孤島面遺煤氧化自燃特性以及“滯后”效應研究

孫 超，李 瑞，姜 維，閆旭斌，劉文永

(1.鄂爾多斯市華興能源有限責任公司唐家會煤礦，內蒙古 鄂爾多斯 017000；2.準格爾旗煤炭局，內蒙古 鄂爾多斯 017000；3.西安天河礦業科技有限責任公司，陜西 西安 710065；4.西安科技大學安全科學與工程學院，陜西 西安 710054；5.陜西省煤火災害防治重點實驗室，陜西 西安 710054)

0 引言

孤島工作面的開采過程中存在著地壓增大、漏風通道復雜、采空區遺煤自燃、煤柱易破碎氧化等特點，嚴重威脅著礦井的安全生產。因而研究孤島面遺煤的自燃特性，對于防治孤島面煤體初次、二次自燃災害具有指導意義。

許多的學者對煤炭二次氧化自燃過程使用不同方法進行了研究，鄧軍[1]使用程序升溫實驗、物理吸附法和紅外光譜對侏羅紀煤的初次、二次氧化過程進行研究，發現二次氧化過程煤分子含氧官能團顯著增多，自燃危險性增加；文虎，王萌[2-5]通過程序升溫實驗研究了煤二次氧化的自燃特征氣體產生濃度及耗氧速率的變化規律；戴廣龍[6]使用自制氧化裝置，研究了褐煤、煙煤和無煙煤的低溫氧化實驗過程，揭示了氣體濃度與溫度的變化特征；馬礪和鄧軍[7-8]研究了不同阻化劑對遺煤初次和二次氧化自燃特性的影響，并對阻化劑的效果進行優選；鄧軍、王凱[9]對復雜條件下孤島綜放面煤自燃的防治技術進行了研究，并對實施效果進行了分析，張玉濤[10]基于突變理論對煤自燃升溫和降溫過程中非對稱現象的原因進行了闡釋，并使用程序升溫和絕熱氧化實驗進行了驗證；金永飛[11]使用大型煤低溫自然發火實驗臺對煤樣初次升溫、降溫過程進行模擬，分析了指標氣體、溫度的辯護規律。目前的研究方向主要是對煤初次以及二次自燃過程中升溫階段的氧化自燃特性進行測試，而對氧化升溫過后降溫過程中自燃特性研究較少，并且對孤島工作面這種特殊條件下遺煤自燃的升溫、降溫過程的自燃特性涉及更少。因此，基于孤島工作面這一特殊條件下，對孤島面遺留的原煤和浸水煤的初次、二次氧化升降溫過程整個的自燃過程進行程序升溫實驗測試，研究孤島面遺煤自燃特性以期為孤島面自燃火災的預防提供理論基礎。

1 實驗裝置及過程

1.1 實驗裝置

實驗采用西安科技大學自主研發的公斤級程序升溫實驗裝置[12]，該裝置主要包含程序升溫箱、氣路和氣樣采集分析3部分，如圖1所示，將制備好的煤樣裝入一個直徑10 cm，長22 cm的鋼罐中，上下兩端分別留有2 cm左右自由空間，并放置在程序升溫箱中，使用可控硅控制的程序升溫箱內部和煤樣溫度溫差始終保持10 ℃，同時送入預熱空氣流量為120 mL/min，按照設定溫度采集氣體并使用氣相色譜儀分析并記錄。

圖1 公斤級程序升溫實驗裝置

1.2 實驗過程

實驗選用唐家會煤礦61102孤島工作面新鮮塊狀煤樣，使用編織袋密封包裹運送至實驗室，并將原煤樣在空氣中破碎并篩分出粒度為：0～0.9 mm、0.9～3 mm、3～5 mm、5～7 mm和7～10 mm的5種粒徑，各粒徑取200 g共1 000 g均勻混合配比成混樣，共制備2份煤樣，其中一份不作任何處理，另一份煤樣浸水24 h，之后在空氣中陰干48 h保存待用；程序升溫箱中進行原煤和浸水煤初次-二次氧化的升溫、降溫實驗。

初次-二次氧化升溫：升溫速率0.3 ℃/min，空氣氣體流量120 mL/min，升溫溫度范圍：30～170 ℃，溫度每升高5 ℃取一次氣體，并使用色譜進行分析。

初次-二次氧化降溫：降溫速率0.3 ℃/min，空氣氣體流量120 mL/min，降溫溫度范圍：170～30 ℃，溫度每降低5 ℃取一次氣體，并使用色譜進行分析。

實驗條件：煤樣的工業分析和實驗條件見表1和表2。

表1 原煤和浸水煤工業分析

2 實驗結果及分析

2.1 煤自燃過程CO、CO2的變化規律

圖2～圖3表示原煤和浸水煤初次-二次氧化升溫—降溫過程CO氣體的變化規律，從中可以看出，原煤和浸水煤初次-二次氧化升溫—降溫的整個過程中伴隨著煤溫度的升高，煤樣生成的CO濃度也越來越大，在臨界溫度之前升溫和降溫過程中CO濃度基本相似，之后隨著溫度的升高降溫過程CO濃度遠大于升溫過程，說明原煤和浸水煤初次-二次氧化升溫和降溫過程呈現“非對稱”的狀態，存在一定的“滯后”現象，即相同實驗載氣情況下，升溫過程相比于降溫過程中生成相同的CO濃度時溫度發生一定的“滯后”。

