塔山礦3-5煤自然氧化氣體生成規律實驗研究

范森山

（中煤大同能源有限責任公司 塔山煤礦，山西 大同 037000）

0 引 言

已有研究表明，一般情況下煤的自然發火過程經歷3個不同發展階段，即緩慢氧化發展階段、加速氧化階段和激烈氧化階段，不同氧化階段煤溫度變化范圍和氣體產物種類與濃度不一樣[1-3]。通常可用于預測預報煤自然發火進程的氣體產物包括CO、CO2、C1-C4烷烴、C2-C3烯烴及C2H2等。煤自燃氣體產物包括煤自身氧化產生的氣體和成煤過程中的吸附性氣體[4-6]。煤吸附氣體主要為CH4和CO2，另有微量其他烷烴類氣體，如C2H6、C3H8、C4H10。煤自燃氧化過程除生成上述所有氣體外，還生成CO、C2H4、C3H6和C2H2等氣體，這幾種氣體組份可作為煤自燃氧化進程的標志性氣體。

中煤塔山礦為近距離煤層群開采，3-5號層在開采過程中出現采空區有毒有害氣體異常涌出現象，為加強煤層自然發火預測預報，制定合理的防滅火方案，對30515工作面煤層自燃氧化過程生氣規律進行了實驗研究。

1 工作面概況及煤自燃傾向性

中煤塔山30515工作面采用單一走向長壁后退式綜合機械化低位放頂煤開采方法，全部垮落法管理采空區。工作面主采3-5號煤層，距地表垂高380 m左右。工作面走向長度1 756 m，傾向長度160 m，煤層傾角2°～9°，平均4°，煤厚12.70～18.50 m，平均14.04 m，采高4 m，放煤高度10.04 m。30515工作面北部為礦界，東部為實煤區，南部為1045回風大巷，西部為30501工作面采空區，間隔煤柱10 m，上覆2號煤層10201工作面和10215工作面采空區，層間距4.41～4.85 m，平均4.64 m。工作面布置如圖1所示。

圖1 3051 5綜放工作面Fig.1 30515 comprehensive caving working face

中煤塔山礦為低瓦斯礦井。礦井絕對瓦斯涌出量4.95 m3/min，相對涌出量為0.8 m3/t，工作面最大絕對瓦斯涌出量1.83 m3/min，掘進面最大絕對瓦斯涌出量0.36 m3/min；礦井二氧化碳最大絕對涌出量7.08 m3/min，相對涌出量1.14 m3/t。煤樣無灰基揮發分34.75%，煤的吸氧量0.43 cm3/g，為Ⅱ類自燃煤層，煤層最短自然發火期83 d。

2 煤自燃氧化實驗

2.1 實驗系統

實驗采用沈陽煤科院研制的煤自然發火模擬測試系統，該測試系統包括加熱系統、溫度控制系統、氣路系統、色譜分析系統和數據采集系統。煤自然發火模擬測試系統結構簡圖如圖2所示。

圖2 煤自然發火模擬測試系統結構圖Fig.2 Structure diagram of coal spontaneous combustion simulation test system

2.2 實驗步驟

選取30515綜放工作面以及后溜槽放頂煤為實驗煤樣。井下取得煤樣后，首先送至實驗室采用煤樣粉碎機進行破碎，篩分出粒度為100目的煤樣50 g，將煤樣放入存儲罐內，隨后置于程序控溫箱內。在實驗前首先對各氣路管道進行氣密性檢查，校準無誤后開始實驗。

實驗過程中，以100 cm3/min的速度向煤樣室充入干空氣，控溫箱初始溫度設置為25℃，升溫速度在25～80℃時控制為0.5℃/min，80～200℃時為1.0℃/min，200～300℃時為2.0℃/min，加熱過程氣體取樣間隔時間控制為20 min每次。分別研究了正常供氧環境即O2體積分數為20.9%時的自燃氧化過程，如圖3～圖5所示，以及O2體積分數為10.0%、7.0%的低氧環境煤的氧化過程，如圖6～圖7所示。

圖5 煤樣自然發火過程烯烷比Fig.5 Ratio of ene to alkanes during spontaneous combustion of coal sample

