風(fēng)化煤自燃極限參數(shù)研究

李銀艷, 宋　申

(1.呂梁學(xué)院 礦業(yè)工程系,山西 呂梁 033000;2.太原理工大學(xué) 礦業(yè)工程學(xué)院,太原 030024)

在礦井實(shí)際生產(chǎn)過(guò)程中,廣泛存在淺埋煤層風(fēng)化煤開(kāi)采老空區(qū)遺煤復(fù)采等現(xiàn)象,這些煤經(jīng)歷了預(yù)氧化過(guò)程,自燃特性已發(fā)生改變[1],煤自燃的發(fā)生和發(fā)展是一個(gè)極其復(fù)雜的動(dòng)態(tài)物理化學(xué)變化過(guò)程。目前,許多學(xué)者展開(kāi)了關(guān)于煤自燃極限參數(shù)的研究。徐精彩[2]基于熱平衡法推導(dǎo)出煤自燃極限參數(shù)最小浮煤厚度、下限氧濃度、上限漏風(fēng)強(qiáng)度;鄧軍[3]研究了水浸煤體自燃極限參數(shù);張辛亥[4]研究了遺煤二次氧化過(guò)程中自燃極限參數(shù)變化規(guī)律。但關(guān)于風(fēng)化煤自燃極限參數(shù)的研究相對(duì)較少。因此,筆者采用程序升溫試驗(yàn)系統(tǒng)試驗(yàn)測(cè)試風(fēng)化煤氧化自燃特征參數(shù),測(cè)定產(chǎn)生的氣體濃度，計(jì)算CO、CO2生成速率,放熱強(qiáng)度,進(jìn)而計(jì)算最小浮煤厚度、下限氧濃度、上限漏風(fēng)強(qiáng)度,研究風(fēng)化煤氧化自燃過(guò)程中自燃極限參數(shù)的變化規(guī)律,對(duì)露天礦井和淺埋煤層開(kāi)采過(guò)程中風(fēng)化煤自燃的防治和預(yù)防有一定的指導(dǎo)意義,為風(fēng)化煤自燃的預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)與防治奠定了基礎(chǔ)。

1　實(shí)驗(yàn)

1.1　實(shí)驗(yàn)煤樣

實(shí)驗(yàn)選擇西山焦煤,現(xiàn)場(chǎng)取剛開(kāi)采的新鮮煤樣,裝在真空袋內(nèi),運(yùn)至實(shí)驗(yàn)室。煤樣的工業(yè)分析如表1所示。

表1　煤樣的工業(yè)分析Table 1　Industrial analysis of coal samples

1.2　實(shí)驗(yàn)裝置

程序升溫實(shí)驗(yàn)裝置和GC-950N型氣相色譜儀。

1.3　實(shí)驗(yàn)過(guò)程

實(shí)驗(yàn)前先剝?nèi)ッ簶颖砻嫜趸瘜?然后對(duì)其進(jìn)行破碎并篩分出不同粒徑:0.18 mm～1.00 mm、1.00 mm～2.00 mm、2.00 mm～3.35 mm、3.35 mm～4.00 mm、4.00 mm～4.75 mm共5種粒徑的煤樣,各粒徑取200 g,制成混合煤樣1 000 g作為實(shí)驗(yàn)煤樣。

實(shí)驗(yàn)時(shí),通過(guò)恒溫箱調(diào)節(jié)煤溫使其保持恒定,實(shí)驗(yàn)風(fēng)量先通過(guò)預(yù)熱再通入儀器,設(shè)置流量為60 mL/min。實(shí)驗(yàn)步驟為:先通過(guò)恒溫箱調(diào)節(jié)煤溫為30℃,風(fēng)量通過(guò)預(yù)熱系統(tǒng)預(yù)熱并調(diào)節(jié)為60 mL/min,通入風(fēng)量穩(wěn)定15 min以后,進(jìn)行取氣,為了減少誤差,共取氣三次;再分別調(diào)節(jié)煤溫為40℃、50℃、60℃、70℃并保持恒定,然后根據(jù)上述步驟的方法再進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)所取氣體通過(guò)GC-950型氣相色譜儀進(jìn)行測(cè)定。

2　實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

2.1　放熱強(qiáng)度

根據(jù)實(shí)驗(yàn)過(guò)程中計(jì)算的煤在不同風(fēng)量、溫度條件下的耗氧速率和CO、CO2產(chǎn)生率,可得出煤體的放熱強(qiáng)度q(T),計(jì)算公式[5]:

q(T)=ΔHX·[VO2(T)-VCO(T)-VCO2(T)]+

ΔHCO·VCO(T)+ΔHCO2·VCO2(T) .

