煤體自熱氧化氣體生成量與煤溫的耦合變化規律研究

王鵬軍 李清林

（山西亞美大寧能源有限公司，山西 晉城 048100）

0 引言

煤體在一定條件下會發生自熱氧化，當氧化產熱大于煤體表面散熱量時，熱量積聚使煤體升溫，溫度高于一定值會導致煤體發生自燃。據統計，我國礦井火災次數的85%～90%是由煤炭自燃引起的，其中采空區煤自燃火災占比高達60%以上[1]。煤自燃過程會產生許多有害氣體，不僅會造成井下環境污染，還會對井下人員和生產過程的安全帶來影響。因此，有必要研究煤體自熱氧化氣體生成量與煤溫的耦合變化規律。

從現有的文獻來看，李林，陸偉等人[2-3]對煤自燃過程中活化能與溫度之間的規律變化進行了相關研究。戴廣龍，王德明，王寶俊等人[4-6]研究了煤在不同氧化氧化階段下產生的CO、C2H4氣體與其對應的自由基濃度隨溫度的變化規律。

為了分析采空區遺煤在自然過程中釋放有害氣體的成分、濃度與煤溫的耦合變化規律，在大寧煤礦205工作面選取1200kg煤樣進行絕熱氧化試驗。對氧化過程產生的氣體成分進行測定，建立有害氣體生成量與煤溫的定量關系函數，為采空區防火提供理論依據。

1 工作面概況

大寧煤礦為突出礦井，主采3#煤層，煤層不易自燃，煤塵無爆炸性。205綜采工作面東部為回采結束的204工作面，西部為規劃的206工作面，北部為二采區輔助巷，南部為本礦南部邊界及宋王莊村的北部。工作面地面標高+742.7m～+900.6m，工作面煤層底板標高+497.2m～+544.0m，埋深245.5m～356.6m，與地形趨勢相似。該工作面走向長1586.6m，傾斜長度254.5m煤層傾角10°～120°，煤層厚度2.90m～6.05m，平均厚度4.48m。煤層為3#煤層，黑色，塊狀，中至寬條帶結構。亮煤為主為光亮型煤，階梯狀或貝殼狀斷口。夾2層～4層泥巖或含炭泥巖夾矸，夾矸總厚度0.05m～1.2m，平均厚度約0.30m，以中下部夾矸較穩定。本煤層為低灰、特低硫、高熱值無煙煤，優質動力煤及一級合成氨用煤。

2 試驗方案

2.1 試驗裝置

絕熱氧化試驗裝置外形為1.6m高的圓柱爐體，爐體外徑為1.2m，爐體內徑為1.0m，內外徑之間設有水保溫層0.1m，位于爐體上部安裝0.2m高的傘形蓋，底部進氣通道0.2m。氧氣由輸氣通道進過供養孔送至爐體內部，生成氣體由頂部采氣口收集，水保溫層溫度由PLC智能控制器維持恒定。通過高精度GC-001氣相色譜儀分析氧化產生的CO、O2、CH4、C2H4等多種氣體的成分和濃度變化情況。絕熱氧化試驗裝置具體結構如圖1所示。

2.2 測點布置

在煤體自熱氧化過程中，采用熱電偶測量煤體的溫度變化，熱電偶型號為SBW-Pt100，量程為0℃～500℃，精度為0.5級，電流為4mA～20mA，直流電壓為24V。圖1中①～⑩熱電偶在爐體內按等面積布置，各熱電偶測點距裝煤底的高度見表1。

