孫 超，李 瑞，姜 維，閆旭斌，劉文永

(1.鄂爾多斯市華興能源有限責(zé)任公司唐家會(huì)煤礦，內(nèi)蒙古 鄂爾多斯 017000；2.準(zhǔn)格爾旗煤炭局，內(nèi)蒙古 鄂爾多斯 017000；3.西安天河礦業(yè)科技有限責(zé)任公司，陜西 西安 710065；4.西安科技大學(xué)安全科學(xué)與工程學(xué)院，陜西 西安 710054；5.陜西省煤火災(zāi)害防治重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，陜西 西安 710054)

0 引言

孤島工作面的開采過(guò)程中存在著地壓增大、漏風(fēng)通道復(fù)雜、采空區(qū)遺煤自燃、煤柱易破碎氧化等特點(diǎn)，嚴(yán)重威脅著礦井的安全生產(chǎn)。因而研究孤島面遺煤的自燃特性，對(duì)于防治孤島面煤體初次、二次自燃災(zāi)害具有指導(dǎo)意義。

許多的學(xué)者對(duì)煤炭二次氧化自燃過(guò)程使用不同方法進(jìn)行了研究，鄧軍[1]使用程序升溫實(shí)驗(yàn)、物理吸附法和紅外光譜對(duì)侏羅紀(jì)煤的初次、二次氧化過(guò)程進(jìn)行研究，發(fā)現(xiàn)二次氧化過(guò)程煤分子含氧官能團(tuán)顯著增多，自燃危險(xiǎn)性增加；文虎，王萌[2-5]通過(guò)程序升溫實(shí)驗(yàn)研究了煤二次氧化的自燃特征氣體產(chǎn)生濃度及耗氧速率的變化規(guī)律；戴廣龍[6]使用自制氧化裝置，研究了褐煤、煙煤和無(wú)煙煤的低溫氧化實(shí)驗(yàn)過(guò)程，揭示了氣體濃度與溫度的變化特征；馬礪和鄧軍[7-8]研究了不同阻化劑對(duì)遺煤初次和二次氧化自燃特性的影響，并對(duì)阻化劑的效果進(jìn)行優(yōu)選；鄧軍、王凱[9]對(duì)復(fù)雜條件下孤島綜放面煤自燃的防治技術(shù)進(jìn)行了研究，并對(duì)實(shí)施效果進(jìn)行了分析，張玉濤[10]基于突變理論對(duì)煤自燃升溫和降溫過(guò)程中非對(duì)稱現(xiàn)象的原因進(jìn)行了闡釋，并使用程序升溫和絕熱氧化實(shí)驗(yàn)進(jìn)行了驗(yàn)證；金永飛[11]使用大型煤低溫自然發(fā)火實(shí)驗(yàn)臺(tái)對(duì)煤樣初次升溫、降溫過(guò)程進(jìn)行模擬，分析了指標(biāo)氣體、溫度的辯護(hù)規(guī)律。目前的研究方向主要是對(duì)煤初次以及二次自燃過(guò)程中升溫階段的氧化自燃特性進(jìn)行測(cè)試，而對(duì)氧化升溫過(guò)后降溫過(guò)程中自燃特性研究較少，并且對(duì)孤島工作面這種特殊條件下遺煤自燃的升溫、降溫過(guò)程的自燃特性涉及更少。因此，基于孤島工作面這一特殊條件下，對(duì)孤島面遺留的原煤和浸水煤的初次、二次氧化升降溫過(guò)程整個(gè)的自燃過(guò)程進(jìn)行程序升溫實(shí)驗(yàn)測(cè)試，研究孤島面遺煤自燃特性以期為孤島面自燃火災(zāi)的預(yù)防提供理論基礎(chǔ)。

1 實(shí)驗(yàn)裝置及過(guò)程

1.1 實(shí)驗(yàn)裝置

實(shí)驗(yàn)采用西安科技大學(xué)自主研發(fā)的公斤級(jí)程序升溫實(shí)驗(yàn)裝置[12]，該裝置主要包含程序升溫箱、氣路和氣樣采集分析3部分，如圖1所示，將制備好的煤樣裝入一個(gè)直徑10 cm，長(zhǎng)22 cm的鋼罐中，上下兩端分別留有2 cm左右自由空間，并放置在程序升溫箱中，使用可控硅控制的程序升溫箱內(nèi)部和煤樣溫度溫差始終保持10 ℃，同時(shí)送入預(yù)熱空氣流量為120 mL/min，按照設(shè)定溫度采集氣體并使用氣相色譜儀分析并記錄。

