楊小彬,聶朝剛,張子鵬,熊紫琛,裴艷宇
中國礦業(yè)大學(xué)(北京)應(yīng)急管理與安全工程學(xué)院,北京 100083
我國95%以上的煤礦都采用井工開采,常面臨著瓦斯、火災(zāi)、水害、粉塵及頂板事故等多種災(zāi)害[1-4]。其中,井下火災(zāi)大多與采空區(qū)遺煤氧化緊密相關(guān);CO作為煤氧化過程中的產(chǎn)物,成為井下火災(zāi)預(yù)測預(yù)報(bào)的主要指標(biāo)氣體[5-7]。根據(jù)我國《煤礦安全規(guī)程》第一百三十五條表4礦井有害氣體最高允許濃度規(guī)定,CO最高允許濃度為 0.002 4%[8]。我國西北部煤層埋藏普遍較淺的礦區(qū),其典型的賦存特征是埋藏淺、基巖薄、上覆厚松散沙層。例如,銅匠川礦區(qū)高家梁煤礦、神東礦區(qū)補(bǔ)連塔煤礦等,在正常生產(chǎn)開采過程中,長期檢測到其井下綜采工作面回風(fēng)上隅角CO濃度存在異常,回風(fēng)上隅角CO濃度存在不同程度的超限,但生產(chǎn)現(xiàn)場并未出現(xiàn)其他自然發(fā)火的征兆[9-12]。該現(xiàn)象增加了井下正常生產(chǎn)時(shí)的事故風(fēng)險(xiǎn),容易引發(fā)采空區(qū)遺煤的自然發(fā)火。為了井下工人的生命安全,避免造成設(shè)備和財(cái)產(chǎn)的巨大損失,有必要弄清楚較淺埋煤層工作面采空區(qū)CO生成規(guī)律。
國內(nèi)外學(xué)者對煤升溫氧化產(chǎn)氣規(guī)律開展了大量的研究。蔣志剛[13]利用煤低溫自然發(fā)火實(shí)驗(yàn)?zāi)M得出CO氣體產(chǎn)生量和產(chǎn)生速率與煤樣溫度的關(guān)系方程,主要通過φ(CO)/φ(CO2)及φ(CO)/φ(CO2)兩個(gè)指數(shù)隨著溫度的變化關(guān)系掌握CO氣體的變化規(guī)律,得到CO產(chǎn)生量隨煤溫升高而增大。譚波等[14]發(fā)現(xiàn),在煤層鉆孔作業(yè)時(shí)有一定量的CO生成,且CO的生成量與鉆頭轉(zhuǎn)速和溫度成正比。秦躍平等[15]研究發(fā)現(xiàn),不同粒徑的煤樣氧化速率隨溫度升高而增大,粒徑較小的煤樣耗氧速率增加較快。楊小彬等[16]構(gòu)建了工作面氧氣濃度預(yù)測模型,為工作面氣體異常防治提供了思路。王鳳雙等[17]基于程序升溫實(shí)驗(yàn)系統(tǒng),研究了檸條塔礦6種粒徑煤樣低溫氧化過程的升溫速率變化規(guī)律。李宗翔等[18]用封閉耗氧實(shí)驗(yàn)確定采空區(qū)窒熄帶臨界氧氣體積分?jǐn)?shù)的新方法。鄧軍等[19]利用煤自燃程序升溫實(shí)驗(yàn)裝置,研究了不同粒徑煤樣在低溫氧化階段的耗氧速率以及氣體產(chǎn)物與溫度對應(yīng)關(guān)系,得到不同粒徑煤樣的臨界溫度點(diǎn)。陳興等[20]發(fā)現(xiàn)粒徑越小的煤樣氣體產(chǎn)生速率的變化幅度越大,隨著煤樣粒徑的減小,煤樣和O2反應(yīng)面積增大,交叉點(diǎn)溫度相應(yīng)降低,煤樣粒徑對煤自燃有明顯影響。