(1)

式中:ΔHX為煤氧化反應(yīng)的化學(xué)吸附熱,為53.2 kJ/mol;VO2(T)、VCO(T)、VCO2(T)分別為耗氧速率和CO、CO2產(chǎn)生率，mol/(cm3·s);ΔHCO、ΔHCO2分別為煤氧復(fù)合生成1 mol的CO、CO2放出的平均反應(yīng)熱,ΔHCO=308.5 kJ/mol,ΔHCO2=448.9 kJ/mol。

通過(guò)計(jì)算,得到煤樣放熱強(qiáng)度變化曲線(xiàn),見(jiàn)圖1。

2.2　實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

由圖1可知,在不同風(fēng)量條件下,煤樣的放熱強(qiáng)度都隨煤溫的增加而增加,并且呈指數(shù)增長(zhǎng)趨勢(shì)。在煤溫為50 ℃之前,煤樣的放熱強(qiáng)度隨煤溫的增長(zhǎng)變化緩慢,在50 ℃之后,煤樣的放熱強(qiáng)度隨煤溫的變化急劇增加。并且風(fēng)化煤的放熱強(qiáng)度大于原煤,這是由于風(fēng)化煤經(jīng)過(guò)預(yù)氧化,比表面積有所增大,部分橋鍵及側(cè)鍵斷裂,化學(xué)反應(yīng)活性位點(diǎn)減少,形成的小分子更容易與氧發(fā)生反應(yīng)[6]。

圖1　放熱強(qiáng)度與煤溫的關(guān)系曲線(xiàn)Fig.1　Relation between heat release intensity and coal temperature

3　煤自燃極限參數(shù)

(2)

(3)

Cmin=

(4)

(5)

通過(guò)計(jì)算,得出不同風(fēng)量條件下的最小浮煤厚度、下限氧濃度和上限漏風(fēng)強(qiáng)度隨煤溫的關(guān)系曲線(xiàn)，見(jiàn)圖2-圖4。

圖2　最小浮煤厚度與煤溫的關(guān)系曲線(xiàn)Fig.2　Relation between the minimum float coal thickness and coal temperature

圖3　下限氧濃度與煤溫的關(guān)系曲線(xiàn)Fig.3　Relation between the lower-limit oxygen concentration and coal temperature

由圖2和圖3可以看出,不論是風(fēng)化煤還是原煤,其最小浮煤厚度和下限氧濃度均呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢(shì),且均在40℃時(shí)達(dá)到最大,并且不論在何種溫度下,風(fēng)化煤的最小浮煤厚度和下限氧濃度均小于原煤。

圖4　上限漏風(fēng)強(qiáng)度與煤溫的關(guān)系曲線(xiàn)Fig.4　Relation between the upper-limit air leakage intensity and coal temperature

由圖4可以看出,不論是風(fēng)化煤還是原煤,其上限漏風(fēng)強(qiáng)度均呈現(xiàn)先減小后增大的趨勢(shì),且均在40 ℃時(shí)達(dá)到最小,在50 ℃之后,上限漏風(fēng)強(qiáng)度在不同風(fēng)量不同煤溫條件下的變化與放熱強(qiáng)度的變化趨勢(shì)近似，并且不論在何種溫度下,風(fēng)化煤的最小浮煤厚度和下限氧濃度均大于原煤。

4　結(jié)論

1) 不論是原煤還是風(fēng)化煤,在40℃以前,最小浮煤厚度、下限氧濃度達(dá)到最大值,上限漏風(fēng)強(qiáng)度達(dá)到最小值,說(shuō)明在40℃左右堆煤自燃的可能性比正常溫度生產(chǎn)時(shí)大,因此在礦井生產(chǎn)過(guò)程中要注意控制溫度,避免由于溫度過(guò)高而出現(xiàn)煤自燃的情況。

2)相對(duì)于原煤,風(fēng)化煤的放熱強(qiáng)度和自燃極限參數(shù)中的最小浮煤厚度和下限氧濃度均有所增大,而自燃極限參數(shù)中的上限漏風(fēng)強(qiáng)度有所減小,這說(shuō)明在70℃以前,煤樣經(jīng)過(guò)風(fēng)化后更容易氧化。