雅店煤礦煤自燃標(biāo)志氣體試驗研究

杜亞剛，楊程帆，李德仁

(1.陜西華彬雅店煤業(yè)有限公司，陜西 咸陽 712000；2.西安天河礦業(yè)科技有限責(zé)任公司，陜西 西安 710054)

0 引言

礦井自燃火災(zāi)是全世界煤礦五大災(zāi)害之一，煤炭自燃火災(zāi)情況非常嚴(yán)重，嚴(yán)重威脅著礦井的安全生產(chǎn)和礦工的人身安全，對自然環(huán)境產(chǎn)生了極大污染，同時也帶來了巨大的資源損失[1-4]。煤自燃早期預(yù)報的方法主要為標(biāo)志氣體分析法[5]，是判斷自然發(fā)火標(biāo)志氣體最重要的方法，通常是利用程序升溫試驗，測量不同溫度下各種產(chǎn)氣速率，找出溫度與氣體各組分之間的對應(yīng)關(guān)系，從而分析氣體結(jié)果反推煤氧化進(jìn)程[6]。

近年來，眾多學(xué)者針對煤自燃開展了試驗研究。其中，張嬿妮等[7]采用程序升溫試驗，通過積分法算出煤樣的特征溫度和煤氧復(fù)合反應(yīng)的活化能和指前因子；黃振源[8]測試了4種不同變質(zhì)程度煤樣在程序升溫條件下的交叉點溫度；鄧軍等[9]采用煤自燃程序升溫試驗，研究了兩次氧化過程中的耗氧速率、CO產(chǎn)生率等自燃特性參數(shù)；伊龍[10]利用程序升溫試驗，測定了C2H4、CO、CH4、C2H6以及CO2等氣體的耗氧速度和產(chǎn)生率；屈麗娜[11]通過對10個不同變質(zhì)程度的煤進(jìn)行程序升溫試驗，研究了不同變質(zhì)程度對煤自燃過程中特征參數(shù)的影響；費金彪[12]通過煤自燃程序升溫試驗，建立了煤自燃發(fā)火過程中溫度與氣體之間的對應(yīng)關(guān)系。余明高等[13]利用氧化升溫試驗，確定了烏達(dá)礦區(qū)煤自燃預(yù)測預(yù)報的標(biāo)志氣體。羅海珠等[14]通過分析不同煤種在自燃過程中的氣體濃度及變化規(guī)律，確定了煤自燃標(biāo)志氣體與溫度的定量關(guān)系。朱令起等[15]通過對東歡坨煤礦4個典型煤樣進(jìn)行自然發(fā)火試驗，對指標(biāo)氣體進(jìn)行了優(yōu)選。

為此，利用程序升溫試驗臺，開展雅店煤礦4號煤層1417工作面煤樣程序升溫試驗測定，以期得到該礦煤樣的氧化自燃升溫特性參數(shù)、氣體產(chǎn)物隨煤溫的變化關(guān)系，為雅店煤礦4號煤層1417工作面煤自燃防治工作提供科學(xué)數(shù)據(jù)支撐。

1 試驗裝置及條件

1.1 試驗裝置

將1 kg煤樣裝入程序加熱升溫試驗裝置中開展試驗，該裝置主要包括3部分，具體如圖1所示。

圖1 程序加熱升溫試驗裝置結(jié)構(gòu)示意Fig.1 Structure of programmed heating test device

1.2 試驗條件

試驗煤樣取自雅店煤礦4號煤層1417工作面。將原煤樣在空氣中破碎后，篩選出5種粒徑各200 g組成混合煤樣，裝入程序升溫箱中進(jìn)行程序升溫試驗，試驗條件見表1。

表1 程序升溫箱煤樣加熱升溫試驗條件Table 1 Heating test conditions of coal samples in programmed temperature box

2 試驗結(jié)果分析

2.1 指標(biāo)氣體選取分析

試驗過程中，采集不同煤溫時的氣體，不斷進(jìn)行氣相色譜分析。當(dāng)煤樣溫度小于70 ℃時，其溫度上升速度較慢，當(dāng)煤樣溫度大于80 ℃時，其溫度上升速度開始加快。試驗結(jié)果表明，當(dāng)煤樣溫度上升到80 ℃以上時，其氧化放出熱量開始明顯增加，這進(jìn)一步加速了煤體溫度的上升。綜合分析試驗結(jié)果，可以得出雅店煤礦4號煤層1417工作面煤樣在不同環(huán)境溫度影響下，其溫度與氣體之間的對應(yīng)關(guān)系如圖2所示。

