采空區低氧環境中煤自燃特性及極限參數研究

張 偉, 高 蕾, 崔小超, 呂慶山，孫計全，楊 博

(1.兗礦能源調度指揮中心，山東 濟寧 273500; 2.兗礦能源集團股份有限公司 南屯煤礦，山東 濟寧 273500； 3.兗煤菏澤能化有限公司，山東 菏澤 274000；4.西安科技大學 安全科學與工程學院，陜西 西安 710054)

我國煤礦開采過程中煤自燃及其次生事故時有發生[1]。煤自燃火災不僅會造成大量煤炭資源被燒毀，甚至還會造成嚴重的人員傷亡[2-3]。漏風供氧和蓄熱等條件是煤自燃的關鍵外界條件[4]。煤自燃外界條件的臨界值被定義為煤自燃極限參數[5]。郭興明等[6-7]采用大型煤自然發火試驗臺，推導了煤自燃極限參數計算公式，提出了基于神經網絡數學模型預測煤自燃極限參數方法。孟倩等[8]采用支持向量機方法實現了煤自燃極限參數的預測。郭亞軍等[9]得到了通風量對采空區煤自燃極限參數的影響特征。鄧軍等[10]系統研究了川東礦區主要礦井煤自燃極限參數變化規律，煤氧氣濃度隨埋深的增加呈現降低趨勢[11-12]。陸浩等[13]研究發現補連塔煤礦褐煤自燃發火臨界氧濃度為10%～7%，在氧氣濃度不小于10%時，煤樣存在明顯的激烈氧化階段。氧氣濃度對不同變質程度煤樣的煤自燃指標氣體有明顯的影響，隨氧氣濃度升高，CO濃度快速增加，C2H4的初現溫度降低，同時環境中氧氣濃度對煤氧化燃燒反應能級(n)有明顯影響[14-15]。因此，本文以南屯煤礦煤樣為研究對象，采用煤自燃升溫實驗測試了不同氧氣濃度條件下南屯煤礦煤樣的自燃特性，并計算得到了遺煤自燃極限參數。還得到了在不同溫度和氧氣濃度條件下煤的自燃極限參數變化規律。研究結果對礦井采空區煤自燃風險的預防與早期控制有重要的指導意義。

1 煤樣采集處理及實驗方法

1.1 煤樣采集與處理

本實驗的樣品取自山東省南屯煤礦。采集工作面新鮮煤塊，密封保存防止氧化。在進行實驗前，除去煤塊被氧化的表層，之后將煤樣破碎并篩分不同粒度(0～0.9 mm，0.9～3 mm，3～5 mm，5～7 mm和7～10 mm)。平均每個粒徑200 g制成1 kg實驗用混合樣品，之后進行低氧環境下煤樣自燃氧化實驗。

1.2 實驗裝置及條件

試驗采用煤自燃程序升溫實驗系統結構如圖1所示。采用V1.0型6組份氣體配氣裝置，分別配置濃度為21%、17%、13%、9%和5%的氧氣。供氣量為100 mL/min，升溫速率為0.3 ℃/min，實驗溫度范圍為30～170 ℃，煤溫每升高10 ℃，采樣分析煤氧化反應氣態產物種類和濃度。

圖1 煤自燃程序升溫實驗系統

2 采空區低氧環境中煤自燃特性

2.1 煤氧化的耗氧速率

在煤低溫氧化過程中，氧氣與煤樣表面的活性結構發生氧化反應而不斷被消耗。因此，耗氧速率是煤氧化反應強度的直接反應，氧氣耗氧速率的計算公式為[5,7]：

(1)

由圖2可知，在氧化溫度較低時，氧氣在煤表面主要進行物理和化學吸附，而化學反應的速度較低，因此煤樣氧化耗氧速率較低。在煤氧化溫度高于100 ℃后，煤表面活性結構被活化，與氧氣之間的化學反應強度顯著增大，使得煤的耗氧速率增速顯著升高。降低環境中的氧氣濃度使得氧氣與煤分子表面活性結構的接觸反應機會減少，特別是氧氣與活性結構的物理化學吸附會得到顯著抑制，從而抑制了煤表面活性結構與氧氣的化學反應，使煤氧化耗氧速率降低。在煤自燃氧化低溫階段，活性結構種類和數量較少，氧化反應需氧量較低，此時降低氧氣濃度的抑制作用較小，隨著煤的氧化溫度升高，煤表面活性結構的種類和數量增加，氧化反應的需氧量大幅增加，低氧環境對煤的氧化抑制作用隨溫度升高逐漸增強。