表2 程序升溫實驗條件

圖2 原煤升溫-降溫CO濃度與溫度關系

圖3 浸水煤升溫-降溫CO濃度與溫度關系

從圖4～圖5中可以看出，原煤和浸水煤的初次-二次氧化升溫過程，在臨界溫度之前，CO的濃度基本相似，之后初次氧化升溫過程浸水煤的CO濃度比原煤的CO濃度較低，而二次氧化升溫過程原煤和浸水煤曲線在120～140 ℃之間出現交叉點，交叉點溫度之前兩者產生的CO濃度基本相似，交叉點溫度之后浸水煤的CO濃度要大于原煤的CO濃度；而原煤和浸水煤的降溫過程在臨界溫度之前和升溫過程相似，臨界溫度之后初次氧化降溫過程浸水煤和原煤CO濃度隨溫度升高變化值基本一致，二次氧化降溫過程中浸水煤的CO濃度值要大于原煤產生的CO濃度，說明浸水煤二次氧化的自燃危險性比原煤的要大，煤體浸水之后孔隙變大，更有利于與氧氣結合發生氧化，自燃性顯著增加，需要加強監測和重點預防。

圖4 原煤和浸水煤升溫CO濃度與溫度關系

圖5 原煤和浸水煤降溫CO濃度與溫度關系

圖6 原煤升溫-降溫CO2濃度與溫度關系

圖7 浸水煤升溫-降溫CO2濃度與溫度關系

圖8 原煤和浸水煤升溫CO2濃度與溫度關系

圖9 原煤和浸水煤降溫CO2濃度與溫度關系

圖6～圖9表示原煤和浸水煤初次-二次氧化升溫-降溫過程CO2氣體的變化規律，從中可以看出，原煤初次-二次氧化升溫-降溫的整個過程中伴隨著煤溫度的升高，煤樣生成的CO2濃度也越來越大，且整個降溫過程CO2濃度比升溫過程要大，而浸水煤的初次-二次氧化升溫-降溫過程中出現交叉點，且二次氧化出現2個交叉點，對于浸水煤初次氧化交叉點溫度120～140 ℃之前，氧化升溫過程CO2濃度要大于降溫過程CO2濃度，之后降溫過程CO2濃度大于升溫過程，說明高溫階段產生相同濃度CO2的升溫過程相比降溫過程出現明顯的“滯后”現象，對于浸水煤二次氧化過程臨界溫度之前CO2濃度基本相似，臨界溫度至第一個交叉溫度點120～140 ℃之間，降溫過程的CO2濃度要大于氧化升溫過程，之后到第二個交叉溫度點150～160 ℃之前，氧化升溫過程CO2濃度稍大于降溫過程產生的CO2濃度，之后反之，說明浸水煤的二次氧化升溫降溫過程也存在“滯后”現象。

2.2 煤自燃的耗氧速率分析

耗氧速率是衡量煤體氧化性的指標，能夠反應煤體對氧的化學吸附和化學反應能力，依據煤樣進出口氧濃度差，測算煤樣總的耗氧速率隨煤溫的變化規律，計算公式如下[13-15]：

(1)

式中：Ci、Ci+1—指試驗煤樣進口、出氣口處的氧濃度；C0—初始氧氣濃度，則取C0=21%；L—試驗煤樣高度，cm；Q—煤樣供風量，Q=120 mL/min；S—煤樣罐截面積，cm2。根據氣相色譜儀測得煤樣罐入口和出口的氧濃度，代入公式(1)可得出耗氧速率隨煤溫的變化規律，如圖10～圖13所示。

圖10 原煤升溫-降溫耗氧速度與溫度關系曲線

圖11 浸水煤升溫-降溫耗氧速度與溫度關系曲線

圖12 原煤和浸水煤耗氧速度與溫度關系曲線

圖13 原煤和浸水煤耗氧速度與溫度關系曲線

從圖10～圖13中可以看出，原煤和浸水煤的初次氧化升溫降溫過程均存在交叉溫度點，在臨界溫度之前耗氧速率基本相似，臨界溫度至交叉點溫度間，初次氧化降溫過程耗氧速率要大于升溫過程，之后相反；原煤二次氧化過程整體上要比初次氧化過程耗氧速率要大一些，表明二次氧化降溫過程的“滯后”現象比較明顯，氧化升溫過程在100 ℃之前耗氧速率相似，之后耗氧速率要大一些，而降溫過程超過臨界溫度之后二次氧化耗氧速率要比初次氧化大很多，說明二次氧化過程反應速度更快，自燃危險性增大；原煤和浸水煤氧化升溫過程在100 ℃之前，耗氧速率基本相似，之后浸水煤的初次和二次氧化升溫過程耗氧速率比原煤的耗氧速率要大，表明初次氧化之后，煤體中的含氧官能團的數量和種類增多，二次氧化過程反應過程耗氧量增多，反應加快，同時自燃危險性也增大，而浸水煤的初次和二次氧化降溫過程耗氧速率均比原煤的耗氧速率要大。

3 結論

(1)原煤和浸水煤初次-二次氧化升溫和降溫過程CO、CO2氣體濃度曲線呈現“非對稱性”，降溫過程比升溫過程的氣體含量相對較大，升溫過程相比于降溫過程中生成相同的氣體濃度時溫度發生一定的“滯后”。

(2)原煤和浸水煤經過初次氧化之后，二次氧化過程耗氧速率增大，反應更加劇烈，自燃危險性增大，導致孤島工作面采空區遺煤更易自燃，需要重點防治。

(3)原煤浸水之后孔隙變大，更有利于與氧氣結合發生氧化，自燃性顯著增加，需要加強監測和重點預防。