曾 強，李根生，金士魁，蒲 燕，婁 芳

(1. 新疆大學干旱生態(tài)環(huán)境研究所，新疆 烏魯木齊 830046；2. 新疆大學資源與環(huán)境科學學院，新疆 烏魯木齊 830046；3.新疆自治區(qū)煤炭科學研究所，新疆 烏魯木齊 830091)

準東大井礦區(qū)主采煤層自燃氧化特性試驗研究

曾 強1,2，李根生1,2，金士魁3，蒲 燕1,2，婁 芳3

(1. 新疆大學干旱生態(tài)環(huán)境研究所，新疆 烏魯木齊 830046；2. 新疆大學資源與環(huán)境科學學院，新疆 烏魯木齊 830046；3.新疆自治區(qū)煤炭科學研究所，新疆 烏魯木齊 830091)

采用程序升溫氧化試驗裝置對準東大井礦區(qū)主采Bm煤層進行了氧化特性試驗。研究了其不同粒徑煤樣自燃臨界溫度TC、CO初始溫度、格雷哈姆指數(shù)及CO、O2隨溫度的變化和其它CnHm氣體初始溫度。試驗表明：在該試驗條件下，CO初始溫度隨煤樣粒徑的減小而增加，平均CO初始溫度為66.37℃；隨煤樣粒徑減小，臨界溫度有所增加，平均臨界溫度為154.73℃；Ta-TCO段平均耗氧速率為0.2454mL/min·℃-1，TCO-Tb段平均耗氧速率為4.0049 mL/min·℃-1；隨氧化進程繼續(xù)(即TCO-Tb段)，80～100目粒徑煤樣溫度耗氧速率高于120～140目、160～180目粒徑煤樣耗氧速率，表明該階段其反應(yīng)活性大于其他粒徑實驗煤樣反應(yīng)活性；70～100℃范圍內(nèi)實驗煤樣R3較R1、R2表征作用更明顯；根據(jù)氧化特性實驗數(shù)據(jù)，可將CO、溫度、O2濃度、格雷哈姆指數(shù)R3及C2H4、C2H6、C3H8作為礦井防滅火監(jiān)測指標指導(dǎo)采場煤自燃火災(zāi)防治。

準東礦區(qū)；自燃氧化特性；臨界溫度；耗氧速率

新疆地區(qū)煤炭資源豐富，主要分布在準噶爾、塔里木、伊犁、吐哈、三塘湖等盆地周緣。在準噶爾盆地周緣分布有準南煤田、準北煤田和準東煤田；在塔里木盆地周緣分布有塔北煤田、塔西煤田和塔東預(yù)測區(qū)；在吐哈盆地分布有托克遜礦區(qū)、鄯善礦區(qū)、大南湖煤田；在伊犁盆地分布有伊北煤田和伊南煤田；在三塘湖盆地分布有三塘湖煤田。其中準東煤田東西長約226km，南北寬約126km，礦區(qū)面積約28476km2，單一開采煤層厚達90m，預(yù)測煤炭資源儲量4580億t，已探明煤炭資源儲量1052億t[1]，屬罕見的千億噸級煤田。受區(qū)域氣候干燥、煤層埋藏淺、煤易自燃及回采率低等因素影響，新疆地區(qū)煤自燃現(xiàn)象十分嚴重。準東大井礦區(qū)主采煤層為中侏羅統(tǒng)西山窯組B組煤層，煤層厚度69.44～83.49m，為單一巨厚煤層。礦區(qū)采場煤自燃是威脅礦井安全生產(chǎn)的主要因素，有必要開展其自燃氧化特性研究。針對煤自燃氧化特性，國內(nèi)外學者開展了大量研究：徐精彩、鄧軍等[2-6]采用大型煤自燃模擬實驗裝置開展自然升溫條件下煤自燃氧化特性研究；王德明等[7]采用FTIR方法，研究了化學阻燃劑對煤自燃氧化進程的影響；余明高等[8-10]采用程序升溫氧化實驗裝置開展程序升溫條件下煤自燃氧化特性研究；陸偉等[11]采用絕熱氧化試驗裝置研究了煤的自燃傾向性；D.S. Nimaje等[12]研究了印度不同煤田煤樣自燃傾向性與煤質(zhì)、自燃敏感指標的關(guān)聯(lián)性；Juwei Zhang等[13]基于煤低溫氧化動力學參數(shù)實驗數(shù)據(jù)，模擬研究了煤堆高度、風速等對儲煤堆自燃的影響；Claudio Avila等[14]通過分析不同煤樣氧化前后巖相特征變化研究了煤樣自燃傾向性；V. Zubícek等[15]采用改進的絕熱氧化實驗方法研究了捷克Ostrava-Karvina煤田36個煤樣的自燃氧化特性。上述研究成果已廣泛應(yīng)用于生產(chǎn)實踐。