以上學(xué)者對煤樣的升溫氧化規(guī)律做了大量的研究,但對淺埋煤層綜采面回風(fēng)上隅角處長期存在CO異常及其采空區(qū)內(nèi)CO產(chǎn)生規(guī)律的研究較少??紤]高家梁礦淺埋綜采面回風(fēng)上隅角處長期存在CO異常問題,可能與采空區(qū)內(nèi)遺煤氧化有關(guān),為避免采空區(qū)實(shí)測時(shí)溫度探頭的測量誤差導(dǎo)致遺漏高溫區(qū)域,并研究采空區(qū)內(nèi)遺煤可能出現(xiàn)的局部高溫區(qū)域的CO產(chǎn)生規(guī)律,利用油浴式煤升溫氧化實(shí)驗(yàn)裝置對高家梁礦煤樣進(jìn)行升溫氧化實(shí)驗(yàn),通過模擬煤體自熱升溫來探究煤在氧化過程中O2、CO及CO2濃度的變化規(guī)律,同時(shí)計(jì)算煤的耗氧速率、CO和CO2產(chǎn)生速率以及氧化放熱強(qiáng)度[21],并繪制各參數(shù)隨溫度變化的曲線圖,依次分析和歸納各煤樣的臨界溫度,最后通過回歸分析得到煤的耗氧速率、CO產(chǎn)生速率與溫度的關(guān)系。
本文主要以高家梁礦淺埋煤層煤樣為研究對象,與陽泉礦深埋煤層煤樣相對比,研究淺埋煤層煤體氧化過程中的CO產(chǎn)生規(guī)律,進(jìn)而為淺埋綜采面上隅角CO長期異常提供解決思路,同時(shí)為不同埋深礦區(qū)的自然發(fā)火防治提供參考依據(jù)。
高家梁礦地處鄂爾多斯市,井田內(nèi)賦存煤層的變質(zhì)程度普遍較低,綜合機(jī)械化采煤工藝,自然垮落法處理采空區(qū)。本次研究煤層為2-2中、3-1、4-2中煤層,變質(zhì)階段為煙煤Ⅰ階段,埋深 196~278 m。其中,2-2中煤層厚度0~6.07 m,平均2.99 m;3-1煤層全區(qū)可采,煤層厚0.34~6.96 m,平均2.20 m;4-2中煤層基本全區(qū)可采,煤層厚度0.29~5.62 m,平均2.76 m。據(jù)高家梁礦生產(chǎn)地質(zhì)報(bào)告,2-2中煤、3-1煤、4-2中煤層煤塵均有爆炸性和自燃性,屬于I級易自燃煤層。煤層自然發(fā)火期為40~60 d,地溫11.5 ℃~13.7 ℃。
陽泉礦區(qū)位于沁水盆地東北部,煤層屬于變質(zhì)程度稍低的無煙煤,綜合機(jī)械化采煤工藝,一次采全高。15煤層均厚5.88 m,為全區(qū)穩(wěn)定可采煤層,埋深基本在1 200 m以淺[22],陽泉礦區(qū)埋深 300~1 000 m煤層含氣量在5~30 m3/t之間。相比而言,陽泉礦煤層埋藏更深。
本實(shí)驗(yàn)煤樣采自高家梁礦2-2中、3-1、4-2中煤層和陽泉礦煤層,以高家梁礦淺埋煤層為主,用陽泉礦深埋煤層做對比。將煤樣用顎式破碎機(jī)破碎,篩分0.18~0.25 mm(60~80目)粒徑的顆粒各160 g作為實(shí)驗(yàn)煤樣,最后把煤樣標(biāo)號,封口待用。具體采集煤樣見表1。
表1 采集煤樣信息Tab.1 Collected coal sample information
采用硅油作為導(dǎo)熱介質(zhì),使煤樣升溫氧化時(shí)溫度分布更均勻、溫升速率更容易控制。油浴式煤低溫氧化實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)如圖1所示。
1—質(zhì)量流量計(jì);2—混氣室;3—升溫爐;4—預(yù)熱銅管;5—攪拌器;6—加熱圈;7—硅油;8—煤樣罐;9—測溫線路;10—控制面板圖1 油浴式煤升溫氧化實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)原理Fig.1 Schematic diagram of oil bath coal low temperature oxidation experiment system
