煤樣自然發(fā)火及溫升特性測(cè)試研究

陸凱 劉東 尹彬

摘 要：煤炭自燃在我國煤礦開采的過程中是重要難題和主要災(zāi)害，尤其是在較淺埋藏、容易自燃的煤層綜采放頂煤回采過程中煤炭自燃時(shí)有發(fā)生。通過絕熱氧化法和程序升溫法在對(duì)工作面煤層溫升特性和氧化氣體隨溫度的變化規(guī)律進(jìn)行測(cè)試分析的基礎(chǔ)上，得出了氣體濃度隨溫度的變化趨勢(shì)，分析了煤氧化溫度與氣體產(chǎn)物的特性。CO的生成量在低溫氧化階段較小，煤溫達(dá)到90 ℃之后其生成量迅速增加，CO的生成表明該煤層中的煤發(fā)生了氧化反應(yīng)，C2H4的生成說明了該煤層的煤溫超過了110 ℃，C2H2的生成則表明該煤層的煤溫已經(jīng)達(dá)到了至少200 ℃以上，因此，在開采的過程中要采取積極的防火和滅火措施。

關(guān)鍵詞：煤炭自燃 絕熱氧化 程序升溫 指標(biāo)氣體

中圖分類號(hào)：TD752.1 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1674-098X（2015）09（b）-0035-02

采空區(qū)是煤礦井下較易發(fā)生煤自燃的區(qū)域之一[1-2]，據(jù)統(tǒng)計(jì)，我國有重點(diǎn)煤礦采空區(qū)內(nèi)發(fā)生的煤自燃占煤自燃發(fā)生總數(shù)的60%[3]。所以，對(duì)工作面采空區(qū)的自燃規(guī)律進(jìn)行研究和分析，可以有效地、有針對(duì)性地采取切實(shí)可行的防火和滅火措施。不僅大大地提高了綜采工作面生產(chǎn)的安全性，而且也盡可能地降低了綜采工作面的防滅火費(fèi)用及減少由于自燃發(fā)火所造成的損失，具有重要的經(jīng)濟(jì)和社會(huì)意義。煤層自然發(fā)火基礎(chǔ)特性的測(cè)試研究是掌握火源分布規(guī)律、制定治理方案的前提基礎(chǔ)。該文選取同煤大斗溝礦煤業(yè)有限公司4號(hào)煤層煤樣作為測(cè)試煤樣，對(duì)其自燃發(fā)生的難易程度、自熱氧化溫升特性和氧化氣體產(chǎn)物生成規(guī)律進(jìn)行了分析研究，以全面掌握煤自然發(fā)火特性以及規(guī)律。

1 自燃傾向性鑒定

煤的自燃傾向性，即煤自燃難易程度，是煤低溫氧化性的體現(xiàn)，是煤的內(nèi)在屬性之一。煤的自燃傾向性與煤的氧化能力和氧化過程釋熱強(qiáng)度有關(guān)。易于氧化且在氧化過程釋放熱量多的煤自燃傾向性就強(qiáng)，也就易于自燃。煤自燃傾向性僅僅是煤的氧化性和熱釋放強(qiáng)度的問題，與影響煤自燃的條件如聚熱環(huán)境、風(fēng)速、空氣濕度和空氣中的氧氣濃度等都沒有關(guān)系[4]。煤自燃傾向性是煤礦防滅火等級(jí)劃分的唯一依據(jù)，并且所有防滅火技術(shù)與措施都建立在煤自燃傾向性鑒定基礎(chǔ)之上[5]。

1.1 測(cè)試儀器

采用ZRJ—1型煤自燃性測(cè)定儀器進(jìn)行自燃的測(cè)定，該儀器是根據(jù)煤自燃傾向性色譜吸氧鑒定法的要求而研制出來的鑒定儀器。該儀器所利用的原理是利用雙氣路流動(dòng)色譜法，測(cè)定煤炭在低溫時(shí)可以吸附流態(tài)氧的特性，在限定條件下對(duì)吸氧量值進(jìn)行測(cè)定，然后對(duì)煤自燃傾向性進(jìn)行分類。

1.2 測(cè)試流程

實(shí)驗(yàn)按照《煤自燃傾向性色譜吸氧鑒定法》GB/T 20104-2006規(guī)定進(jìn)行。

1.3 測(cè)試結(jié)果

按照上述實(shí)驗(yàn)過程對(duì)所取煤樣進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。測(cè)得煤樣的30 ℃物理吸氧量和自燃傾向性結(jié)果如表1所示。

2 煤自燃氧化溫升特性

煤絕熱氧化實(shí)驗(yàn)主要由絕熱氧化裝置以及溫度采集系統(tǒng)兩個(gè)部分組成的，絕熱氧化裝置的目的是使得熱損失達(dá)到最小，溫度采集系統(tǒng)則可以實(shí)時(shí)在線采集煤的溫度。

（1）煤樣選取。

煤樣選取后，必須進(jìn)行密封儲(chǔ)存，然后運(yùn)送到實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行分析。采樣前要先去掉煤樣的表面氧化層，然后，將煤樣破碎成為0.18～0.38 mm煤粒，稱取100 g，在環(huán)境溫度為35 ℃的條件下進(jìn)行空氣干燥，以此煤樣作為實(shí)驗(yàn)煤樣。