圖2 氣體濃度與煤溫變化關(guān)系Fig.2 Relationship between gas concentration and coal temperature

觀察圖2可以得出，試驗開始時，煤樣中就含有微量的CO氣體，說明煤樣在低溫下與氧氣發(fā)生低溫氧化。隨著溫度不斷升高，CO濃度也呈現(xiàn)出不斷增加的趨勢，在低溫階段增加趨勢相對溫和，當(dāng)溫度超過80 ℃時，CO濃度的上升趨勢線更加明顯，特別是在煤溫超過干裂溫度后，愈發(fā)加速，呈現(xiàn)近似指數(shù)函數(shù)的形式。CH4氣體在室溫階段也有少量存在，之后隨著溫度的上升，CH4氣體受到分子間范得華力的約束逐漸減弱，CH4的生成量不斷增加。而在試驗初始階段，不存在C2H6和C2H4，但當(dāng)溫度達(dá)到90 ℃時，C2H6氣體開始出現(xiàn)，并隨著溫度升高逐漸增大。同時，C2H4氣體也在煤溫達(dá)到90 ℃才產(chǎn)生，同樣隨著溫度升高而逐漸增大。因此，根據(jù)指標(biāo)氣體優(yōu)選原則，可以選取C2H6作為雅店煤礦的主要指標(biāo)氣體，C2H4作為輔助指標(biāo)氣體。

2.2 CO、CO2產(chǎn)生率與耗氧速度分析

結(jié)合相關(guān)知識，可知耗氧氣速度和氧氣濃度成正比關(guān)系，因此當(dāng)溫度一定時，可以得到耗氧速度計算公式為

(1)

式中，V0(T)為標(biāo)準(zhǔn)氧氣濃度時的煤體耗氧速度，mol/(cm3·s)；Q為供風(fēng)量，m3/s；S為爐體供風(fēng)面積，m2；z為任意點到入口的距離，m；C0為標(biāo)準(zhǔn)氧氣濃度，9.375×10-6mol/cm3；C為任意點實測氧氣濃度，%。

利用公式及試驗數(shù)據(jù)計算得到，在新鮮空氣中，混合煤樣在不同溫度下，其耗氧速度與煤溫之間的函數(shù)曲線如圖3所示。可以看出，雅店煤礦煤樣耗氧速度整體上隨煤溫升高，呈現(xiàn)出不斷上升的趨勢，且上升趨勢在不斷增大，當(dāng)溫度升高至臨界溫度以后，耗氧速度突然加速，逐漸呈現(xiàn)出指數(shù)增長趨勢。其原因是在煤溫增加的同時，煤樣本身的化學(xué)性質(zhì)也在發(fā)生變化，其相應(yīng)的活性官能團(tuán)得以激活，進(jìn)而導(dǎo)致煤樣與氧氣反應(yīng)隨煤溫升高呈現(xiàn)出不斷加快的結(jié)果。

圖3 耗氧速度與煤溫的關(guān)系曲線Fig.3 Relationship between oxygen consumption rate and coal temperature

在試驗臺中，由于煤體遇氧發(fā)生氧化反應(yīng)，氧化過程在不斷地消耗氧氣，因此在沿著風(fēng)流的方向上，氧氣濃度會逐漸減少，但是根據(jù)物質(zhì)守恒定律，氧化產(chǎn)生的CO、CO2等氧化產(chǎn)物卻在不斷地增加。故而，在試驗裝置內(nèi)任意一點，煤體CO、CO2產(chǎn)生率與耗氧速度成正比關(guān)系，即CO、CO2產(chǎn)生率滿足以下關(guān)系

(2)

(3)

將試驗數(shù)據(jù)帶入公式可計算得到CO、CO2產(chǎn)生率與煤溫的關(guān)系曲線，如圖4、5所示。

圖4 CO產(chǎn)生率與煤溫關(guān)系曲線Fig.4 Relationship between CO production rate and coal temperature

從圖4和圖5可以較為直觀地看到，CO、CO2產(chǎn)生率在試驗初始階段變化并不明顯，而當(dāng)煤溫達(dá)到70 ℃以后，其增幅呈增長趨勢，隨著溫度進(jìn)一步升高，單位溫度的CO、CO2產(chǎn)生率增幅也越來越大，關(guān)系曲線趨勢變得愈加陡峭。而當(dāng)煤溫升高到100 ℃以后，CO、CO2產(chǎn)生率與煤溫的曲線關(guān)系幾乎呈現(xiàn)出指數(shù)函數(shù)增長趨勢。

