基于煤自燃標志性氣體的阻化劑優(yōu)選研究

張 燕

(山西潞安化工集團 余吾煤業(yè)有限責任公司，山西 長治 046100)

礦井火災一直都是制約我國煤礦安全高效開采的重要影響因素之一[1]。礦井火災是復雜的物理化學反應，多發(fā)于采空區(qū)遺煤自燃。采空區(qū)特殊的位置環(huán)境，導致采空區(qū)遺煤自燃具有隱匿性，難發(fā)現(xiàn)、難預防、難治理、危險性大[2-3]，因此防治采空區(qū)遺煤自燃的工作尤為重要。根據采空區(qū)的實際情況，防治遺煤自燃的方法一般有噴灑阻化劑、注漿、注惰性氣體、均壓等[4-5]。其中噴灑阻化劑是非常重要的手段，阻化劑種類和復配的選擇性多，需要對不同阻化劑的阻化效果進行研究[6-8]。通過分析阻化前后對指標氣體的影響來優(yōu)選合適的阻化劑。

鑒于此，筆者對沙坪煤礦8號煤層煤樣和13號煤層煤樣添加NaHCO3、CaCl2和水玻璃以及兩兩組合6種阻化劑進行處理后，利用程序升溫實驗裝置，以阻化劑對煤指標氣體產量和產氣溫度的影響大小為指標，得到表征不同阻化劑阻燃性能的參數(shù)，以期篩選出性能優(yōu)良的阻化劑，為建立相應的預防預測體系，有效地預防礦井采空區(qū)遺煤自燃提供了理論指導。

1 煤自燃氧化程序升溫試驗

1.1 試驗裝置系統(tǒng)及原理

試驗裝置系統(tǒng)主要由程序升溫氧化實驗裝置、氣相色譜儀等組成。程序升溫氧化實驗裝置由煤樣氧化室、加熱爐、溫度控制箱、氣路系統(tǒng)組成，與氣相色譜儀配合使用，完成自然發(fā)火標志氣體及其指標測試工作。程序升溫箱內部反應器為導熱性良好的銅制罐體，罐體上、中、下分別開孔用于連接出氣管路、熱電偶、進氣管路；箱內風扇可使箱體內部的溫度均勻分布，從而使反應器更加均勻地受熱；進氣管路盤繞于反應器底部，可將進入反應器內的氣體提前預熱至與箱體內部同樣溫度，保證反應器內部與外部溫度相同。指標氣體數(shù)據采集裝置為氣相色譜分析儀，可以實時檢測程序升溫過程中反應器內煤各種指標性氣體的含量，通過對采集到的數(shù)據進行分析，計算出程序升溫過程中煤樣生成指標氣體濃度的變化。煤自燃危險特性測試系統(tǒng)如圖1所示。

圖1 煤自燃危險特性測試系統(tǒng)圖

1.2 試驗條件及過程

采集沙坪煤礦8號和13號煤層新鮮煤樣。首先分別將各種煤樣破碎篩選為20～40目、40～60目、60～80目和80～100目各10 g。每種煤樣按照每份40.0 g的劑量取樣，將樣品放置于煤樣反應罐中備用。在相同實驗條件下，分別進行程序升溫氧化實驗，通過控制流量計保證流入反應罐的空氣流量為恒定的100 mL/min，并檢查氣路密閉性；之后通過程序升溫箱控溫系統(tǒng)，將煤樣以1 ℃/min的溫升速率，從室溫升溫至250 ℃，每升溫10 ℃利用氣相色譜儀測定煤自燃過程中指標氣體的濃度變化。煤自燃程序升溫試驗條件如表1所示。

表1 煤樣程序升溫試驗條件

1.3 試驗結果與分析

在模擬沙坪煤礦2種煤樣自然發(fā)火過程中，測得試驗產物有O2、N2、CO、CO2、C2H4、C2H6、H2，通過繪制各氣體產物濃度隨溫度升高的變化曲線圖，分析氣體濃度和溫度關系的變化規(guī)律，可以發(fā)現(xiàn)CO、C2H4、H2的濃度變化規(guī)律與溫度的關聯(lián)度比較有特征性，具體如圖2、圖3所示。

圖2 8號煤層煤樣氣體產物濃度與溫度關系圖

由圖2可知，8號煤樣在試驗過程中，產物CO濃度隨煤溫升高整體呈上升趨勢。煤樣在30～70 ℃時，CO氣體濃度較小且基本不變；在煤溫升至70～80 ℃時，CO濃度以小速率開始增大，說明煤樣已經開始發(fā)生緩慢氧化；當煤溫升至100 ℃

由圖3可知，13號煤樣在試驗過程中，產物CO濃度隨煤溫升高整體呈上升趨勢。煤樣在30～60 ℃時CO氣體濃度較小且基本不變；在煤溫升至60～70 ℃時，CO濃度以小速率開始增大，說明煤樣已經開始發(fā)生緩慢氧化；當煤溫升至90 ℃

