朱集西煤礦煤的低溫氧化實(shí)驗(yàn)研究

班鴻榆， 程 靜

（安徽理工大學(xué) 能源與安全學(xué)院， 安徽 淮南 232000）

引言

通過(guò)對(duì)朱集西三個(gè)不同工作面的煤樣在氧濃度為21%的空氣中進(jìn)行低溫氧化實(shí)驗(yàn)，分析了三個(gè)煤樣在21%氧濃度下的氧氣消耗量和一氧化碳、二氧化碳的產(chǎn)生量，計(jì)算得出不同煤樣的耗氧速率、CO 和CO2氣體產(chǎn)生速率、最大及最小放熱強(qiáng)度等參數(shù)并繪制其與溫度的關(guān)系曲線(xiàn)圖，確定了朱集西煤的自燃特性，對(duì)朱集西煤礦煤層自燃的預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)具有重要的指導(dǎo)意義[1-4]。

1 實(shí)驗(yàn)裝置及實(shí)驗(yàn)條件

煤自燃?xì)怏w分析試驗(yàn)系統(tǒng)主要由GC-4175 型自燃測(cè)定儀與GC-4085 型礦井氣相色譜儀構(gòu)成。煤樣選取朱集西煤礦11502 綜采工作面、11401 綜采工作面、13501 軌道順槽掘進(jìn)工作面煤（下面用1 號(hào)、2 號(hào)、3 號(hào)表示）。將原煤粉碎、研磨、篩選，得到的50 克粒徑為60～110 目的煤粒裝入煤樣罐中，設(shè)置流量為100 mL/min，溫度為30～200 ℃，從剛開(kāi)始的30 ℃起，溫度每上升10 ℃，用密閉性容器抽取一定量的氣體對(duì)其進(jìn)行色譜分析。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

2.1 一氧化碳生成量

圖1 為朱集西煤礦三個(gè)工作面煤樣的CO 濃度隨溫度變化的曲線(xiàn)圖，由圖可知煤樣在初始階段沒(méi)有CO 產(chǎn)生，從整體上看煤樣在低溫氧化階段產(chǎn)生的CO會(huì)隨溫度的上升而增大。1 號(hào)和2 號(hào)工作面煤樣中的CO 濃度在70 ℃時(shí)開(kāi)始升高，120 ℃后進(jìn)一步增加，160～170 ℃之后急劇增加；3 號(hào)工作面煤樣中CO 含量在70 ℃時(shí)開(kāi)始升高，110 ℃后進(jìn)一步增加，140 ℃之后急劇增加。由此可知朱集西煤礦三個(gè)煤層的臨界溫度為70 ℃，1 號(hào)、2 號(hào)煤層的干裂溫度為120 ℃，3號(hào)煤層的干裂溫度為110 ℃。煤樣在溫度到達(dá)70℃之前煤氧反應(yīng)是物理化學(xué)吸附，但當(dāng)煤溫到達(dá)110～120 ℃時(shí)煤樣進(jìn)入加速氧化階段，煤中的許多相對(duì)穩(wěn)定的側(cè)鏈斷裂，參加反應(yīng)的活性結(jié)構(gòu)增多，CO 濃度顯著增加。干裂溫度越高煤的變質(zhì)程度越高，可以看出朱集西煤礦1 號(hào)、2 號(hào)工作面的煤層變質(zhì)程度高于3 號(hào)工作面的煤層。

2.2 耗氧速率

由試驗(yàn)裝置所設(shè)定的試驗(yàn)條件可知，影響爐內(nèi)氧濃度變化的因素中，僅考慮隨溫度變化煤與氧氣發(fā)生反應(yīng)過(guò)程中對(duì)氧氣的消耗作用。耗氧速率可以反映煤與氧的化學(xué)吸附和化學(xué)反應(yīng)能力，是衡量煤的氧化性的重要指標(biāo)[5]。繪制耗氧速率與溫度的關(guān)系曲線(xiàn)（見(jiàn)圖2）。

