王 凱，韓 濤，和運(yùn)中

(1.西安科技大學(xué) 安全科學(xué)與工程學(xué)院，陜西 西安 710054；2.西安科技大學(xué) 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

煤自燃是煤炭開采與利用過程中面臨的主要災(zāi)害之一，產(chǎn)生的有毒有害氣體威脅著作業(yè)人員的生命安全，甚至可能引起火災(zāi)、爆炸等重特大事故，制約煤炭行業(yè)的健康發(fā)展[1]。前期研究表明，煤的氧化自燃是一個(gè)非常復(fù)雜的物理化學(xué)過程，在這個(gè)過程中氣體產(chǎn)物會(huì)隨溫度的變化表現(xiàn)出一定的規(guī)律性[2]。因此，通過建立煤自燃過程氣體產(chǎn)物與煤溫之間的對(duì)應(yīng)關(guān)系，能夠有效利用氣體成分預(yù)測(cè)煤自然發(fā)火的程度[3-5]。

目前，用于預(yù)測(cè)煤自燃程度的氣體指標(biāo)可分為單一氣體指標(biāo)與復(fù)合氣體指標(biāo)。其中單一氣體指標(biāo)如CO，C2H4等；復(fù)合氣體指標(biāo)如CO/ΔO2、格雷哈姆系數(shù)、C2H4/C2H6等[6-9]。王德明等利用程序升溫實(shí)驗(yàn)確定了表征煤自燃程度的臨界溫度，通過對(duì)3種不同變質(zhì)程度的煤樣進(jìn)行測(cè)試，發(fā)現(xiàn)程序升溫與絕熱氧化方法的測(cè)試結(jié)果一致[10]。鄧軍等利用程序升溫實(shí)驗(yàn)裝置，測(cè)試分析不同風(fēng)量下CO絕對(duì)產(chǎn)生量的變化規(guī)律，發(fā)現(xiàn)CO絕對(duì)產(chǎn)生量隨風(fēng)量的增加而增多，煤溫越高，煤自燃所需當(dāng)量風(fēng)量就越大[11]。白剛、周西華等對(duì)平莊瑞安煤礦褐煤研究發(fā)現(xiàn)，隨著供風(fēng)量的增加，CO2/ΔO2、CO/ΔO2、C2H4與煤溫的關(guān)聯(lián)程度高，可作為該礦預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)的指標(biāo)氣體[12-13]。呂志金等通過對(duì)5種不同粒徑煤樣的低溫氧化實(shí)驗(yàn)研究發(fā)現(xiàn)，CO濃度與煤溫、風(fēng)量的曲線呈指數(shù)變化關(guān)系[14]。郭文杰、王凱、肖旸等研究了粒徑、氧濃度及風(fēng)量對(duì)煤自燃過程的影響，發(fā)現(xiàn)粒徑介于0.18～0.38 mm，空氣流量為100 mL/min時(shí)，反應(yīng)產(chǎn)生的氣體最多[15-17]。王念鑫、費(fèi)金彪等在恒溫條件下，分析了不同風(fēng)量對(duì)煤自燃過程釋放氣體濃度和產(chǎn)生率的影響，得出CO、CO2氣體濃度隨供風(fēng)量的減小而增大，CO、CO2氣體產(chǎn)生率隨風(fēng)量的增加先升高后降低[18-19]。

本研究基于風(fēng)量對(duì)煤自燃指標(biāo)氣體的影響，分析不同供風(fēng)量下煤氧化過程氣體產(chǎn)生與溫度的對(duì)應(yīng)關(guān)系，確定定量的煤自燃預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)指標(biāo)體系。

1 實(shí)驗(yàn)煤樣

選用的煤樣采自山西潞寧礦區(qū)2號(hào)煤層，變質(zhì)程度為氣肥煤，實(shí)驗(yàn)前將采集的新鮮煤樣在氮?dú)猸h(huán)境下破碎碾磨，篩分選取5種粒徑范圍煤樣(0～0.9，0.9～3，3～5，5～7，7～10 mm)，并各取200 g組成混合粒度煤樣1 kg用于實(shí)驗(yàn)。

2 實(shí)驗(yàn)方法

2.1 實(shí)驗(yàn)裝置

實(shí)驗(yàn)利用西安科技大學(xué)研發(fā)的煤自燃程序升溫裝置，該裝置主要由供氣裝置、控溫裝置及氣體采集與分析裝置組成，實(shí)驗(yàn)裝置如圖1所示。

