虎峰煤業煤層自燃宏觀特性實驗研究

2014-04-20 01:41:28鄔劍明周春山王新宇

中國煤炭 2014年10期

劉通鄔劍明周春山王新宇

（1.太原理工大學礦業工程學院，山西省太原市，030024；2.忻州市煤礦安全監察局，山西省忻州市，034000）

煤炭自燃是低溫條件下煤與氧氣發生一系列復雜的物理化學反應，產生的熱量得以積聚，最終導致自燃的結果。煤自燃過程中隨著煤溫逐漸升高會釋放出一系列氣體，其中有些氣體的出現和濃度隨著煤溫的上升發生規律性變化，根據這些指標氣體的變化規律用來預報煤炭自然發火的情況是目前國內外煤自燃預測預報應用最廣泛的方法。熱重分析技術是在程序溫度控制下測量物質的質量與溫度關系的一種技術，已廣泛應用于研究煤自燃傾向性、煤氧化放熱量等研究領域，通過分析煤樣氧化過程的失重（TG）和失重速率（DTG）曲線，確定煤自燃過程中特征溫度的范圍。將特征溫度與指標氣體進行關聯分析，掌握煤自燃過程中多個參數的變化情況，確定了煤層自然發火宏觀特性，對指導現場煤自燃防治工作有重要意義。

1 煤層概況

虎峰煤業現采2＃煤層，煤層厚度4.60～6.30m，平均5.60m，結構簡單-較簡單，煤種為貧瘦煤。經鑒定2＃煤層自燃傾向性等級為II級，屬自燃煤層，水分含量1.41%，含硫量0.60%，揮發分18.01%，灰分12.37%，發熱量31.69 MJ／kg。

2 試驗過程

2.1 煤樣制備

在虎峰煤業2＃煤層2111 綜采工作面按照《GB482-2008 煤層煤樣采取方法》進行現場采樣，采集足量煤樣密封好及時送到實驗室進行測試，在實驗室將現場采集的煤樣剝去表面氧化層，進行粉碎，篩選出0.18～0.25 mm （60～80 目）的煤樣作為試驗煤樣。

2.2 熱重試驗

為研究煤從低溫氧化到燃燒過程中的質量隨溫度變化，使之與現場實際情況相符合，本次試驗在流量為50ml／min的空氣中進行，采用低溫慢、高溫快的變升溫速率對煤樣進行加熱，即20～200℃，升溫速率為1.5 ℃／min；200～700℃，升溫速率為5℃／min，稱得煤樣樣品質量10.30mg。

2.3 程序升溫氧化試驗

試驗系統由程序控溫箱、氣路通道、氣相色譜儀及計算機等組成。試驗所用氣體為空氣，由氣瓶供給，試驗前將50g制備好的新鮮煤樣置于銅質反應器內，將其置于程序控溫箱內，連接好通氣氣路與溫度探頭，保證氣路的氣密性后開始試驗。試驗時向反應器內通入流量為100ml／min的干空氣，將升溫速率設置為1℃／min，從常溫開始對煤樣進行加熱，溫度升高直至260℃，期間每隔10℃采集氣樣，當達到指定溫度時取氣樣利用氣相色譜儀進行分析。

3 試驗結果分析

3.1 熱重結果分析

圖1為煤樣熱重曲線變化圖，可以看出煤整個氧化過程中，煤樣質量變化情況是先減小后增重，然后燃燒導致質量急劇下降最后趨于穩定。圖1中，根據TG 和DTG 曲線隨溫度變化的關系，將煤氧化過程進行分階段研究，確定出氧化過程中具有特征性的溫度點。