圖1 公斤級(jí)程序升溫實(shí)驗(yàn)裝置

1.2 實(shí)驗(yàn)過(guò)程

實(shí)驗(yàn)選用唐家會(huì)煤礦61102孤島工作面新鮮塊狀煤樣，使用編織袋密封包裹運(yùn)送至實(shí)驗(yàn)室，并將原煤樣在空氣中破碎并篩分出粒度為：0～0.9 mm、0.9～3 mm、3～5 mm、5～7 mm和7～10 mm的5種粒徑，各粒徑取200 g共1 000 g均勻混合配比成混樣，共制備2份煤樣，其中一份不作任何處理，另一份煤樣浸水24 h，之后在空氣中陰干48 h保存待用；程序升溫箱中進(jìn)行原煤和浸水煤初次-二次氧化的升溫、降溫實(shí)驗(yàn)。

初次-二次氧化升溫：升溫速率0.3 ℃/min，空氣氣體流量120 mL/min，升溫溫度范圍：30～170 ℃，溫度每升高5 ℃取一次氣體，并使用色譜進(jìn)行分析。

初次-二次氧化降溫：降溫速率0.3 ℃/min，空氣氣體流量120 mL/min，降溫溫度范圍：170～30 ℃，溫度每降低5 ℃取一次氣體，并使用色譜進(jìn)行分析。

實(shí)驗(yàn)條件：煤樣的工業(yè)分析和實(shí)驗(yàn)條件見表1和表2。

表1 原煤和浸水煤工業(yè)分析

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析

2.1 煤自燃過(guò)程CO、CO2的變化規(guī)律

圖2～圖3表示原煤和浸水煤初次-二次氧化升溫—降溫過(guò)程CO氣體的變化規(guī)律，從中可以看出，原煤和浸水煤初次-二次氧化升溫—降溫的整個(gè)過(guò)程中伴隨著煤溫度的升高，煤樣生成的CO濃度也越來(lái)越大，在臨界溫度之前升溫和降溫過(guò)程中CO濃度基本相似，之后隨著溫度的升高降溫過(guò)程CO濃度遠(yuǎn)大于升溫過(guò)程，說(shuō)明原煤和浸水煤初次-二次氧化升溫和降溫過(guò)程呈現(xiàn)“非對(duì)稱”的狀態(tài)，存在一定的“滯后”現(xiàn)象，即相同實(shí)驗(yàn)載氣情況下，升溫過(guò)程相比于降溫過(guò)程中生成相同的CO濃度時(shí)溫度發(fā)生一定的“滯后”。

表2 程序升溫實(shí)驗(yàn)條件

圖2 原煤升溫-降溫CO濃度與溫度關(guān)系

圖3 浸水煤升溫-降溫CO濃度與溫度關(guān)系

從圖4～圖5中可以看出，原煤和浸水煤的初次-二次氧化升溫過(guò)程，在臨界溫度之前，CO的濃度基本相似，之后初次氧化升溫過(guò)程浸水煤的CO濃度比原煤的CO濃度較低，而二次氧化升溫過(guò)程原煤和浸水煤曲線在120～140 ℃之間出現(xiàn)交叉點(diǎn)，交叉點(diǎn)溫度之前兩者產(chǎn)生的CO濃度基本相似，交叉點(diǎn)溫度之后浸水煤的CO濃度要大于原煤的CO濃度；而原煤和浸水煤的降溫過(guò)程在臨界溫度之前和升溫過(guò)程相似，臨界溫度之后初次氧化降溫過(guò)程浸水煤和原煤CO濃度隨溫度升高變化值基本一致，二次氧化降溫過(guò)程中浸水煤的CO濃度值要大于原煤產(chǎn)生的CO濃度，說(shuō)明浸水煤二次氧化的自燃危險(xiǎn)性比原煤的要大，煤體浸水之后孔隙變大，更有利于與氧氣結(jié)合發(fā)生氧化，自燃性顯著增加，需要加強(qiáng)監(jiān)測(cè)和重點(diǎn)預(yù)防。