升溫氧化實(shí)驗(yàn)進(jìn)行時(shí),由氣泵向煤樣罐提供空氣,保證恒定的進(jìn)氣口氧氣濃度。采用油浴式升溫裝置,每隔10 ℃進(jìn)行一次數(shù)據(jù)采集,設(shè)置每升高10 ℃恒溫45 min。實(shí)驗(yàn)開始時(shí)系統(tǒng)會以1 ℃/min的速率自動進(jìn)行升溫,將油溫保持在15 ℃,程序設(shè)定自動保持恒溫一段時(shí)間,5 min內(nèi)不發(fā)生大的變化時(shí)煤溫已經(jīng)趨于穩(wěn)定。此時(shí)打開氣閥將氣體通入島津GC-2014型氣相色譜儀,分析出口側(cè)各氣體的濃度,15 min后進(jìn)入下一升溫階段進(jìn)行分析。煤樣在每個(gè)設(shè)定溫度下進(jìn)行2組實(shí)驗(yàn),對比實(shí)驗(yàn)結(jié)果,選取線性回歸擬合相對誤差值較小的一組作為實(shí)驗(yàn)結(jié)論??紤]高家梁礦采空區(qū)內(nèi)遺煤溫度并未達(dá)到很高這一實(shí)際情況,故重復(fù)操作從平均低溫21.2 ℃升溫至170 ℃,結(jié)束該煤樣實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)裝置如圖2所示。
圖2 油浴式煤升溫氧化實(shí)驗(yàn)裝置Fig.2 Oil bath coal low temperature oxidation experimental device
實(shí)驗(yàn)通過分析升溫爐進(jìn)出口氣體的濃度和成分變化,分別得到了煤樣的O2消耗量和耗氧速率以及CO、CO2的生成量和生成速率,將各氣體變化參數(shù)代入公式計(jì)算得到各煤樣的放熱強(qiáng)度。實(shí)驗(yàn)結(jié)果發(fā)現(xiàn),各礦井采集煤樣在低溫時(shí)便發(fā)生氧化,O2逐漸被消耗并產(chǎn)生了CO2,但CO初始測定時(shí)產(chǎn)生量較低;隨著溫度升高O2的消耗速率逐漸增加,CO2和CO產(chǎn)生量也逐漸增加,表示煤的氧化速率也逐漸加快。
為更加直觀地觀察各煤層生成氣體和氧氣消耗隨溫度變化關(guān)系,繪制煤樣氧化實(shí)驗(yàn)過程中的氣體變化圖。
3.1.1 氧氣消耗量與溫度之間的變化關(guān)系
實(shí)驗(yàn)過程中的氧氣消耗量與溫度之間的變化關(guān)系如圖3所示。
圖3 O2消耗量隨溫度變化的對比曲線Fig.3 Comparison curve O2 consumption with temperature changing
由圖3可以看出:
(1) 輸出氣體中O2的濃度隨著溫度的升高而降低,代表著實(shí)驗(yàn)過程中各煤層煤樣一直進(jìn)行氧化反應(yīng)并消耗氧氣。
(2) 各煤樣氧氣濃度降低的速率各不相同。在實(shí)驗(yàn)開始溫度較低時(shí),氧氣濃度下降均較為平緩,各煤樣差距較小,但隨溫度升高各煤樣差距逐漸明顯;在同一煤溫下,高家梁礦各煤層煤樣的氧氣消耗量明顯大于陽泉礦。
(3) 觀察任一煤樣氧氣下降速率,當(dāng)實(shí)驗(yàn)開始溫度較低時(shí),各煤樣氧氣濃度下降均較為平緩,但高家梁礦各煤樣在煤溫達(dá)到40 ℃時(shí)出現(xiàn)第一次突躍,各煤樣的氧氣消耗速率增加;當(dāng)煤溫達(dá)到130 ℃時(shí),高家梁礦各煤樣出現(xiàn)第二次突躍,各煤樣氧氣消耗速率再次增加。而陽泉礦煤樣則只有一次明顯突躍,且滯后至120 ℃左右。
3.1.2 碳氧化合物產(chǎn)生量與溫度之間的變化關(guān)系
實(shí)驗(yàn)過程中的碳氧化合物產(chǎn)生量與溫度之間的變化關(guān)系如圖4和圖5所示。
圖4 CO生成量隨溫度變化的對比曲線Fig.4 Comparison curve CO production with temperature changing
