風量影響下的煤自燃定量預測預報指標試驗研究

王 凱，韓 濤，和運中

(1.西安科技大學 安全科學與工程學院，陜西 西安 710054；2.西安科技大學 陜西省煤火災害防治重點實驗室，陜西 西安 710054)

0 引 言

煤自燃是煤炭開采與利用過程中面臨的主要災害之一，產(chǎn)生的有毒有害氣體威脅著作業(yè)人員的生命安全，甚至可能引起火災、爆炸等重特大事故，制約煤炭行業(yè)的健康發(fā)展[1]。前期研究表明，煤的氧化自燃是一個非常復雜的物理化學過程，在這個過程中氣體產(chǎn)物會隨溫度的變化表現(xiàn)出一定的規(guī)律性[2]。因此，通過建立煤自燃過程氣體產(chǎn)物與煤溫之間的對應關系，能夠有效利用氣體成分預測煤自然發(fā)火的程度[3-5]。

目前，用于預測煤自燃程度的氣體指標可分為單一氣體指標與復合氣體指標。其中單一氣體指標如CO，C2H4等；復合氣體指標如CO/ΔO2、格雷哈姆系數(shù)、C2H4/C2H6等[6-9]。王德明等利用程序升溫實驗確定了表征煤自燃程度的臨界溫度，通過對3種不同變質程度的煤樣進行測試，發(fā)現(xiàn)程序升溫與絕熱氧化方法的測試結果一致[10]。鄧軍等利用程序升溫實驗裝置，測試分析不同風量下CO絕對產(chǎn)生量的變化規(guī)律，發(fā)現(xiàn)CO絕對產(chǎn)生量隨風量的增加而增多，煤溫越高，煤自燃所需當量風量就越大[11]。白剛、周西華等對平莊瑞安煤礦褐煤研究發(fā)現(xiàn)，隨著供風量的增加，CO2/ΔO2、CO/ΔO2、C2H4與煤溫的關聯(lián)程度高，可作為該礦預測預報的指標氣體[12-13]。呂志金等通過對5種不同粒徑煤樣的低溫氧化實驗研究發(fā)現(xiàn)，CO濃度與煤溫、風量的曲線呈指數(shù)變化關系[14]。郭文杰、王凱、肖旸等研究了粒徑、氧濃度及風量對煤自燃過程的影響，發(fā)現(xiàn)粒徑介于0.18～0.38 mm，空氣流量為100 mL/min時，反應產(chǎn)生的氣體最多[15-17]。王念鑫、費金彪等在恒溫條件下，分析了不同風量對煤自燃過程釋放氣體濃度和產(chǎn)生率的影響，得出CO、CO2氣體濃度隨供風量的減小而增大，CO、CO2氣體產(chǎn)生率隨風量的增加先升高后降低[18-19]。

本研究基于風量對煤自燃指標氣體的影響，分析不同供風量下煤氧化過程氣體產(chǎn)生與溫度的對應關系，確定定量的煤自燃預測預報指標體系。

1 實驗煤樣

選用的煤樣采自山西潞寧礦區(qū)2號煤層，變質程度為氣肥煤，實驗前將采集的新鮮煤樣在氮氣環(huán)境下破碎碾磨，篩分選取5種粒徑范圍煤樣(0～0.9，0.9～3，3～5，5～7，7～10 mm)，并各取200 g組成混合粒度煤樣1 kg用于實驗。

2 實驗方法

2.1 實驗裝置

實驗利用西安科技大學研發(fā)的煤自燃程序升溫裝置，該裝置主要由供氣裝置、控溫裝置及氣體采集與分析裝置組成，實驗裝置如圖1所示。

圖1 程序升溫實驗測試原理示意

2.2 實驗條件

開始時，將混合煤樣裝入煤樣罐中，連接好氣路，通入壓縮空氣，空氣流量恒定，將程序升溫箱升溫速率設定為0.3 ℃/min，當煤樣溫度達到30 ℃時開始測定，每隔10 ℃采集一次氣體進行色譜分析，直至煤樣溫度達到170 ℃，結束本組實驗，待程序升溫箱冷卻，取出煤樣。共進行5組樣品測試，供風量分別為80，100，120，140，160 mL/min。

3 結果與討論

3.1 單一氣體指標

3.1.1 CO氣體

作為常用煤自燃指標氣體，CO產(chǎn)生量隨煤溫呈一定的規(guī)律性[20-22]，文中CO氣體與溫度對應關系如圖2所示。從圖2可以看出，5種供風量條件下，實驗煤樣升溫過程中CO濃度均隨煤溫的升高不斷增加，且前期產(chǎn)生量低，后期產(chǎn)生速率加快。

圖2 CO隨溫度變化

在5種供風量條件下，實驗煤樣氧化產(chǎn)生CO濃度從高到低關系為：120,100,80,140,160 mL/min。結果表明，供風量與CO產(chǎn)生量不成正比，當供風量為160 mL/min時，雖然提供了大量的氧氣，但也帶走了更多熱量，同時供風量增加也相對降低了CO在產(chǎn)物中的占比。而供風量為80 mL/min時，煤氧化產(chǎn)生的熱量散失少，但提供的氧氣相對不足，煤氧反應不充分，CO產(chǎn)生量較低。供風量為120 mL/min時，為煤氧化自燃提供了一個較好的供氧和蓄熱條件，煤氧化反應較為充分，CO產(chǎn)生速率較快。因此，供風量對煤氧化過程CO濃度有一定的影響，單一CO氣體濃度值無法定量預測煤自燃程度。