圖2 煤氧化耗氧速率曲線

2.2 CO氣體變化規律

煤樣氧化產生CO氣體濃度隨煤的氧化溫度升高變化的曲線如圖3所示。南屯礦煤樣在實驗一開始就氧化產生了CO氣體，且CO氣體濃度隨煤氧化溫度升高而不斷增高。煤氧化溫度超過自燃臨界溫度后，CO氣體產量增長速度明顯加快；溫度超過110 ℃以后，出現二次加速，CO氣體產量隨煤的氧化溫度升高呈指數增長趨勢。氧氣濃度降低會抑制氧氣與煤分子中活性結構的化學吸附與化學反應速率，同時減少煤分子中活性官能團氧化生成CO氣體的中間活性結構。因此，降低氧氣濃度會對煤自燃過程產生顯著的抑制作用。

圖3 煤氧化產生的CO氣體濃度曲線

2.3 C2H4和C2H6氣體變化規律

實驗測試得到南屯礦煤樣氧化過程中C2H4和C2H6氣體變化的曲線如圖4所示。

圖4 煤氧化產生氣體濃度曲線

由圖4可得，C2H4氣體和C2H6氣體主要是煤體中活性結構裂解產生的，在煤氧化反應溫度達到90 ℃和100 ℃時才出現了微量的C2H6氣體和C2H4氣體。隨著氧化溫度升高，煤分子中活性結構的裂解強度增大造成C2H6和C2H4氣體的產生量不斷升高。降低環境中氧氣濃度會顯著抑制煤的氧化反應，從而導致裂解產生的C2H4氣體和C2H6氣體量顯著減少。

2.4 煤氧化放熱強度變化規律

根據煤氧化耗氧速率、CO和CO2產生率，得到松散煤體放熱強度q的計算公式[16-17]：

(2)

如圖5所示，在煤氧化溫度低于60 ℃時主要發生氧氣的物理化學吸附，煤與氧氣反應速率較低，造成放熱強度較低，當煤氧化溫度逐漸升高超過臨界溫度(60～70 ℃)之后，煤中活性基團逐漸被活化，煤氧化反應強度不斷升高，氧化放熱量顯著增大，增速不斷提高。在遺煤氧化溫度相同時，降低氧氣濃度會抑制煤中活性官能團的氧化，煤氧化放熱量隨環境中氧氣濃度的減少而不斷降低，且抑制效果隨溫度的升高不斷增強。

圖5 煤氧化放熱強度曲線

3 采空區遺煤自燃極限參數

煤自燃必要的外界條件為煤自燃極限參數(最小浮煤厚度、下限氧濃度及上限漏風強度)。在采空區中遺煤區域，只有同時滿足以上3個極限值時才有可能自燃[17-18]。

hmin=

(3)

(4)

圖6 煤的自燃及極限參數與溫度之間的關系

從圖6(a)可知，采空區遺煤的自燃最小浮煤厚度逐漸升高至60～70 ℃范圍達到最大值，之后轉為快速下降的趨勢。由圖6(b)可知，煤自燃上限漏風強度隨溫度升高的變化趨勢與最小浮煤厚度相反，在溫度為60～70 ℃時達到最小值。在溫度超過100 ℃之后，隨煤氧化溫度升高，上限漏風強度快速升高。最小浮煤厚度最大值和上限漏風強度最小值溫度接近煤自燃臨界溫度。煤溫度低于自燃臨界溫度時，隨氧化溫度升高，遺煤和采空區環境溫度的差值逐漸升高，遺煤散熱量增大；遺煤氧化產熱量增速小于散熱量增速，導致煤自燃極限參數向不利于自燃的方向變化。在遺煤氧化溫度升高到臨界溫度時，煤氧化活性顯著提高，放熱量顯著增大，逐漸超過散熱量，煤自燃極限參數向有利于煤自燃方向變化。氧氣濃度降低，煤氧化放熱被抑制，遺煤最小浮煤厚度升高，下限漏風強度降低。

4 結 語

1) 得到了低氧環境中煤自燃耗氧速率、CO和C2H4等氣體隨溫度的變化規律；降低氧氣濃度會顯著抑制煤的低溫氧化，耗氧速率及CO和C2H4氣體產生量，氧氣含量降低對煤氧化反應的抑制作用隨溫度升高而增強。

2) 采空區遺煤自燃最小浮煤厚度隨煤氧化溫度逐漸上升，在60～70 ℃范圍達到最大值，之后轉為降低趨勢；上限漏風強度變化規律與之相反，為先降低后升高的趨勢。煤自燃極限參數極值溫度與臨界溫度相近。

3) 氧氣濃度降低，煤自燃氧化放熱強度顯著降低，遺煤氧化升溫需要蓄熱條件提高，最小浮煤厚度升高，下限漏風強度降低。