圖5 CO2生成量隨溫度變化的對比曲線Fig.5 Comparison curve CO2 production with temperature changing
由圖4和圖5可以看出:
(1) 各煤層CO和CO2的體積分?jǐn)?shù)隨著溫度的升高而增大,高家梁礦各煤層在低溫時(shí)便發(fā)生氧化產(chǎn)生了CO,且在煤溫僅40 ℃時(shí)CO產(chǎn)生的體積分?jǐn)?shù)便達(dá)到了1×10-4,煤礦現(xiàn)場監(jiān)測數(shù)據(jù)約為8×10-5,考慮煤樣從取樣到實(shí)驗(yàn)室實(shí)驗(yàn)期間已發(fā)生常溫氧化,因此實(shí)驗(yàn)結(jié)果數(shù)據(jù)相對可靠,證明采空區(qū)內(nèi)遺煤氧化是影響綜采面回風(fēng)上隅角CO異常的直接原因。
(2) 各煤樣CO和CO2的生成速率各不相同。實(shí)驗(yàn)開始溫度較低時(shí),埋深不同的各煤樣CO和CO2的生成均較為平緩,各煤樣差距較小;隨著溫度升高,各煤樣差距逐漸明顯,同一煤溫下,高家梁礦各煤層煤樣的CO和CO2的生成量明顯大于陽泉礦的煤樣。
(3) 觀察任一煤樣CO和CO2的生成速率,當(dāng)實(shí)驗(yàn)剛開始溫度較低時(shí),各煤層CO和CO2的生成均較為平緩,但高家梁礦各煤樣在煤溫達(dá)到40 ℃左右時(shí)出現(xiàn)第一次突躍,各煤樣的CO和CO2的生成速率增加,在煤溫達(dá)到130 ℃左右時(shí)高家梁礦各煤樣出現(xiàn)第二次突躍,各煤樣CO和CO2的生成速率再次增加。而陽泉礦煤樣的CO和CO2的生成速率在煤溫達(dá)到100 ℃左右出現(xiàn)第一次突躍,在160 ℃左右僅有CO2的生成速率出現(xiàn)第二次突躍??梢?,淺埋煤層的煤樣比深埋煤層煤樣更易升溫氧化,提前進(jìn)入加速氧化階段。
為了觀察煤升溫氧化時(shí)的氣體產(chǎn)生速率與耗氧速率,更加準(zhǔn)確地確定各煤樣氧化過程中的臨界溫度,需對煤的升溫氧化過程中的氣體變化數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算分析。根據(jù)煤樣在升溫氧化過程的氧濃度消耗量與溫度變化的關(guān)系來計(jì)算煤樣的耗氧速率。
本次實(shí)驗(yàn)升溫速率保持在1 ℃/min,油溫變化速率緩慢,且實(shí)驗(yàn)使用煤樣量較小,可以認(rèn)為煤罐內(nèi)的溫度保持均勻變化,則可推導(dǎo)出單位體積煤的平均耗氧速率為
(1)
式中,v(t)為煤樣的耗氧速率,mol/(cm3·s);C為O2濃度,mol/cm3;t為時(shí)間,s;x為軸向單位長度,cm;v為氣體的滲流速率,cm/s;Q為氣體流量,mL/min;S為煤罐斷面積,cm2;n為煤樣的孔隙率,%。
在新鮮空氣中煤耗氧速率為
(2)
式中,v0(t)為新鮮風(fēng)流中煤耗氧速率,mol/(cm3·s);C0為進(jìn)風(fēng)氧濃度,取21%。
對耗氧速率進(jìn)行積分可得
(3)
式中,L為裝煤的高度(包含孔隙),cm;C1為每次實(shí)驗(yàn)前測得空氣氧濃度,%;C2為出口側(cè)氧濃度,%。
將不同煤樣在各實(shí)驗(yàn)溫度的耗氧速率和CO產(chǎn)生速率分別標(biāo)示于圖6和圖7中,得到各個(gè)煤樣的耗氧速率和CO產(chǎn)生速率隨溫度變化的關(guān)系曲線。
圖6 耗氧速率隨溫度變化的對比曲線Fig.6 Comparison curve of oxygen consumption rate with temperature changing