3.1.2 C2H4與C2H6氣體

實驗中C2H4與C2H6氣體與煤溫的對應關系如圖3和圖4所示。煤溫達到90 ℃時，C2H4氣體開始出現(xiàn)，煤溫越高，C2H4氣體產(chǎn)生量越大。C2H4氣體濃度與供風量有關，當流量為120 mL/min時，氧化反應過程釋放C2H4的濃度最高。

圖3 C2H4氣體隨溫度變化

圖4 C2H6氣體隨溫度變化

C2H6氣體在常溫下可以檢測到，這表明實驗煤樣中賦存有C2H6氣體，在低溫階段C2H6氣體的產(chǎn)生與脫附有關，煤樣在120 mL/min時氧化程度高于其他風量條件，煤樣脫附量大，同時提前進入裂解溫度產(chǎn)生C2H6。因此，C2H4氣體的出現(xiàn)可以作為煤體達到90 ℃的重要判識指標，而C2H6并不能作為指標氣體。

3.2 復合氣體指標

礦井實際開采條件下，供風量的改變會對單一氣體產(chǎn)生較大的影響，因此，通常采用氣體的比值(如CO/O2，CO/CO2等)作為判定煤自燃程度的復合指標[23-25]。

3.2.1 CO/O2

圖5是CO/O2隨煤溫的變化曲線，在煤溫達到90 ℃之前，CO氣體產(chǎn)生量較小且氧氣消耗少，CO/O2值偏低，100 ℃之后煤樣的氧化反應加快，CO/O2值隨煤溫的升高逐漸增大。

圖5 CO/O2隨溫度變化

該數(shù)值發(fā)生突變的階段與CO指標是一致的，也符合供風量為120 mL/min時CO產(chǎn)生量大于其它供風量條件下的規(guī)律。在氧化升溫初期，CO/O2比值變化幅度較小，幾乎呈直線變化規(guī)律，不能定量反映煤氧化的溫度。當煤溫達到90℃之后，CO/O2比值開始迅速增大，但在不同供風量下CO/O2比值差距較大。從總體數(shù)值上看，若檢測到CO/O2超過0.005，說明煤自燃開始進入高溫階段，此時煤溫高于90 ℃。因此CO/O2比值可以作為本煤樣達到90 ℃的輔助指標。

3.2.2 第1火災系數(shù)R1

格氏火災系數(shù)于1914年由英國學者格雷哈姆提出，其中第1火災系數(shù)的表達式為

(1)

式中 +ΔCO2表示煤升溫過程中CO2濃度的增加量，×10-6；-ΔO2表示O2濃度的減少量，%。

從圖6可以看出，不同風量下R1值隨溫度的升高呈類“W”型變化趨勢，在90～100 ℃達到最大值。對比不同供風量下的R1值，在低溫階段R1受風量影響較大，表現(xiàn)出較大波動，無法定量判別煤自燃程度。

圖6 R1值隨溫度變化

3.2.3 CO/CO2

圖7表示CO/CO2隨煤溫的變化曲線。

圖7 CO/CO2值隨溫度變化

從圖7可以看出，90 ℃之前，CO/CO2值隨煤溫的升高逐漸增大，不同供風量下CO/CO2值差距較小，說明在90 ℃之前供風量對CO/CO2影響較小。在90～120 ℃之間，CO/CO2呈緩慢下降趨勢。120 ℃之后，CO/CO2值逐漸增大，不同供風量下CO/CO2值產(chǎn)生差距，規(guī)律性不強。因此，CO/CO2值可以作為本煤層90 ℃之前的主要判別指標，初始溫度至90 ℃的區(qū)間值為0.03～0.3。

3.2.4 C2H6/C2H4

圖8表示C2H6/C2H4隨煤溫變化規(guī)律，90 ℃之前由于C2H4未產(chǎn)生，故討論90 ℃以上C2H6/C2H4隨溫度的變化規(guī)律。C2H6/C2H4的比值隨溫度的升高呈逐漸減小的規(guī)律，供風量對C2H6/C2H4值的影響較小，C2H6/C2H4值可以作為本煤層自燃90 ℃以后的主要判別指標，90～170 ℃的區(qū)間值為100～1 000。

圖8 C2H6/C2H4值隨溫度變化

4 結 論

1)供風量引起供氧與散熱雙重作用，宏觀表現(xiàn)為煤自燃的促進和抑制效應，本研究中供風量影響CO氣體產(chǎn)生濃度的排序由高到低為120,100,80,140,160 mL/min。

2)確定了潞寧礦區(qū)氣肥煤自燃定量預測預報指標體系，即90 ℃以下以CO/CO2值(0.03～0.3)為指標、90 ℃時以C2H4出現(xiàn)為指標、90～170 ℃以C2H6/C2H4值(100～1 000)為指標。

3)供風量的改變顯著影響煤自燃氣體的產(chǎn)生量，使得單一氣體指標不適用于定量判別煤自燃程度，通過改變供風量發(fā)現(xiàn)相對穩(wěn)定的復合氣體指標，可以作為確定煤自燃綜合預測預報指標的有效方法。