸附并促進氧化反應的進行，浮煤與氧氣發生吸附時受到煤樣粒徑及氧濃度的影響，粒徑較小時，浮煤表面的活性結構越多，更易與采空區的氧氣進行結合，從而表現出較強的自燃氧化性。

3)CO和CO2以及烷烯烴氣體的產生量隨溫度的升高變化不同，且各種氣體的初始出現溫度亦不同，其中煤樣氧化生成的CO、C2H4、C2H2表現出很好的規律性，可作為馬道頭礦8404工作面煤自然發火指標氣體。