表1 爐體內熱電偶位置表

3 試驗測試結果

通過對205工作面煤樣進行絕熱氧化試驗，對煤體溫度變化、生成的氣體產物及其濃度變化原始數據進行記錄，記錄數據見表2。

表2 煤樣絕熱氧化過程中氣體產物及其濃度變化數據

4 自熱氧化氣體生成量與煤溫的關系

4.1 O2、CO和CO2濃度與煤溫的關系

對205工作面煤樣在絕熱氧化試驗過程中O2消耗以及CO、CO2氣體產物及其濃度變化進行了監測分析，同時得到O2、CO和CO2隨溫度變化規律，如圖2～圖4所示。

根據圖2～圖4擬合得出O2、CO、CO2濃度與煤溫的定量關系函數，如公式（1）～公式（3）所示。

式中：y為不同氣體的濃度，x為煤體的溫度。

根據O2消耗率和CO、CO2生成率的變化程度將煤樣的絕熱氧化過程分為兩個階段。第一階段，即煤體溫度為25.5℃～103.6℃時，O2濃度與溫度的變化呈線性關系，O2消耗速率較小，O2濃度呈現緩慢下降趨勢；CO、CO2的生成速率與煤體溫度呈二次函數增加關系，但生成速率較小，增加較為緩慢，同時煤體溫度的增加也較為緩慢，說明該階段煤體自熱氧化較溫和。第二階段，即煤體溫度高于103.6℃時，O2消耗速率明顯提高，O2濃度隨著煤體溫度的升高急劇下降，煤樣處于加速氧化階段；CO、CO2的生成速率加劇，同時表現為煤樣升溫速率加快。

同時根據表2和圖3可知：煤樣在氧化試驗的開始階段25.5℃（8#傳感器的檢測值）就檢測到CO氣體，其濃度為13.27mg/m3，氧化試驗的全過程都存在CO氣體的生成。根據煤自燃標志性氣體優選原則，煤絕熱氧化試驗過程中監測的CO2一般不作為標志氣體。雖然CO生成量在煤氧化過程分為明顯2個階段，但是CO氣體出現貫穿整個試驗過程，且受采空區遺煤、漏風量等因素的影響，其濃度存在一定的波動性。因此，CO只可作為煤自熱氧化規律的輔助標志氣體。

4.2 烷烴、烯烴濃度與煤溫的關系

對205工作面煤樣在絕熱氧化試驗過程中CH4、C2H6、C3H8和C2H4氣體產物及其濃度變化進行了監測分析，同時得到CH4、C2H6、C3H8和C2H4隨溫度變化規律，如圖5～圖8所示。

根據圖5～圖8擬合得出CH4、C2H6、C3H8和C2H4濃度與煤溫的定量關系函數，如公式（4）～公式（7）所示。

式中：y為不同氣體的濃度，x為煤體的溫度。

從圖5～圖8可知，烷烴類氣體出現的初始溫度及其隨溫度的變化規律，當煤體溫度超過103.6℃時，煤絕熱氧化過程中產生的氣體組分中開始明顯檢測出C2H4、C2H6、C3H8，且隨煤體溫度上升其濃度也在不斷增加。在整個氧化過程中均沒有檢測到C2H2的生成，說明其產生的溫度大于試驗溫度范圍。在煤溫升高過程中出現了C2H4，這時煤的自熱氧化就進入了加速氧化階段，可以說當205工作面檢測到C2H4氣體時，說明井下存在103.6℃以上的高溫點。根據煤標志性氣體優選原則可知：C2H6、CH4存在為煤的原生氣體的可能性，不宜作為標志氣體；而C3H8氣體因煤質的不同，也不適合作為標志氣體。因此，選取，當205工作面檢測到C2H4氣體時，說明煤礦井下存在103.6℃以上的高溫點，可以確定該煤體加速氧化臨界溫度為103.6℃。

現場在205采空區與回風聯絡巷的密閉墻上預留觀測孔，利用抽氣泵抽取已經埋入密閉墻內部采空區探頭內的氣體并儲存在氣樣袋，帶到地面色譜檢測室分析氣體組分，得到205采空區內O2濃度和CO濃度的實測數據，采用氧體積分數（C）劃分煤炭氧化自然“三帶”的指標參數：C（O2）≥18%為散熱帶，8%≤C（O2）＜18%為自燃帶，C（O2）＜8%為窒息帶。根據氧體積分數法及CO體積分數變化，采用min-max優化理論，散熱帶取二者中的最小值，自燃帶取二者中的最大值。得出307采空區散熱帶為0m～34m，自燃帶為34m～130m，窒息帶為＞130m。“三帶”的劃分對防止遺煤自然具有舉足輕重的作用。

5 結論

通過對大寧煤礦205工作面采空區遺煤的絕熱氧化試驗，測得了不同氧化溫度時煤體釋放有害氣體的成分和濃度，建立了有害氣體生成量與煤溫的定量關系函數。綜合分析并確定了以C2H4作為煤層自燃預測預報標志性氣體，煤體的加速氧化臨界溫度為103.6℃，為采空區有害氣體治理和防止自然發火提供理論依據。