鳳凰山礦煤自燃發火規律實驗研究

衛 浩

(晉城煤業集團 鳳凰山礦，山西 晉城 048007)

山西煤炭儲量大，全省主要有六大煤田，分別為大同、寧武、西山、沁水、霍西、河東[1]。沁水煤田東西寬約70～120 km，南北長約310 km，煤田總面積約為22 000 km2，其中晉城礦區勘探面積約280 km2[2]。

鳳凰山礦位于晉城礦區，主采15號煤層，屬無煙煤，但含硫量較高，為自燃煤層。針對煤自燃氧化特性的研究，很多專家學者開展了大量的實驗分析：徐精彩等[3]采用煤樣程序升溫裝置模擬煤自燃的發火過程，實驗分析煤樣的煤溫變化、氧氣消耗及氣體變化規律，確定了臨界溫度、放熱強度和氣體產生率；鄧軍等[4]結合國內外眾多學者的研究對煤自燃理論進行綜述，對煤層自燃的預測預報及防治技術研究進行了梳理；文虎等[5]選取了硫含量不同的相同煤種在相同條件下進行程序升溫實驗，對煤的低溫氧化參數進行研究，從而加深了解硫對煤自燃的影響；余明高等[6]以義馬耿村礦綜放面為研究對象，采取措施有效遏制了易自燃特厚煤層綜放面的自然發火。

本文以鳳凰山礦15號煤層為研究對象，采用程序升溫氧化實驗研究煤自然發火規律，以期為煤自燃防治提供依據。

1 實驗研究

1.1 實驗裝置

煤自燃程序升溫模擬裝置示意如圖1所示，主要由程序控溫箱、氣相色譜儀、煤樣罐、氣體預熱管路、溫度傳感器、流量控制器等組成。

1.2 實驗步驟

制備煤樣前剝去煤樣表面氧化層，使用碎煤機粉碎，篩分出0.18～0.425 mm的煤樣100 g，放入真空干燥箱，在-0.1 MPa和30℃的環境中干燥48 h，取出后放入密封袋待用。程序升溫實驗前對實驗煤樣進行工業分析與元素分析(結果見表1)，實驗時將50 g煤樣置于銅質煤樣罐內，放入程序升溫箱內，連接好氣路并檢查氣密性。當煤溫達到30℃時向煤樣內通入80 ml/min的干空氣，將程序升溫速率調整為1 ℃/min，溫度從30℃加熱上升至220℃，每間隔10℃，用氣相色譜儀分析氣樣的氣體成分和濃度。

圖1 模擬煤氧化裝置示意

表1 煤樣的工業分析和元素分析 %

煤樣MadAdVdafCHONS煤種15號2.1824.4814.1888.663.310.864.792.38無煙煤

2 實驗結果與分析

2.1 耗氧量和耗氧速率變化規律

根據上述實驗獲得煤樣在30～260 ℃間出口O2體積分數及各溫度的耗氧速率，如圖2所示。假設：①煤樣在實驗加熱升溫中氧化反應前后質量變化很小可忽略不計；②煤樣罐內空氣軸向流動且流量穩定；③罐內溫度均勻。根據以上假設，則煤的耗氧速率為[7]：

(1)

式中：VO2為煤溫為T時刻耗氧速度，mol/(cm3·s)；C0為進口氧氣體積分數，%；C為出口氧氣體積分數，%；Q為干空氣流量，mL/s；S為煤樣罐截面積，cm2；L為煤樣高度，cm。

圖2 煤樣出口氧氣體積分數和耗氧速率

從圖2可以看出，煤樣在氧化升溫過程中，出口氧氣體積分數與耗氧速率隨著煤樣溫度的增大呈現出不同的變化規律。從初始溫度到60℃左右，二者變化較小，耗氧速率增長緩慢；超過60℃后，出口氧氣體積分數開始較大幅度減小，耗氧速率逐漸加快增加，表明耗氧量增大。

2.2 CO與C2H4氣體的變化規律

鄧軍等[8]根據指標氣體選取條件，得到CO氣體是檢查煤自燃程度最靈敏的指標。由于CO氣體檢測溫度范圍較寬，煤自燃發生的地方大多位于采空區，受漏風影響嚴重，對CO氣體的測定有較大誤差，且指標預報范圍過大，不夠精確，所以選取一個輔助指標氣體C2H4，CO與C2H4氣體體積分數變化率如圖3所示。

圖3 煤樣CO與C2H4氣體產生量

當煤溫上升到某一特定值時，化學吸附、脫附趨于平衡，產生的CO增多，該溫度為臨界溫度；煤在低溫氧化階段，不會產生C2H4氣體，而當煤結構中的側鏈開始斷裂與氧氣發生化學反應，就會產生C2H4，此時的溫度點為干裂溫度[9]。由圖3中可以看出，該煤層的臨界溫度在60～70℃之間，干裂溫度在120～130℃之間。C2H4是煤升溫氧化分解及熱裂解的產物以及煤進入加速氧化階段的一個重要標志，CO的氣體產生量也在干裂溫度點后加快。

2.3 φ(CO)/φ(CO2)

由上面分析可知：單一氣體CO只能對煤早期自燃發火進行預測預報，煤礦井下風量等環境因素對單一氣體量有較大影響，使得預測不準確[10]，而φ(CO)/φ(CO2)與煤溫的變化關系比較明確，有良好的對應關系和變化規律，能夠反映煤氧化程度。φ(CO)、φ(CO2)分別表示CO和CO2的濃度，在現場實踐中，使用φ(CO)/φ(CO2)可以消除風流對氣體濃度的影響，減少誤差[8]。如圖4所示，根據在各個溫度點的比值擬合曲線呈直線分布，隨著煤溫的升高而增大，得到CO2氣體的產生速率比CO的產生速率小，并且可以依據φ(CO)/φ(CO2)的比值測算煤樣低溫氧化進程，為井下防滅火工作提供指導。

圖4 φ(CO)/φ(CO2)隨溫度變化

3 結 語

1) 根據程序升溫實驗分析可知：鳳凰山礦15號煤的臨界溫度在60～70 ℃之間，干裂溫度在120～130 ℃之間，預測預報自燃指標氣體以CO為主，C2H4氣體為輔。

2)φ(CO)/φ(CO2)的比值與煤溫的對應關系和變化規律一致。