本文以準東大井礦區(qū)主采Bm煤層為研究對象，嘗試采用程序升溫氧化實驗研究其自燃氧化特性，以期為該礦區(qū)煤炭開采采場煤自燃火災(zāi)防治提供一定依據(jù)。

1 實驗方法

如圖1所示，程序升溫氧化實驗系統(tǒng)由氣路系統(tǒng)、程序升溫控制系統(tǒng)、溫度記錄系統(tǒng)、絕熱升溫氧化爐和氣相色譜分析儀及附屬裝置組成。

圖1 實驗裝置示意圖

2 實驗過程

將現(xiàn)場采集封裝的新鮮煤樣分別編號，在常溫下進行破碎篩分至粒度為80～100目、120～140目、160～180目，密封保存。

取實驗煤樣100g封裝入絕熱升溫氧化爐內(nèi)的煤樣罐中，接通氣路系統(tǒng)，向煤樣罐中通入流量80L/min的干空氣，同時開啟絕熱升溫試驗爐程序升溫控制開關(guān)。程序升溫控制范圍為室溫～500℃。升溫控制常規(guī)設(shè)置為：室溫～50℃，15min；50～75℃，75～100℃，各15min，升溫速率1.67℃/min；100℃以上，每15℃為一檔，升溫時間15min，升溫速率1℃/min。當絕熱升溫氧化爐溫度每升到一檔程序設(shè)定溫度值時，保持時間5min，用于取氣樣，同時溫度巡檢系統(tǒng)記錄爐腔和煤樣罐中煤樣的溫度。用氣相色譜分析儀對相應(yīng)溫度氣樣進行成分和濃度分析，主要分析O2、CO、CnHm等標志性氣體。當煤樣溫度≥爐腔溫度(即臨界溫度)時結(jié)束試驗。分別對不同粒度實驗煤樣重復(fù)上述過程。

3 實驗結(jié)果與分析

3.1 實驗結(jié)果

經(jīng)實驗分析，大井礦區(qū)主采煤層為不黏煤，其主要煤質(zhì)指標見表1。

采用程序升溫絕熱氧化實驗系統(tǒng)主要測試了不同粒徑煤樣的臨界溫度、煤樣低溫氧化階段O2濃度、CO濃度及CnHm氣體濃度隨煤樣反應(yīng)溫度升高的變化情況。根據(jù)試驗數(shù)據(jù)來判定不同粒徑煤樣自燃發(fā)火的相對難易程度，同時根據(jù)這些特征參數(shù)，預(yù)測和判定采空區(qū)煤自燃氧化的程度。實驗結(jié)果見表2。由表2數(shù)據(jù)繪制不同粒徑試驗煤樣產(chǎn)生的CO及O2隨溫度的變化趨勢，見圖2、圖3；表3表示了不同粒徑試驗煤樣產(chǎn)生CO的初始溫度、臨界溫度和試驗過程的溫度耗氧速率。

表1 準東大井礦區(qū)主采煤層煤質(zhì)指標

表2 不同粒徑煤樣溫度、氣體組分實驗數(shù)據(jù)

溫度耗氧速率計算：溫度耗氧速率反映單位時間煤體溫度每升高1℃其煤氧反應(yīng)的耗氧速率，一定程度可表征煤氧反應(yīng)的強度，計算公式見式(1)。

(1)