溫度點T1（75.2℃）為臨界溫度點，是DTG曲線上的第一個失重速率最大溫度點，也是升溫過程中引起煤氧復合自動加速的第一個溫度點，是煤從緩慢氧化到加速氧化的過渡點。煤低溫氧化初期階段，煤樣中水分由于溫度升高出現脫水現象，同時伴隨著煤對氧的物理吸附和化學吸附，由于在此過程中煤質量減少，可知此階段煤受脫水影響較大。溫度點T2（103.5℃）對應為水分蒸發完成溫度，隨著溫度升高煤氧化學反應加劇，促進了煤分子對氧氣的吸附作用，致使煤重增加。對應溫度點T3（243.8℃）為增速溫度，是煤樣增重速率最大點的溫度。溫度點T4（285.3℃）對應為煤樣吸氧增重，質量達到最大時的溫度點，之后煤發生氧化熱解反應，質量有所減小。當溫度達到著火點溫度T5（371.2℃）時，煤樣開始燃燒，煤樣質量減少，隨之產生大量有機氣體，放出大量熱量。溫度點T6（480.5℃）為最大失重速率點溫度，表明煤樣發生劇烈燃燒，煤樣質量減少速率達到最大。溫度點T7（545.6℃）為煤樣燃盡溫度，煤樣燃燒過程結束，質量趨于穩定。

圖1 虎峰煤業2＃煤樣熱重曲線圖

根據煤氧化自燃過程中質量隨溫度的變化情況，可將氧化過程劃分為水分蒸發階段、吸氧增重階段、氧化熱解階段、燃燒階段4個階段，直至煤燃盡。水分蒸發階段的溫度為30～103.5℃；吸氧增重階段的溫度為103.5～285.3℃，增重速率最大溫度243.8℃；氧化熱解階段的溫度為285.3～371.2℃；燃燒階段的溫度為371.2～545.6℃，最大失重速率點溫度480.5℃。

3.2 程序升溫氧化試驗結果分析

2＃煤樣程序升溫氧化試驗過程中各氣體最低產生溫度分別為：H2為160℃、CO 為30℃、CO2為30℃、CH4為30℃、C2H4為160℃、C2H6為30℃、C2H2為240℃。不同氣體隨溫度變化趨勢如圖2所示。

由圖2 可以看出，2＃煤層煤樣在起始溫度30℃時就產生CO，CO 的生成貫穿于整個升溫氧化過程中，在低溫氧化階段CO 生成量較小，而后其生產量隨著煤溫的升高而上升，基本符合指數關系，當溫度達到80℃時，CO 生成量穩定增加，此時認為煤已進入快速氧化階段。當煤溫達到160℃時生成了C2H4和H2，它們的出現表明煤已進入加速氧化階段。當溫度上升到240℃時，檢測出C2H2出現，表明煤樣此時已進入激烈氧化階段。由于CO2及烷烴氣體在原始煤體中有一部分以吸附形式存在，本次試驗在30℃檢測出CO2、CH4和C2H6，之后溫度升高它們也穩定存在，不能確定它們是煤樣自身賦存或是氧化生成，故它們不能用來進行煤自然發火預測預報。

通過研究虎峰煤業2＃煤層煤樣不同溫度下氧化氣體產物的生成變化規律，并結合煤自燃標志氣體優選原則，確定了虎峰煤業2＃煤層煤自然發火標志氣體應以CO 為主，輔以H2、C2H4和C2H2進行預測預報。當井下檢測到CO 氣體，說明此時煤已發生低溫氧化，此時應加強觀測其變化趨勢，當CO 氣體呈穩定增加趨勢，煤體溫度達到80℃，說明此時煤已進入快速氧化階段，應發出預警，采取相應的防治措施；在出現高濃度的CO 前提下，檢測到H2或C2H4，表明煤的氧化已確實進入加速氧化階段，此時煤溫超過160℃，應及時作出煤已自然發火的預報，必須落實切實有效地治理措施，防治災害發生進一步擴大；而一旦井下檢測到C2H2，表明煤的氧化已進入激烈氧化階段，此時煤溫已超過240℃，并可能引發明火，此時制定和采取防滅火措施時一定要謹慎，防止引燃引爆瓦斯、煤塵等使事故擴大。