圖7 CO產(chǎn)生速率隨溫度變化的對比曲線Fig.7 Comparison curve of CO production rate with temperature changing
由圖6和圖7得出:
(1) 隨著溫度升高,耗氧速率和CO產(chǎn)生速率一直在呈加速率增加,表明溫度對煤的氧化速率起著促進(jìn)作用。
(2) 在實(shí)驗(yàn)開始溫度較低時(shí),各煤樣耗氧速率和CO產(chǎn)生速率的變化均較為平緩,各煤樣差距較??;隨著溫度升高,各煤樣差距逐漸明顯。同一煤溫下,高家梁礦各煤層煤樣的耗氧速率和CO產(chǎn)生速率的變化速率總體上明顯大于陽泉礦,且高家梁礦不同埋深煤層的耗氧速率增加速率也不完全相同,依次為2-2中>3-1>4-2中煤層,而埋深趨勢依次為4-2中>3-1>2-2中煤層,說明煤層埋藏越淺,煤的耗氧速率越快。
(3) 觀察高家梁礦各煤樣耗氧速率和CO產(chǎn)生速率,發(fā)現(xiàn)在煤溫達(dá)到40 ℃時(shí)出現(xiàn)第一次突躍,各煤樣的耗氧速率和CO產(chǎn)生速率開始快速增加,且明顯逐漸大于陽泉礦。此時(shí)高家梁礦煤樣可能比陽泉礦先進(jìn)入加速氧化階段;在煤溫升高至130 ℃時(shí)高家梁礦各煤樣出現(xiàn)第二次突躍,煤樣耗氧速率和CO產(chǎn)生速率再次明顯變大,此時(shí)考慮高家梁礦煤樣可能進(jìn)入急劇氧化階段。而陽泉礦煤樣則只有一個(gè)明顯突越,且耗氧速率相對滯后至120 ℃左右,CO產(chǎn)生速率相對滯后至100 ℃左右。表明升溫對不同埋深煤樣的氧化速率促進(jìn)作用不同,對淺埋深煤樣促進(jìn)作用更強(qiáng)。
(4) 綜合高家梁礦煤樣耗氧速率隨溫度的變化情況,得出高家梁礦各煤層煤樣有2個(gè)臨界溫度,分別為40 ℃和130 ℃,煤樣分別進(jìn)入加速氧化階段和劇烈氧化階段。
把耗氧速率、CO產(chǎn)生速率與溫度的關(guān)系以臨界溫度為分界點(diǎn),回歸成前后兩條直線和一條指數(shù)曲線。回歸的直線方程用y=ax+b表示,指數(shù)方程用y=aex表示,如圖8至圖10所示。
圖8 2-2中煤層的耗氧速率和CO產(chǎn)生速率線性回歸分析Fig.8 Linear regression analysis of oxygen consumption rate and CO production rate of 2-2中coal seam
圖9 3-1煤層的耗氧速率和CO產(chǎn)生速率線性回歸分析Fig.9 Linear regression analysis of oxygen consumption rate and CO production rate of 3-1coal seam
圖10 4-2中煤層的耗氧速率和CO產(chǎn)生速率線性回歸分析Fig.10 Linear regression analysis of oxygen consumption rate and CO production rate of 4-2中coal seam
由回歸分析可知,煤在升溫氧化時(shí)耗氧速率、CO產(chǎn)生速率與溫度均存在依賴關(guān)系。可以看出,不同埋深的各煤樣在臨界溫度前后耗氧速率的變化近似成直線關(guān)系和指數(shù)關(guān)系。由此可以根據(jù)溫度來確定煤的氧化階段,從而判斷自然發(fā)火狀態(tài),達(dá)到預(yù)警目的。