2.3 實驗結果

2.3.1 3-5煤自燃氧化氣體生成規律

（1）CO、CO2、CH4氣體生成規律。

CO是煤氧化過程中出現最早的氧化氣體產物，且貫穿于整個煤樣氧化過程，如圖3所示。研究煤樣CO產生的臨界溫度為49℃。CO氣體生成量隨煤樣溫度升高大體呈指數型增加，煤溫升至137℃之前，生氣量較低，137～191℃時增速加快，191℃后增速進一步增大。CO2生氣量隨煤樣溫度升高同樣呈指數型增加，煤溫升至85℃之前，生氣量較低，85℃至191℃時增速加快，191℃后增速急劇增大。CH4生氣量隨煤樣溫度升高呈3個階段，煤溫升至159℃之前，生氣量較低，159～231℃時增速加快，231℃后增速進一步增大。

圖3 煤樣升溫氧化過程常規氣體體積分數變化Fig.3 Changes of conventional gas volume fraction during heating oxidation of coal samples

（2）其他烴類氣體生成規律。

煤自燃氧化過程中，烷烴氣體C2H6、C3H8、C4H10與烯烴氣體C2H4、C3H6生成規律一致，隨煤溫升高呈緩慢增長—加速增長—降低3個階段，且各變化階段臨界溫度同步；隨煤溫升高，各烴類氣體生成量隨C原子數增多而減少；隨煤溫升高，烷烴類氣體生成量＞烯烴類＞炔烴類，如圖4所示。由各烴類氣體生氣規律，可推測除部分CH4為吸附氣外，其余CH4及各烴類氣體主要是實驗煤樣自燃氧化過程所生成。C2H2氣體生成表明煤氧化進入燃燒階段，隨煤溫升高而增多，生氣量微少。

圖4 煤樣升溫氧化過程烴類氣體體積分數變化Fig.4 Volume fraction change of hydrocarbon gases during heating oxidation of coal samples

結合實驗過程O2消耗量及CO、CO2生氣量變化，可知實驗煤樣在自然氧化過程同樣遵循3個發展階段，其中緩慢氧化發展階段，煤溫＜159℃，耗氧量低，CO、CO2生成緩慢；加速氧化階段，C2H4氣體生成，煤溫159～231℃，耗氧量開始增大，CO、CO2生氣量逐漸增大；激烈氧化階段，煤溫＞231℃，烯烷比達峰值（圖5），耗氧量急劇增大，O2體積分數快速下降，CO2生氣量陡增，CO生氣量也呈現大幅增加。

實驗煤樣取自低瓦斯礦井煤層，煤吸附CH4、CO2量較低，由圖3、圖4可知，在煤溫較低的緩慢氧化階段，亦即煤樣初始加熱階段，已有CO2和CH4生成，而其他烷烴類、烯類和C2H2氣體直到加速氧化階段后才陸續生成，因此推測初期生成的CO2和CH4氣體主要為吸附氣，且煤中CO2的吸附量要高于CH4。

2.3.2 不同供氧環境煤自燃氧化氣體產物

對實驗煤樣進行了不同供氧環境自然發火模擬試驗，供給的氧氣體積分數分別為20.9%、10.0%和7.0%。圖6、圖7為不同供氧量CO、C2H4、C3H6的生氣特征。

圖6 不同供氧量煤樣升溫氧化時CO生氣特征Fig.6 Characteristics of COgas generation during heating oxidation of coal samples with different oxygen supply

圖7 不同供氧量煤樣升溫氧化時烯烴生氣特征Fig.7 Olefin gas generation characteristics of coal samples with different oxygen supply during heating oxidation

由實驗結果可知，實驗煤樣在不同供氧條件下各氣體產物隨煤溫升高整體變化趨勢一致；相同溫度條件，各主要氣體產物生氣量隨供氧量降低而減少，即降低氧氣體積分數能有效擬制煤的氧化。

3 結 論

（1）中煤塔山礦3-5號煤自燃氧化過程CO、CO2生氣量隨煤樣溫度升高呈指數型增加，CO產生的臨界溫度為49℃。緩慢氧化階段，煤溫＜159℃，吸附性的CO2和CH4氣體逸散；加速氧化階段，煤溫159～231℃；激烈氧化階段，煤溫＞231℃，烯烷比達峰值，耗氧量急劇增大，CO2生氣量陡增。

（2）3-5號煤自燃氧化過程，烷烴氣體C2H6、C3H8、C4H10與烯烴氣體C2H4、C3H6生成規律一致，隨煤溫升高呈緩慢增長—加速增長—降低3個階段；隨煤溫升高，各烴類氣體生成量隨C原子數增多而減少；隨煤溫升高，烷烴類氣體生成量＞烯烴類＞炔烴類。

（3）相同溫度條件，各主要氣體產物生氣量隨供氧量降低而減少，表明降低氧氣體積分數能有效擬制3-5號煤的氧化。