（2）絕熱氧化實(shí)驗(yàn)。

將80 g經(jīng)過空氣干燥測(cè)試的煤樣放入絕熱煤樣罐內(nèi)進(jìn)行保存，首先與氣路和溫度傳感器相連接，向煤樣罐中通入氮?dú)?，以此來檢查裝置的密閉性，然后將箱內(nèi)溫度控制在50 ℃恒溫，對(duì)煤樣干燥24 h，目的是消除煤低溫氧化過程中所形成的外在水分對(duì)煤氧化產(chǎn)熱的影響。干燥以后，在氮?dú)獗Ｗo(hù)下使煤樣溫度降低到實(shí)驗(yàn)起始溫度40 ℃并穩(wěn)定，然后馬上將氮?dú)馇袚Q為氧氣，并將溫度控制箱內(nèi)的溫度改為0 ℃跟蹤控制，同時(shí)，啟動(dòng)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)采集煤樣的溫度，并對(duì)環(huán)境溫度進(jìn)行監(jiān)測(cè)。

3 煤氧化溫度與氣體產(chǎn)物特性

通過上述方法和步驟對(duì)試樣進(jìn)行絕熱氧化實(shí)驗(yàn)，隨著溫度的升高，煤樣中有不同的氣體生成。

3.1 實(shí)驗(yàn)原始數(shù)據(jù)（見表2）

3.2 氣體濃度隨溫度的變化趨勢(shì)

對(duì)采集面煤樣實(shí)驗(yàn)的過程中可以發(fā)現(xiàn)，煤樣中氣體的生成情況其濃度是隨時(shí)間而進(jìn)行變化的，具體的變化趨勢(shì)如圖1、圖2所示。

3.3 指標(biāo)氣體分析

由圖1、圖2分析可以發(fā)現(xiàn)，煤樣從40 ℃到200 ℃的溫度范圍內(nèi)，其氧化過程中規(guī)律性地產(chǎn)生了CO、CO2、CH4、C2H6、C3H8和C2H4氣體，在該溫度范圍內(nèi)，此煤樣并沒有生成C2H2氣體。而CO、CO2和CH4是在30℃的時(shí)候就開始產(chǎn)生，CH4的生成量相對(duì)較小，這是因?yàn)樵诿簶硬杉院?，放置的時(shí)間過長(zhǎng)，煤樣本身吸附的CH4散發(fā)了出來。CO在低溫氧化的時(shí)候生成量比較小，但是超過90 ℃后其生成量呈現(xiàn)迅速增加的趨勢(shì)，這表明此時(shí)煤樣已經(jīng)開始迅速地氧化，物理吸附的作用越來越弱，而相反地，化學(xué)吸附和化學(xué)反應(yīng)越來越強(qiáng)。C2H6和C3H8在低溫氧化的時(shí)候就出現(xiàn)，但濃度不大；C2H4出現(xiàn)稍晚，110 ℃以后出現(xiàn)且濃度很小。C2H2在40 ℃到200 ℃的溫度范圍內(nèi)沒有出現(xiàn)，表明當(dāng)溫度高于200 ℃的時(shí)候它從才會(huì)出現(xiàn)，C2H2的產(chǎn)生也說明了煤樣已經(jīng)發(fā)生了劇烈的化學(xué)反應(yīng)。綜上所述，在采集煤樣時(shí)，應(yīng)該以CO作為指標(biāo)性氣體，C2H6、C3H8、C2H4、C2H2作為輔助氣體來掌握煤炭自燃的情況；CO的生成表明該煤層中的煤發(fā)生了氧化反應(yīng)，C2H4的生成說明了該煤層的煤溫超過了110 ℃，C2H2的生成則表明該煤層的煤溫已經(jīng)達(dá)到了至少200 ℃以上，因此，在開采的過程中要采取積極的防火和滅火措施。

4 結(jié)語

（1）通過對(duì)煤樣煤質(zhì)的分析結(jié)合煤樣自燃傾向性實(shí)驗(yàn)測(cè)試數(shù)據(jù)得出該煤層自然發(fā)火等級(jí)為二級(jí)屬于自燃煤層，研究了煤的氧化升溫特性，得到了4號(hào)煤自燃臨界溫度為70.4 ℃，在煤溫達(dá)到臨界溫度后自燃進(jìn)入加速氧化階段。

（2）在實(shí)驗(yàn)室對(duì)煤樣進(jìn)行程序升溫控制測(cè)試，得出了氣體濃度隨溫度的變化趨勢(shì)，分析了煤氧化溫度與氣體產(chǎn)物的特性，并結(jié)合實(shí)際情況得出了在采集煤樣時(shí)，應(yīng)該以CO作為指標(biāo)性氣體，C2H6、C3H8、C2H4、C2H2作為輔助氣體來掌握煤炭自燃的情況；CO的生成表明該煤層中的煤發(fā)生了氧化反應(yīng)，C2H4的生成說明了該煤層的煤溫超過了110℃，C2H2的生成則表明該煤層的煤溫已經(jīng)達(dá)到了至少200 ℃以上，因此，在開采的過程中要采取積極的防火和滅火措施。通過對(duì)煤樣的實(shí)驗(yàn)室研究得出了煤自然發(fā)火特性的基礎(chǔ)參數(shù)，為采區(qū)積極的防滅火措施提供了數(shù)據(jù)支持。

參考文獻(xiàn)

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