由圖2 可知在30 ℃時(shí)三個(gè)煤樣耗氧速率相互之間相差不大，3 號(hào)煤樣在90～100 ℃時(shí)耗氧速率出現(xiàn)明顯增加，1 號(hào)、2 號(hào)煤樣在100～110 ℃時(shí)耗氧速率增長(zhǎng)變快，在此時(shí)間段內(nèi)煤氧反應(yīng)加劇。140 ℃后各煤層耗氧速率開(kāi)始分散，此時(shí)1 號(hào)工作面的耗氧速率比2 號(hào)工作面低642.43 mol/（cm3·s），比3 號(hào)工作面低711.17 mol/（cm3·s），當(dāng)溫度到達(dá)200 ℃時(shí)，2 號(hào)煤樣耗氧速率是1 號(hào)煤層的1.2 倍，3 號(hào)煤樣耗氧速率則是1 號(hào)煤樣的1.5 倍，煤樣整體呈指數(shù)形式升高。煤的耗氧速率越大，氧化性就越強(qiáng)，由此可知朱集西煤礦三個(gè)工作面煤樣的氧化性強(qiáng)弱為3 號(hào)工作面煤樣＞2 號(hào)工作面煤樣＞1 號(hào)工作面煤樣。

2.3 煤放熱強(qiáng)度分析

煤氧化放熱強(qiáng)度反映了煤在氧化反應(yīng)時(shí)不同時(shí)間的放熱量，計(jì)算朱集西煤礦煤樣最大放熱強(qiáng)度和煤的最小放熱強(qiáng)度[6]。

從圖3、4 中可以看出朱集西煤礦三個(gè)工作面煤樣最大放熱強(qiáng)度與煤溫的變化趨勢(shì)同它的耗氧速率與溫度的變化趨勢(shì)基本相同，兩者呈正相關(guān)。在煤溫到70 ℃之前，三個(gè)煤層的放熱強(qiáng)度很小，相差不大，這是因?yàn)槌跗诘拿貉醴磻?yīng)以物理化學(xué)吸附為主。當(dāng)溫度到達(dá)110～120 ℃時(shí)，三個(gè)煤層煤樣的放熱強(qiáng)度曲線(xiàn)開(kāi)始分散，煤氧反應(yīng)以化學(xué)反應(yīng)為主，放出熱量變大[10]。3 號(hào)煤樣在160 ℃時(shí)放熱強(qiáng)度超過(guò)其他兩個(gè)煤樣，160～200 ℃煤體中參與反應(yīng)的側(cè)鏈斷裂量大于其他兩個(gè)煤層，當(dāng)溫度為200 ℃時(shí)，2 號(hào)煤樣最大放熱強(qiáng)度是1 號(hào)煤樣的1.2 倍，3 號(hào)煤樣最大放熱強(qiáng)度比1號(hào)煤樣大8.48 kJ/（cm3·s）。煤的氧化程度越高放熱強(qiáng)度越大。所以，朱集西煤礦煤樣的自燃危險(xiǎn)性大小為：

3 號(hào)工作面煤樣＞2 號(hào)工作面煤樣＞1 號(hào)工作面煤樣。

3 結(jié)論

1）3 號(hào)工作面煤樣產(chǎn)出的CO2濃度最多，其次是1 號(hào)工作面，最少的是2 號(hào)工作面，變質(zhì)程度越低的煤比變質(zhì)程度高的煤更容易充分燃燒，產(chǎn)生更多的CO2氣體，1 號(hào)、2 號(hào)工作面煤樣的變質(zhì)程度基本相同，3 號(hào)工作面煤樣的變質(zhì)程度低于前兩者。

2）煤在氧化過(guò)程中的放熱強(qiáng)度、耗氧速率隨溫度的升高而增加。朱集西煤礦煤樣的氧化性強(qiáng)弱為：3號(hào)工作面煤樣＞2 號(hào)工作面煤樣＞1 號(hào)工作面煤樣。