圖3 13號煤層煤樣氣體產物濃度與溫度關系圖

2 阻化前后指標氣體起始溫度變化及阻化劑優(yōu)選

2.1 煤樣制作及試驗過程

為了分析、對比不同阻化劑的阻化效果，分別對相同條件下的原煤樣和不同阻化浸潤過的煤樣進行自燃氧化試驗，試驗條件和上述指標氣體優(yōu)選相同。其中補添加任何阻化劑的原煤組作為對照組，試驗組是在原煤樣的基礎上分別添加NaHCO3、CaCl2、水玻璃、NaHCO3+CaCl2、NaHCO3+水玻璃和CaCl2+水玻璃，充分攪拌后放在溫度設定為30 ℃的真空干燥箱中，靜置48 h，試驗組的阻化劑添加情況如表2所示。

表2 阻化劑的添加情況

2.2 試驗結果與分析

試驗得到煤樣指標氣體在阻化前后的濃度變化，由于CO的變化作為阻化劑前后的影響指標難以給出有效的分析，故選取了規(guī)律性好的C2H4和H2濃度與溫度的關系曲線圖，如圖4、圖5所示。

圖4 8號煤層煤樣指標氣體濃度與溫度關系圖

由圖4可知，添加阻化劑的煤樣和原煤樣在同樣試驗條件下，產生的C2H4和H2濃度在整體變化趨勢相同的基礎上，產量都有不同程度的下降，且產生的起始溫度也都有不同程度的升高。其中當溫度超過110 ℃時，NaHCO3、CaCl2和水玻璃阻化煤樣幾乎同時產生C2H4，但隨著溫度的升高，水玻璃阻化煤樣的增加速率最慢；當溫度超過150 ℃時，NaHCO3+CaCl2、水玻璃+CaCl2和水玻璃+NaHCO33組混合阻化煤樣幾乎同時產生C2H4，但隨著溫度的升高，水玻璃+NaHCO3混合阻化煤樣的增加速率最慢。

當溫度超過110 ℃時，NaHCO3、CaCl2和水玻璃阻化煤樣與原煤幾乎同時產生H2，但隨著溫度的升高，原煤樣的產生H2速率最大；當溫度超過130 ℃時，NaHCO3+CaCl2和水玻璃+CaCl2兩組混合阻化煤樣幾乎同時產生H2，而水玻璃+NaHCO3混合阻化煤樣在溫度超過150 ℃時，才開始產生H2，且增加速率最慢。

綜上分析，針對8號煤層煤樣，水玻璃+NaHCO3、水玻璃+CaCl2、NaHCO3+CaCl2、水玻璃、CaCl2、NaHCO3的阻化效果依次遞減。

由圖5可知，添加阻化劑的煤樣和原煤樣在同樣試驗條件下，產生的C2H4和H2濃度同樣在整體變化趨勢相同的基礎上，產量都有所下降，且起始溫度也都有所升高。其中當溫度超過110 ℃時，NaHCO3、CaCl2和水玻璃阻化煤樣幾乎同時產生C2H4，水玻璃阻化煤樣的產氣速率最慢；當溫度超過130 ℃時，NaHCO3+CaCl2混合阻化煤樣開始產生C2H4；當溫度超過150 ℃時，水玻璃+CaCl2混合阻化煤樣開始產生C2H4；溫度超過170 ℃時，水玻璃+NaHCO3混合阻化煤樣開始產生C2H4。

圖5 13號煤層煤樣指標氣體濃度與溫度關系圖

當溫度超過110 ℃時，NaHCO3阻化煤樣與原煤幾乎同時產生H2，但隨著溫度的升高，原煤樣的產H2速率大；當溫度超過130 ℃時，CaCl2和水玻璃兩組阻化煤樣幾乎同時產生H2，但隨著溫度的升高，水玻璃阻化煤樣產氣速率較慢；當溫度超過150 ℃時，NaHCO3+CaCl2和水玻璃+CaCl2兩組混合阻化煤樣幾乎同時產生H2，而水玻璃+NaHCO3混合阻化煤樣在溫度超過170 ℃時，才開始產生H2，且增加速率最慢。

綜上分析，針對13號煤層煤樣，水玻璃+NaHCO3、水玻璃+CaCl2、NaHCO3+CaCl2、水玻璃、CaCl2、NaHCO3的阻化效果依次遞減。

3 結 語

1) 根據試驗結果建立了以CO、C2H4和H2為指標氣體的8號和13號煤層預測預報煤自燃體系。

2) 提出了以指標氣體產量和起始溫度值相結合的評判阻化效果指標。

3) 不同阻化劑處理8號和13號煤樣的阻化效果由高到低依次為水玻璃+NaHCO3、水玻璃+CaCl2、NaHCO3+CaCl2、水玻璃、CaCl2、NaHCO3。