凌志達(dá)煤業(yè)煤層自然發(fā)火標(biāo)志性氣體優(yōu)選實(shí)驗(yàn)研究

宋彩軍，侯海東

(山西凌志達(dá)煤業(yè)有限公司，山西 長(zhǎng)治 046000)

煤自燃的過(guò)程是從低溫氧化開(kāi)始到自燃火災(zāi)的發(fā)生，在這個(gè)過(guò)程中，煤與氧氣的反應(yīng)，從緩慢到激烈，要經(jīng)歷低溫氧化、自熱兩個(gè)階段，才能進(jìn)入燃燒狀態(tài)[1]。礦井火災(zāi)預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)就是利用煤在氧化自燃發(fā)展的各個(gè)過(guò)程的不同特征[2]，及早發(fā)現(xiàn)并正確判斷煤的自燃狀態(tài)及地點(diǎn)。

指標(biāo)氣體是煤與氧的反應(yīng)中形成的一種氣體，煤炭自然發(fā)火時(shí)可起到預(yù)測(cè)的作用[3]。煤在熱解時(shí)能夠產(chǎn)生大量不同的氣體，受煤質(zhì)本身的影響，氣體生成的量與煤的溫度高低之間的聯(lián)系也存在差異，而且各種氣體產(chǎn)生的最低溫度也不相同[4]。因此，通過(guò)實(shí)驗(yàn)的方法找出恰當(dāng)?shù)闹笜?biāo)氣體能夠更快地為預(yù)測(cè)煤炭自然發(fā)火提供幫助。本文針對(duì)凌志達(dá)煤業(yè)15號(hào)煤層自然發(fā)火的標(biāo)志性氣體進(jìn)行研究。

1 煤升溫過(guò)程中氣體產(chǎn)生規(guī)律研究

1.1 煤升溫過(guò)程中氣體產(chǎn)生實(shí)驗(yàn)

煤的自然發(fā)火按照反應(yīng)速率一般會(huì)經(jīng)歷三階段，分別為緩慢氧化發(fā)展階段、加速氧化階段和激烈氧化階段，它們之間在溫度范圍、氣體種類和氣體濃度都是不相同的。一般情況下，會(huì)將CO、CO2、C1-C4烷烴、C2-C3烯烴及C2H2等這些氣體產(chǎn)物的出現(xiàn)用來(lái)預(yù)警煤自然發(fā)火。

煤自然發(fā)火氣體產(chǎn)物模擬實(shí)驗(yàn)裝置流程系統(tǒng)如圖1和圖2所示。相關(guān)參數(shù)如下：①實(shí)驗(yàn)煤樣粒度：100目(<0.15 mm)； ②重量：1 g； ③供氣流量：100 cm3/min； ④升溫速率：25～80 ℃為0.5 ℃/min，80～200 ℃為1.0 ℃/min，200～300 ℃為2.0 ℃/min；取樣間隔時(shí)間：20 min/次。

實(shí)驗(yàn)結(jié)果如表 1所示。

煤自燃氧化氣體產(chǎn)物主要有CO、CO2、CH4、C2H6、C3H8、C4H10、C2H4、C3H6和C2H2等。通過(guò)研究可知，煤氧化反應(yīng)會(huì)產(chǎn)生烷烴、烯烴、炔烴以及CO氣體，而且這些氣體不會(huì)被煤吸附，因此，氣體組分可作為標(biāo)志性氣體用來(lái)預(yù)測(cè)煤的自然發(fā)火。

隨著煤溫上升，烷烴、烯烴和炔烴以及CO氣體產(chǎn)生量也逐漸增大，但其在量值和生成順序上會(huì)有變化，需具體分析。

圖1 程序升溫氧化系統(tǒng)實(shí)物

圖2 指標(biāo)氣體實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)

1.2 煤升溫過(guò)程中氣體產(chǎn)生規(guī)律

在煤氧化時(shí)，CO首先出現(xiàn)并直到整個(gè)氧化過(guò)程結(jié)束；在煤溫244 ℃以前，CO濃度隨煤溫升高而加大，呈現(xiàn)指數(shù)關(guān)系，如圖3所示，擬合關(guān)系式為y=0.6e0.033x，擬合優(yōu)度0.96。當(dāng)超過(guò)244 ℃后，CO氣體濃度隨著煤溫升高急速加大。當(dāng)出現(xiàn)C2H4時(shí)，煤的自然發(fā)火會(huì)進(jìn)入第二階段，而C3H6的出現(xiàn)意味著氧化過(guò)程進(jìn)入第三階段，煤溫急速上升并迅速到達(dá)極值點(diǎn)，此時(shí)煤產(chǎn)生燃燒。由于實(shí)驗(yàn)中供氧量保持恒定，激烈的氧化作用降低了氧氣濃度，此時(shí)煤樣CO氣體產(chǎn)生表現(xiàn)不穩(wěn)定，會(huì)時(shí)大時(shí)小，但升至最高溫度前，CO氣體產(chǎn)生濃度呈增大趨勢(shì)。CO氣體產(chǎn)生的臨界溫度值為60 ℃。

圖3 煤樣升溫氧化過(guò)程中CO隨溫度變化關(guān)系

表1 實(shí)驗(yàn)煤樣升溫氧化過(guò)程中氣體產(chǎn)物分析結(jié)果(供氧氣濃度：20.9%)