式中：VO2為溫度耗氧速率，單位mL/min·℃-1；T1、T2分別表征不同反應(yīng)段的初溫度與末溫度，單位℃；[O2]1、[O2]2分別表征不同反應(yīng)段對應(yīng)初溫度、末溫度時單位時間供氧量，單位mL/min。不同粒徑煤樣反應(yīng)初始-CO初始段、CO初始-臨界溫度段溫度耗氧速率見表3。

3.2 分析

3.2.1 CO初始溫度及濃度分析

表3試驗結(jié)果顯示，不同粒徑實驗煤樣臨界溫度有所不同，隨煤樣粒徑的減小，其CO初始溫度有所降低：80～100目粒徑煤樣CO初始溫度最高，為67.4℃；160～180目粒徑煤樣CO初始溫度最低，為64.7℃。其表明該試驗條件下，隨煤樣粒徑降低，其煤氧初始反應(yīng)易于進行，這與粒徑降低，參與煤氧反應(yīng)的表面積增加有關(guān)。

由圖2，不同粒徑煤樣CO濃度隨溫度呈指數(shù)趨勢增長，其中160～180目粒徑煤樣CO增長趨勢較120～140目粒徑、80～100目粒徑煤樣快。綜合不同粒徑煤樣數(shù)據(jù)，平均CO初始溫度為66.37℃。

圖2 CO濃度隨溫度變化趨勢

圖3 O2濃度隨溫度變化趨勢

表3 準東大井礦區(qū)主采煤層煤樣程序升溫氧化試驗溫度耗氧速率

指標煤樣CO初始溫度(℃)臨界溫度(℃)O2溫度消耗速率(mL/min·℃-1)備注80～100目120～140目160～180目平均67．4067．0064．7066．37151．80154．90157．50154．73Ta?TCO段：0．0965；TCO?Tb段：4．3705Ta?TCO段：0．4291；TCO?Tb段：4．2993Ta?TCO段：0．2105；TCO?Tb段：3．4649Ta?TCO段：0．2454；TCO?Tb段：4．0049Ta：為室溫；TCO：為CO起始溫度；Tb：為臨界溫度前一取樣測點溫度。

3.2.2 臨界溫度與溫度耗氧速率分析

表3試驗結(jié)果顯示，不同粒徑實驗煤樣臨界溫度有所不同，隨煤樣粒徑減小，臨界溫度有所增加。其中可以解釋的原因是隨著粒徑減小，在本實驗條件下，煤樣反應(yīng)表面積增加的同時，其散熱表面積也有所增加，從而使其達到的臨界溫度值也有所增加。結(jié)合溫度耗氧速率數(shù)值分析，80～100目煤樣雖然CO初始溫度最高，但其在后續(xù)煤氧反應(yīng)進程TCO-Tb段溫度耗氧速率最高，即煤氧反應(yīng)強度較其他粒徑強烈，也說明其煤氧反應(yīng)放熱強度較其他粒徑煤樣高，這也是其臨界溫度低的主要原因之一。綜合不同粒徑煤樣數(shù)據(jù)，平均臨界溫度為154.73℃；Ta-TCO段平均耗氧速率為0.2454 mL/min·℃-1，TCO-Tb段平均耗氧速率為4.0049mL/min·℃-1。

3.2.3 O2濃度分析

由圖3可知，隨試驗溫度的升高氧濃度逐漸降低，即參與煤氧反應(yīng)的氧氣數(shù)量增加。試驗表明：120～140目粒徑煤樣Ta-TCO段溫度耗氧速率最大，平均為0.4291mL/min·℃-1；160～180目粒徑煤樣次之，平均為0.2105mL/min·℃-1；80～100目粒徑煤樣最小，平均為0.0965mL/min·℃-1。表明120～140目粒徑煤樣低溫段反應(yīng)活性高于80～100目粒徑、160～180目粒徑煤樣；隨氧化進程繼續(xù)(即TCO-Tb段)，80～100目粒徑煤樣溫度耗氧速率平均為為4.3750mL/min·℃-1，高于120～140目粒徑煤樣的4.2993mL/min·℃-1和160～180目粒徑煤樣的3.4649mL/min·℃-1。表明該階段80～100目粒徑煤樣的反應(yīng)活性大于120～140目粒徑煤樣和160～180目粒徑煤樣。即氧化進程到達一定溫度后，80～100目粒徑煤樣具有更強的氧化活性。