圖4 原煤和浸水煤升溫CO濃度與溫度關(guān)系

圖5 原煤和浸水煤降溫CO濃度與溫度關(guān)系

圖6 原煤升溫-降溫CO2濃度與溫度關(guān)系

圖7 浸水煤升溫-降溫CO2濃度與溫度關(guān)系

圖8 原煤和浸水煤升溫CO2濃度與溫度關(guān)系

圖9 原煤和浸水煤降溫CO2濃度與溫度關(guān)系

圖6～圖9表示原煤和浸水煤初次-二次氧化升溫-降溫過(guò)程CO2氣體的變化規(guī)律，從中可以看出，原煤初次-二次氧化升溫-降溫的整個(gè)過(guò)程中伴隨著煤溫度的升高，煤樣生成的CO2濃度也越來(lái)越大，且整個(gè)降溫過(guò)程CO2濃度比升溫過(guò)程要大，而浸水煤的初次-二次氧化升溫-降溫過(guò)程中出現(xiàn)交叉點(diǎn)，且二次氧化出現(xiàn)2個(gè)交叉點(diǎn)，對(duì)于浸水煤初次氧化交叉點(diǎn)溫度120～140 ℃之前，氧化升溫過(guò)程CO2濃度要大于降溫過(guò)程CO2濃度，之后降溫過(guò)程CO2濃度大于升溫過(guò)程，說(shuō)明高溫階段產(chǎn)生相同濃度CO2的升溫過(guò)程相比降溫過(guò)程出現(xiàn)明顯的“滯后”現(xiàn)象，對(duì)于浸水煤二次氧化過(guò)程臨界溫度之前CO2濃度基本相似，臨界溫度至第一個(gè)交叉溫度點(diǎn)120～140 ℃之間，降溫過(guò)程的CO2濃度要大于氧化升溫過(guò)程，之后到第二個(gè)交叉溫度點(diǎn)150～160 ℃之前，氧化升溫過(guò)程CO2濃度稍大于降溫過(guò)程產(chǎn)生的CO2濃度，之后反之，說(shuō)明浸水煤的二次氧化升溫降溫過(guò)程也存在“滯后”現(xiàn)象。

2.2 煤自燃的耗氧速率分析

耗氧速率是衡量煤體氧化性的指標(biāo)，能夠反應(yīng)煤體對(duì)氧的化學(xué)吸附和化學(xué)反應(yīng)能力，依據(jù)煤樣進(jìn)出口氧濃度差，測(cè)算煤樣總的耗氧速率隨煤溫的變化規(guī)律，計(jì)算公式如下[13-15]：

(1)

式中：Ci、Ci+1—指試驗(yàn)煤樣進(jìn)口、出氣口處的氧濃度；C0—初始氧氣濃度，則取C0=21%；L—試驗(yàn)煤樣高度，cm；Q—煤樣供風(fēng)量，Q=120 mL/min；S—煤樣罐截面積，cm2。根據(jù)氣相色譜儀測(cè)得煤樣罐入口和出口的氧濃度，代入公式(1)可得出耗氧速率隨煤溫的變化規(guī)律，如圖10～圖13所示。

圖10 原煤升溫-降溫耗氧速度與溫度關(guān)系曲線

圖11 浸水煤升溫-降溫耗氧速度與溫度關(guān)系曲線

圖12 原煤和浸水煤耗氧速度與溫度關(guān)系曲線

圖13 原煤和浸水煤耗氧速度與溫度關(guān)系曲線

從圖10～圖13中可以看出，原煤和浸水煤的初次氧化升溫降溫過(guò)程均存在交叉溫度點(diǎn)，在臨界溫度之前耗氧速率基本相似，臨界溫度至交叉點(diǎn)溫度間，初次氧化降溫過(guò)程耗氧速率要大于升溫過(guò)程，之后相反；原煤二次氧化過(guò)程整體上要比初次氧化過(guò)程耗氧速率要大一些，表明二次氧化降溫過(guò)程的“滯后”現(xiàn)象比較明顯，氧化升溫過(guò)程在100 ℃之前耗氧速率相似，之后耗氧速率要大一些，而降溫過(guò)程超過(guò)臨界溫度之后二次氧化耗氧速率要比初次氧化大很多，說(shuō)明二次氧化過(guò)程反應(yīng)速度更快，自燃危險(xiǎn)性增大；原煤和浸水煤氧化升溫過(guò)程在100 ℃之前，耗氧速率基本相似，之后浸水煤的初次和二次氧化升溫過(guò)程耗氧速率比原煤的耗氧速率要大，表明初次氧化之后，煤體中的含氧官能團(tuán)的數(shù)量和種類增多，二次氧化過(guò)程反應(yīng)過(guò)程耗氧量增多，反應(yīng)加快，同時(shí)自燃危險(xiǎn)性也增大，而浸水煤的初次和二次氧化降溫過(guò)程耗氧速率均比原煤的耗氧速率要大。

3 結(jié)論

(1)原煤和浸水煤初次-二次氧化升溫和降溫過(guò)程CO、CO2氣體濃度曲線呈現(xiàn)“非對(duì)稱性”，降溫過(guò)程比升溫過(guò)程的氣體含量相對(duì)較大，升溫過(guò)程相比于降溫過(guò)程中生成相同的氣體濃度時(shí)溫度發(fā)生一定的“滯后”。

(2)原煤和浸水煤經(jīng)過(guò)初次氧化之后，二次氧化過(guò)程耗氧速率增大，反應(yīng)更加劇烈，自燃危險(xiǎn)性增大，導(dǎo)致孤島工作面采空區(qū)遺煤更易自燃，需要重點(diǎn)防治。

(3)原煤浸水之后孔隙變大，更有利于與氧氣結(jié)合發(fā)生氧化，自燃性顯著增加，需要加強(qiáng)監(jiān)測(cè)和重點(diǎn)預(yù)防。