注：O2、N2濃度為%濃度；其他氣體為質(zhì)量濃度(mg/L)。

其他氣體組分中的烯烴氣體(C2H4和C3H6)隨煤溫升高產(chǎn)生量逐漸增大，如圖4所示。烷烴氣體(C2H6，C3H8)同樣如此，如圖5所示。

圖4 實(shí)驗(yàn)煤樣升溫氧化過(guò)程中烯烴濃度變化規(guī)律

圖5 實(shí)驗(yàn)煤樣升溫氧化過(guò)程中烷烴濃度變化規(guī)律

2煤樣自然發(fā)火標(biāo)志氣體分析與優(yōu)選

煤氧化升溫過(guò)程中釋放出來(lái)的氣體往往不同于礦井中其它氣體，所以可以利用其數(shù)值或者其比值等參數(shù)推斷得出是否發(fā)生煤自然發(fā)火征兆，這樣的氣體稱之為煤自然發(fā)火的標(biāo)志氣體。

2.1 標(biāo)志性氣體優(yōu)選原則

應(yīng)用氣體分析法預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)煤的自燃首先應(yīng)選擇和確定合適的指標(biāo)氣體，具備以下幾個(gè)基本特性可以很快鎖定指標(biāo)氣體：

1) 靈敏性。氣體產(chǎn)生率與煤溫升高成正比例關(guān)系。

2) 規(guī)律性。一定范圍內(nèi)煤樣熱解過(guò)程中，氣體初始溫度基本一致，產(chǎn)生速率與煤溫之間存在良好的對(duì)應(yīng)關(guān)系，且該過(guò)程有重復(fù)性。

3) 可測(cè)性。現(xiàn)有儀器設(shè)備能滿足檢測(cè)要求。

2.2 煤自然發(fā)火的CO標(biāo)志氣體

CO作為一種標(biāo)志氣體在預(yù)測(cè)煤自然發(fā)火中得到了廣泛的應(yīng)用。CO作為標(biāo)志氣體具有以下特點(diǎn)：①隨著煤溫的升高，CO的產(chǎn)量增加，在244 ℃之前，CO產(chǎn)量單一遞增，基本符合指數(shù)關(guān)系；②CO產(chǎn)生量是煤氧化氣體產(chǎn)物中所有標(biāo)志氣體中最多的；③從煤樣分析結(jié)果來(lái)看，煤溫60 ℃左右時(shí)CO產(chǎn)生，并在整個(gè)自燃氧化過(guò)程一直持續(xù)產(chǎn)生。

因此，可將CO作為凌志達(dá)煤業(yè)15號(hào)煤層自然發(fā)火預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)的標(biāo)志氣體，同時(shí)考慮到在采空區(qū)或煤柱中出現(xiàn)自然發(fā)火時(shí)影響火災(zāi)氣體產(chǎn)物的因素增多，在缺氧條件下煤的自熱或氧化不能有效區(qū)分檢測(cè)到的CO量與煤氧化產(chǎn)生的CO量。因此在現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用中仍然需要考慮具體的環(huán)境條件，一般仍需采用一氧化碳指數(shù)等派生指標(biāo)。

2.3 煤自然發(fā)火的 C2H4(乙烯)和 C3H6(丙烯)標(biāo)志氣體

在煤的吸附氣體中，不包含C2H4氣體。C2H4氣體產(chǎn)生的溫度在181 ℃，C3H6氣體產(chǎn)生的溫度在212 ℃，與只選擇CO氣體相比，通過(guò)在時(shí)間和溫度上存在的差別，促使預(yù)測(cè)更準(zhǔn)確。C2H4產(chǎn)生會(huì)使煤氧化進(jìn)入加速氧化階段，溫度從244 ℃急速達(dá)到478 ℃。在實(shí)際應(yīng)用中，應(yīng)加強(qiáng)觀察C2H4和C3H6，判斷其是否出現(xiàn)，并對(duì)其濃度的變化跟蹤觀測(cè)，提高礦井防滅火工作。

2.4 煤自然發(fā)火的 C2H2(乙炔)標(biāo)志氣體

C2H2氣體作為標(biāo)志性氣體在預(yù)測(cè)煤自然發(fā)火中起到關(guān)鍵作用，在實(shí)驗(yàn)中，產(chǎn)生C2H2氣體初始溫度為380 ℃左右，會(huì)與C3H6之間存在溫度差。因此，C2H2出現(xiàn)意味著煤進(jìn)入燃燒階段，此時(shí)不能直接剝挖火源，以免引發(fā)瓦斯/煤塵爆炸事故，需謹(jǐn)慎采取措施。

3 結(jié) 語(yǔ)

1) CO可作為預(yù)測(cè)的指標(biāo)氣體，溫度達(dá)到60 ℃時(shí)出現(xiàn)CO，對(duì)CO預(yù)測(cè)的溫度范圍應(yīng)在244 ℃之前。特別指出的是，對(duì)于低變質(zhì)程度煤，往往會(huì)檢測(cè)到CO，而此時(shí)煤溫沒(méi)有達(dá)到實(shí)驗(yàn)所得到的臨界溫度值，因此實(shí)際應(yīng)用過(guò)程中應(yīng)將多方面的因素進(jìn)行考慮，對(duì)CO臨界溫度的取值進(jìn)行合理的判斷。

2) C2H4和C3H6氣體出現(xiàn)的溫度分別在181 ℃左右和212 ℃左右，C2H4氣體或C3H6氣體的出現(xiàn)可以看作是煤分別進(jìn)入了加速氧化階段或激烈氧化階段。

3) C2H2氣體出現(xiàn)的溫度在380 ℃左右，此時(shí)表明已出現(xiàn)明火或陰燃，采取措施時(shí)要謹(jǐn)慎。