3.2.4 格雷哈姆指數(shù)分析

(2)

(3)

(4)

式中：R1、R2、R3分別為格雷哈姆第一、第二、第三火災(zāi)系數(shù)；ΔCO2為生成的CO2量；ΔCO為生成的CO量；ΔO2為消耗的O2量。R1、R2與R3計算結(jié)果見表4。由表4計算數(shù)據(jù)，繪制R1、R2與R3曲線，見圖4。

表4 格雷哈姆指數(shù)計算表

圖4 格雷哈姆系數(shù)曲線圖

由表4、圖4可知，70～100℃范圍內(nèi)實驗煤樣R3較R1、R2表征作用更明顯，可作為煤自燃早期預(yù)測指標。

3.2.5 其他CnHm氣體分析

本試驗同時分析了測試煤樣產(chǎn)生的CnHm氣體組分。分析結(jié)果顯示各煤層煤樣在接近臨界溫度時可測得C2H4、C2H6、C3H8氣體。該試驗結(jié)果表明，若采場回風流中檢測到該類組分氣體，表明采空區(qū)遺煤已臨近燃燒狀態(tài)或已經(jīng)燃燒。

4 結(jié)語

煤自燃是一個復(fù)雜的煤氧復(fù)合作用過程。各種內(nèi)、外在因素，如煤的品級和煤巖組分、煤的粒度和表面積、煤的水分含量、煤的化學組分和礦物質(zhì)及環(huán)境溫、濕度條件等，對煤的自熱氧化過程產(chǎn)生影響。本文通過程序升溫氧化試驗系統(tǒng)初次對準東煤田大井礦區(qū)主采巨厚煤層開展了氧化試驗特性的研究。試驗表明：在該試驗條件下，CO初始溫度隨煤樣粒徑的減小而增加，CO初始溫度最低為64.7℃，平均CO初始溫度為66.37℃；隨煤樣粒徑減小，臨界溫度有所增加；實驗煤樣平均臨界溫度為154.73℃；Ta-TCO段平均耗氧速率為0.2454mL/min·℃-1，TCO-Tb段平均耗氧速率為4.0049mL/min·℃-1；隨氧化進程繼續(xù)(即TCO-Tb段)，80～100目粒徑煤樣溫度耗氧速率高于120～140目、160～180目粒徑煤樣耗氧速率，表明該階段其反應(yīng)活性大于其他粒徑實驗煤樣反應(yīng)活性；70～100℃范圍內(nèi)實驗煤樣R3較R1、R2表征作用更明顯；根據(jù)氧化特性實驗數(shù)據(jù)，可將CO、溫度、O2濃度、格雷哈姆指數(shù)R3及C2H4、C2H6、C3H8作為礦井防滅火監(jiān)測指標指導(dǎo)采場煤自燃火災(zāi)防治。

[1] 新疆煤田地質(zhì)局. 新疆維吾爾自治區(qū)煤炭資源潛力評價[R]. 烏魯木齊，2010.

[2] 徐精彩,文虎,郭興明.應(yīng)用自然發(fā)火實驗研究煤的自燃傾向性指標[J].西安礦業(yè)學院學報, 1997,17(2):103-107.

[3] 徐精彩,張辛亥,文虎,等.煤氧復(fù)合過程及放熱強度測算方法[J].中國礦業(yè)大學學報：自然科學版,2000, 29(3):253-257.

[4] 鄧軍,徐精彩,李莉,等.煤的粒度與耗氧速度關(guān)系的實驗研究[J].西安交通大學學報, 1999,33(12):106-107.

[5] 鄧軍,徐精彩,李莉,等.不同氧氣濃度煤樣耗氧特性實驗研究[J].湘潭礦業(yè)學院學報, 2001,16(2):12-14.

[6] 鄧軍,徐精彩,徐通莫,等.煤自燃性參數(shù)的測試與應(yīng)用[J].燃料化學學報,2001,29(6): 553-556.