圖5 CO2產(chǎn)生率與煤溫關(guān)系曲線Fig.5 Relationship between CO2 production rate and coal temperature

2.3 臨界溫度與干裂溫度

通過分析試驗過程，在CO、CO2產(chǎn)生率與煤溫的函數(shù)關(guān)系曲線中，可以明顯地觀察到，在70～80 ℃時，曲線增長趨勢發(fā)生了明顯地突變，由原先斜率較小突變?yōu)樾甭式咏?的一次函數(shù)，增長幅度顯著增加，此刻的起點溫度即為臨界溫度。同理，繼續(xù)觀察CO、CO2產(chǎn)生率與煤溫的函數(shù)關(guān)系曲線，在100～120 ℃時，曲線增長趨勢再次發(fā)生突變，由原先斜率為1的一次函數(shù)突變?yōu)榻浦笖?shù)函數(shù)，則可判斷此刻的起點溫度即為干裂溫度。

因此根據(jù)試驗數(shù)據(jù)分析可以判斷出，雅店煤礦4號煤層1417工作面煤樣的CO、CO2產(chǎn)生率的第1次突變溫度范圍為70～80 ℃，這個溫度范圍即為雅店煤礦4號煤層1417工作面臨界溫度，同理判斷得到再次突變的溫度，即干裂溫度范圍為100～120 ℃。

2.4 試驗最短自然發(fā)火期

在預(yù)防煤自燃的過程中，自然發(fā)火期作為最重要的預(yù)測條件之一。通常情況下，煤自然發(fā)火期會被眾多因素所影響，如煤體的初始溫度、煤體的破碎程度以及采空區(qū)漏風(fēng)強(qiáng)度等。但是在煤礦實際開采過程中，現(xiàn)場受到采煤工藝、設(shè)備以及技術(shù)等一些實際問題，在采空區(qū)往往會遺留一部分破碎煤體，而當(dāng)這些遺煤厚度積累到一定程度時，再加上良好的蓄熱供氧條件，采空區(qū)遺煤會逐漸發(fā)生自燃。煤從常溫到著火溫度的時間就稱為煤最短自然發(fā)火期。其計算公式[16]為

(4)

式中，ΔTi為煤溫由Ti升到Ti+1所需時間，min；Cpi，Cpi+1分別為煤在Ti，Ti+1溫度時測得的比熱，J/(g·℃)；Kqi，Kqi+1分別為溫度Ti，Ti+1時煤的吸氧速度，mL/(g·min)；Qs為煤吸附單位氧量放出的吸附熱，按氧的平均吸附熱計，取Qs=16.8 J/mL；cqi，cqi+1分別為溫度Ti，Ti+1時煤所吸氧的氧濃度值；Wpi為溫度段Ti～Ti+1煤中水分蒸發(fā)量；λ為水分蒸發(fā)及解吸熱，取平均值2.26 kJ/g；μi為煤氧化升溫瓦斯析出量；Q′為瓦斯解吸熱，取平均值12.6 J/mL；ΔqDi為熱流速度，J/(g·min)。

根據(jù)公式可以計算得到雅店煤礦4號煤層煤樣試驗最短自然發(fā)火期為36.01 d。考慮到現(xiàn)場環(huán)境的復(fù)雜性，在氧氣充裕的前提下，從160 ℃達(dá)到著火點時間不到1 d，即可推測試驗煤樣最短自然發(fā)火期為37 d左右。

3 結(jié)論

(1)針對雅店煤礦煤樣耗氧速度、CO和CO2產(chǎn)生率3個煤自燃特性參數(shù)進(jìn)行了分析，為該礦煤自燃防治提供了基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。

(2)根據(jù)試驗數(shù)據(jù)得到雅店煤礦煤樣臨界溫度為70～80 ℃，干裂溫度為100～120 ℃。

(3)分析了雅店煤礦煤樣在程序升溫試驗中各指標(biāo)氣體的變化情況，依托試驗結(jié)果，優(yōu)選了C2H6氣體作為該礦煤自燃的預(yù)報性指標(biāo)氣體，C2H4氣體作為輔助指標(biāo)氣體。

(4)通過試驗數(shù)據(jù)，計算得到雅店煤礦4號煤層試驗煤樣最短自然發(fā)火期為37 d。