圖1 程序升溫實(shí)驗(yàn)測(cè)試原理示意

2.2 實(shí)驗(yàn)條件

開始時(shí)，將混合煤樣裝入煤樣罐中，連接好氣路，通入壓縮空氣，空氣流量恒定，將程序升溫箱升溫速率設(shè)定為0.3 ℃/min，當(dāng)煤樣溫度達(dá)到30 ℃時(shí)開始測(cè)定，每隔10 ℃采集一次氣體進(jìn)行色譜分析，直至煤樣溫度達(dá)到170 ℃，結(jié)束本組實(shí)驗(yàn)，待程序升溫箱冷卻，取出煤樣。共進(jìn)行5組樣品測(cè)試，供風(fēng)量分別為80，100，120，140，160 mL/min。

3 結(jié)果與討論

3.1 單一氣體指標(biāo)

3.1.1 CO氣體

作為常用煤自燃指標(biāo)氣體，CO產(chǎn)生量隨煤溫呈一定的規(guī)律性[20-22]，文中CO氣體與溫度對(duì)應(yīng)關(guān)系如圖2所示。從圖2可以看出，5種供風(fēng)量條件下，實(shí)驗(yàn)煤樣升溫過程中CO濃度均隨煤溫的升高不斷增加，且前期產(chǎn)生量低，后期產(chǎn)生速率加快。

圖2 CO隨溫度變化

在5種供風(fēng)量條件下，實(shí)驗(yàn)煤樣氧化產(chǎn)生CO濃度從高到低關(guān)系為：120,100,80,140,160 mL/min。結(jié)果表明，供風(fēng)量與CO產(chǎn)生量不成正比，當(dāng)供風(fēng)量為160 mL/min時(shí)，雖然提供了大量的氧氣，但也帶走了更多熱量，同時(shí)供風(fēng)量增加也相對(duì)降低了CO在產(chǎn)物中的占比。而供風(fēng)量為80 mL/min時(shí)，煤氧化產(chǎn)生的熱量散失少，但提供的氧氣相對(duì)不足，煤氧反應(yīng)不充分，CO產(chǎn)生量較低。供風(fēng)量為120 mL/min時(shí)，為煤氧化自燃提供了一個(gè)較好的供氧和蓄熱條件，煤氧化反應(yīng)較為充分，CO產(chǎn)生速率較快。因此，供風(fēng)量對(duì)煤氧化過程CO濃度有一定的影響，單一CO氣體濃度值無法定量預(yù)測(cè)煤自燃程度。

3.1.2 C2H4與C2H6氣體

實(shí)驗(yàn)中C2H4與C2H6氣體與煤溫的對(duì)應(yīng)關(guān)系如圖3和圖4所示。煤溫達(dá)到90 ℃時(shí)，C2H4氣體開始出現(xiàn)，煤溫越高，C2H4氣體產(chǎn)生量越大。C2H4氣體濃度與供風(fēng)量有關(guān)，當(dāng)流量為120 mL/min時(shí)，氧化反應(yīng)過程釋放C2H4的濃度最高。

圖3 C2H4氣體隨溫度變化

圖4 C2H6氣體隨溫度變化

C2H6氣體在常溫下可以檢測(cè)到，這表明實(shí)驗(yàn)煤樣中賦存有C2H6氣體，在低溫階段C2H6氣體的產(chǎn)生與脫附有關(guān)，煤樣在120 mL/min時(shí)氧化程度高于其他風(fēng)量條件，煤樣脫附量大，同時(shí)提前進(jìn)入裂解溫度產(chǎn)生C2H6。因此，C2H4氣體的出現(xiàn)可以作為煤體達(dá)到90 ℃的重要判識(shí)指標(biāo)，而C2H6并不能作為指標(biāo)氣體。

3.2 復(fù)合氣體指標(biāo)

礦井實(shí)際開采條件下，供風(fēng)量的改變會(huì)對(duì)單一氣體產(chǎn)生較大的影響，因此，通常采用氣體的比值(如CO/O2，CO/CO2等)作為判定煤自燃程度的復(fù)合指標(biāo)[23-25]。