[7] Deming Wang, Guolan Dou, Xiaoxing Zhong, et al. An experimental approach to selecting chemical inhibitors to retard the spontaneous combustion of coal[J]. Fuel, 2014,117:218-223.

[8] 余明高,王清安,范維澄,等.煤與氧反應(yīng)動力學數(shù)學模型及其求解[J].湘潭礦業(yè)學院學報, 2001,16(3):20-23.

[9] 余明高,鄭艷敏,路長,等.煤自燃特性的熱重-紅外光譜實驗研究[J].河南理工大學學報:自然科學版,2009,28(5):547-551.

[10] 余明高,鄭艷敏,路長.貧煙煤氧化熱解反應(yīng)的動力學分析[J].火災(zāi)科學, 2009, 18(3):143-147.

[11] 陸偉,王德明,周福寶,等. 絕熱氧化法研究煤的自燃特性[J].中國礦業(yè)大學學報:自然科學版, 2005, 34(2):213-217.

[12] Nimaje D S, Tripathy D P. Characterization of some Indian coals to assess their liability to spontaneous combustion[J]. Fuel, 2016,163 : 139-147.

[13] Juwei Zhang, Wonyoung Choi,Takamasa Ito, et al. Modelling and parametric investigations on spontaneous heating in coal pile[J]. Fuel, 2016,176:181-189.

[14] Claudio Avila, Tao Wu, Edward Lester, et al. Petrographic characterization of coals as a tool to detect spontaneous combustion potential[J]. Fuel, 2014,125:17-182.

[16] 王德明. 礦井火災(zāi)防治[M]. 北京：煤炭工業(yè)出版社, 2010.

Characteristics of oxidation and spontaneous combustion of the major mining coal seam in Dajing area of Easter Junggar coalfield

ZENG Qiang1,2, LI Gensheng1,2, JIN Shikui3, PU Yan1,2, LOU Fang3

(1. School of Resource and Environment Sciences, Xinjiang University, Urumqi 830046, China;2.Institute for Arid Ecology and Environment, Xinjiang University, Urumqi 830046, China; 3.Xinjiang Coal Research Institute, Urumqi 830091, China)

With the application of programmed temperature-rising coal oxidation experimental apparatus, the authors conducted experiments to study the oxidation process of the major mining coal seam of eastern Junggar coalfield with different particle sizes. Some special parameters, such as the critical spontaneous combustion temperature Tc, the initial temperature for producing the CO, the Graham indexes, the change of CO and O2with the increase of temperature, and other CnHmgases, were analyzed in the present paper. Results show that the initial temperature of CO increases with the reducing of particle sizes. The average initial CO temperature is about 66.37℃, and this phenomenon doesnt represent this sample has more intensity of reaction than that of others. It also shows that the critical temperature increases with the reducing of particle sizes, and the average critical temperature is about 154.73℃. At the stage of Ta-TCO, the average oxygen-consumption rate is about 0.2454 mL/min·℃-1, and at the stage of TCO-Tb, the rate is about 4.0049 mL/min·℃-1. With the progress of oxidation, the oxygen-consumption rate of 80～100mesh size sample is higher than that of 120～140mesh size and that of 160～180mesh size, which indicates that the 80～100mesh sample has much more reaction activities than that of both 120～140mesh and 160～180mesh sizes. At the range of 70～100℃, Graham index R3has much ability to indicate the coal spontaneous combustion than that of R1and R2, which can be used to predict the coal spontaneous combustion. From this research, it is probably to choose the CO concentration, the temperature, the O2concentration, the Graham index R3, the C2H4, the C2H6, and the C3H8to indicate the coal spontaneous combustion in coal mine.

eastern Junggar area; characteristics of oxidation and spontaneous combustion; critical temperature; oxygen consumption rate

2016-07-27

國家自然科學基金項目資助(編號：51374182)；國家自然科學基金項目資助(編號：51164032)；新疆自然科學基金項目資助(編號：2014211A051)；中國博士后科學基金項目資助(編號：2013M542411)

曾強(1969-)，男，湖南湘鄉(xiāng)人，博士，教授級高工，E-mail:mkszq@263.net。

TD88

A

1004-4051(2017)01-0098-06