煤氧復(fù)合作用理論中,常溫下煤與氧進(jìn)行物理吸附、化學(xué)吸附和化學(xué)反應(yīng)發(fā)生氧化自熱的過程中,均會有不同程度的熱量釋放,但煤體在進(jìn)行物理吸附時(shí)放出的熱量很少,可以忽略。因此,在進(jìn)行煤的放熱量的計(jì)算時(shí),通入氣體中氧氣分別被反應(yīng)生成CO、CO2和化學(xué)吸附兩部分所消耗。此時(shí)得到煤的放熱強(qiáng)度[23]計(jì)算公式為
Q(t)=QO2(t)+QCO(t)+QCO2(t)
(4)
(5)
(6)
(7)
(8)
(9)
計(jì)算各煤層放熱強(qiáng)度并繪制放熱強(qiáng)度隨溫度升高變化曲線,如圖11所示。
圖11 放熱強(qiáng)度隨溫度變化的對比曲線Fig.11 Change curve of heat release intensity with temperature changing
根據(jù)各煤層煤樣放熱強(qiáng)度隨溫度升高變化曲線得出:
(1) 高家梁礦各煤層煤樣放熱強(qiáng)度隨溫度升高而增大。當(dāng)溫度較低時(shí)(≤ 40 ℃),放熱強(qiáng)度隨溫度變化較小,隨溫度的升高略微增大;當(dāng)溫度在40 ℃~130 ℃時(shí),各煤樣放熱強(qiáng)度隨溫度的升高開始加速上升;當(dāng)溫度高于130 ℃以后,耗氧速率隨著溫度的升高而急劇變大,變化趨勢非常明顯。陽泉礦煤樣放熱強(qiáng)度也隨溫度升高而增大,在120 ℃以后增速加快,但明顯低于高家梁各煤層放熱強(qiáng)度。
(2) 各煤樣放熱強(qiáng)度隨溫度的變化情況與前文各氣體產(chǎn)生和消耗規(guī)律類似,更加有力地驗(yàn)證了高家梁一號礦各煤層煤樣有40 ℃和130 ℃兩個(gè)臨界溫度,分別對應(yīng)加速氧化反應(yīng)起點(diǎn)和劇烈氧化反應(yīng)起點(diǎn),而受煤層埋藏深度增加的影響,陽泉礦只有一個(gè)不明顯臨界溫度,相對滯后在100 ℃~120 ℃之間,升溫對淺埋煤樣的氧化放熱促進(jìn)作用更強(qiáng)。
通過對我國西北部高家梁礦淺埋深2-2中、3-1、4-2中煤層綜采面煤樣進(jìn)行升溫氧化實(shí)驗(yàn),并輔以陽泉礦深埋煤層15煤層對比分析,可以得出:
(1) 高家梁礦淺埋深各煤層煤樣在低溫時(shí)便消耗了O2,產(chǎn)生了較高體積分?jǐn)?shù)的CO。其中,3-1煤層綜采面在40 ℃時(shí)CO產(chǎn)生的體積分?jǐn)?shù)達(dá)到了1 × 10-4,接近現(xiàn)場監(jiān)測結(jié)果,足以證明采空區(qū)內(nèi)遺煤氧化是導(dǎo)致其綜采面回風(fēng)上隅角CO異常的主要原因。
(2) 煤層埋藏越淺,升溫氧化時(shí)煤的耗氧速率和CO產(chǎn)生速率越快,升溫對淺埋深煤樣的氧化放熱促進(jìn)作用更強(qiáng)。高家梁礦淺埋深升溫氧化實(shí)驗(yàn)過程中的耗氧速率增加速度依次為2-2中>3-1>4-2中煤層,且相同煤溫下,其各煤層CO產(chǎn)生量和產(chǎn)生速率、O2的消耗量和消耗速率以及放熱強(qiáng)度均明顯大于深埋的陽泉礦煤層。
(3) 高家梁礦淺埋深各煤層有40 ℃和130 ℃兩個(gè)臨界溫度,分別對應(yīng)進(jìn)入加速氧化階段起點(diǎn)和急劇氧化階段起點(diǎn),因此可以根據(jù)溫度來確定煤的氧化階段。而陽泉礦深埋煤層只有一個(gè)不明顯臨界溫度,相對滯后在100 ℃~120 ℃之間。表明淺埋深煤樣比深埋煤層煤樣更易升溫氧化,更早進(jìn)入加速氧化階段,且所需溫度更低,在常溫下就應(yīng)對淺埋深的礦井采取預(yù)防自然發(fā)火措施。
礦業(yè)科學(xué)學(xué)報(bào)2021年1期