3.2.1 CO/O2

圖5是CO/O2隨煤溫的變化曲線，在煤溫達(dá)到90 ℃之前，CO氣體產(chǎn)生量較小且氧氣消耗少，CO/O2值偏低，100 ℃之后煤樣的氧化反應(yīng)加快，CO/O2值隨煤溫的升高逐漸增大。

圖5 CO/O2隨溫度變化

該數(shù)值發(fā)生突變的階段與CO指標(biāo)是一致的，也符合供風(fēng)量為120 mL/min時(shí)CO產(chǎn)生量大于其它供風(fēng)量條件下的規(guī)律。在氧化升溫初期，CO/O2比值變化幅度較小，幾乎呈直線變化規(guī)律，不能定量反映煤氧化的溫度。當(dāng)煤溫達(dá)到90℃之后，CO/O2比值開始迅速增大，但在不同供風(fēng)量下CO/O2比值差距較大。從總體數(shù)值上看，若檢測(cè)到CO/O2超過0.005，說明煤自燃開始進(jìn)入高溫階段，此時(shí)煤溫高于90 ℃。因此CO/O2比值可以作為本煤樣達(dá)到90 ℃的輔助指標(biāo)。

3.2.2 第1火災(zāi)系數(shù)R1

格氏火災(zāi)系數(shù)于1914年由英國學(xué)者格雷哈姆提出，其中第1火災(zāi)系數(shù)的表達(dá)式為

(1)

式中 +ΔCO2表示煤升溫過程中CO2濃度的增加量，×10-6；-ΔO2表示O2濃度的減少量，%。

從圖6可以看出，不同風(fēng)量下R1值隨溫度的升高呈類“W”型變化趨勢(shì)，在90～100 ℃達(dá)到最大值。對(duì)比不同供風(fēng)量下的R1值，在低溫階段R1受風(fēng)量影響較大，表現(xiàn)出較大波動(dòng)，無法定量判別煤自燃程度。

圖6 R1值隨溫度變化

3.2.3 CO/CO2

圖7表示CO/CO2隨煤溫的變化曲線。

圖7 CO/CO2值隨溫度變化

從圖7可以看出，90 ℃之前，CO/CO2值隨煤溫的升高逐漸增大，不同供風(fēng)量下CO/CO2值差距較小，說明在90 ℃之前供風(fēng)量對(duì)CO/CO2影響較小。在90～120 ℃之間，CO/CO2呈緩慢下降趨勢(shì)。120 ℃之后，CO/CO2值逐漸增大，不同供風(fēng)量下CO/CO2值產(chǎn)生差距，規(guī)律性不強(qiáng)。因此，CO/CO2值可以作為本煤層90 ℃之前的主要判別指標(biāo)，初始溫度至90 ℃的區(qū)間值為0.03～0.3。

3.2.4 C2H6/C2H4

圖8表示C2H6/C2H4隨煤溫變化規(guī)律，90 ℃之前由于C2H4未產(chǎn)生，故討論90 ℃以上C2H6/C2H4隨溫度的變化規(guī)律。C2H6/C2H4的比值隨溫度的升高呈逐漸減小的規(guī)律，供風(fēng)量對(duì)C2H6/C2H4值的影響較小，C2H6/C2H4值可以作為本煤層自燃90 ℃以后的主要判別指標(biāo)，90～170 ℃的區(qū)間值為100～1 000。

圖8 C2H6/C2H4值隨溫度變化

4 結(jié) 論

1)供風(fēng)量引起供氧與散熱雙重作用，宏觀表現(xiàn)為煤自燃的促進(jìn)和抑制效應(yīng)，本研究中供風(fēng)量影響CO氣體產(chǎn)生濃度的排序由高到低為120,100,80,140,160 mL/min。

2)確定了潞寧礦區(qū)氣肥煤自燃定量預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)指標(biāo)體系，即90 ℃以下以CO/CO2值(0.03～0.3)為指標(biāo)、90 ℃時(shí)以C2H4出現(xiàn)為指標(biāo)、90～170 ℃以C2H6/C2H4值(100～1 000)為指標(biāo)。

3)供風(fēng)量的改變顯著影響煤自燃?xì)怏w的產(chǎn)生量，使得單一氣體指標(biāo)不適用于定量判別煤自燃程度，通過改變供風(fēng)量發(fā)現(xiàn)相對(duì)穩(wěn)定的復(fù)合氣體指標(biāo)，可以作為確定煤自燃綜合預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)指標(biāo)的有效方法。