王凱 韓濤 和運中

摘 要：為研究供風(fēng)量對煤自燃指標(biāo)氣體的影響，建立煤自燃定量預(yù)測預(yù)報指標(biāo)體系，以潞寧礦區(qū)氣肥煤為研究對象，利用煤自燃程序升溫實驗方法，測試了5種供風(fēng)量下實驗煤樣在升溫過程中的氣體產(chǎn)生規(guī)律。結(jié)果表明：供風(fēng)量對煤氧化過程CO氣體的影響表現(xiàn)出促進(jìn)和抑制兩方面作用，低風(fēng)量下煤體散熱量少但供氧不充分，高風(fēng)量下煤體供氧充分但蓄熱性差，綜合表現(xiàn)煤自燃危險性由高到低排序為120，100，80，140，160 mL/min;從供風(fēng)量對煤自燃?xì)怏w產(chǎn)生影響與指標(biāo)值區(qū)間單調(diào)性角度，定量確定了潞寧礦區(qū)氣肥煤自燃不同階段的預(yù)測預(yù)報指標(biāo)值，即低溫階段（90℃以下）以CO/CO2值為指標(biāo)，區(qū)間判定指標(biāo)值為（0.03，0.3），90 ℃時以C2H4出現(xiàn)為指標(biāo)，高溫階段（90～170 ℃）以C2H6/C2H4值為指標(biāo)，區(qū)間判定指標(biāo)值為（100，1 000）;研究結(jié)果為煤礦井下不同供風(fēng)量下煤自燃程度的準(zhǔn)確預(yù)測預(yù)報提供了參考。關(guān)鍵詞：煤自然發(fā)火;漏風(fēng)強度;指標(biāo)氣體;程序升溫;供氧中圖分類號：TD 75.2

文章編號：1672-9315（2022）01-0016-06?????????? 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

DOI：10.13800/j.cnki.xakjdxxb.2022.0103開放科學(xué)（資源服務(wù)）標(biāo)識碼（OSID）：

Experimental study on quantitative prediction indexes of

coal spontaneous combustion based on air supply

WANG Kai1，2，HAN Tao1，2，HE Yunzhong1，2

（1.College of Safety Science and Engineering，Xi’an University of Science and Technology，Xi’an 710054，China;

2.Shaanxi Key Laboratory of Prevention and Control of Coal Fire，Xi’an University of Science and Technology，Xi’an 710054，China）

Abstract：In order to study the influence of air supply on index gas and a quantitative prediction index system of coal spontaneous combustion，a gas fertilized coal in Luning mining area was selected，and gas production rules of coal oxidation under five kinds of air supply were tested by using programmed heating experiment.The results showed that the influence of air supply on CO gas release in coal oxidation process was both promoted and inhibited.Under low air flow，it’s good to store heat but supply oxygen insufficiently，and under high air flow，it’s sufficient to supply oxygen but store heat poorly.In this paper，coal spontaneous combustility was ranked from high to low order of 120 mL/min，100 mL/min，80 mL/min，140 mL/min，160 mL/min.From the perspective of influence of air supply and monotonicity of index value interval，the index system for prediction and prediction of spontaneous combustion of gas fertilizer coal in luning mining area is quantitatively determined，that is，CO/CO2is taken as the index below 90 ℃，which is（0.03，0.3）;C2H4 is taken as the index at 90 ℃，and C2H6/C2H4 is taken as the index from 90 ℃ to 170 ℃，which is（100，1 000）.The results provide a reference for the accurate prediction of coal spontaneous combustion under different air supply in underground coal mine.Key words：coal spontaneous combustion;air leakage intensity;index gas;programmed heating;oxygen supply

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非常復(fù)雜的物理化學(xué)過程，在這個過程中氣體產(chǎn)物會隨溫度的變化表現(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)物與煤溫之間的對應(yīng)關(guān)系，能夠有效利用氣體成分預(yù)測煤自然發(fā)火的程度[3-5]。目前，用于預(yù)測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驗確定了表征煤自燃程度的臨界溫度，通過對3種不同變質(zhì)程度的煤樣進(jìn)行測試，發(fā)現(xiàn)程序升溫與絕熱氧化方法的測試結(jié)果一致[10]。鄧軍等利用程序升溫實驗裝置，測試分析不同風(fēng)量下CO絕對產(chǎn)生量的變化規(guī)律，發(fā)現(xiàn)CO絕對產(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)測預(yù)報的指標(biāo)氣體[12-13]。呂志金等通過對5種不同粒徑煤樣的低溫氧化實驗研究發(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，反應(yīng)產(chǎn)生的氣體最多[15-17]。王念鑫、費金彪等在恒溫條件下，分析了不同風(fēng)量對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)生與溫度的對應(yīng)關(guān)系，確定定量的煤自燃預(yù)測預(yù)報指標(biāo)體系。

1 實驗煤樣選用的煤樣采自山西潞寧礦區(qū)2號煤層，變質(zhì)程度為氣肥煤，實驗前將采集的新鮮煤樣在氮氣環(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用于實驗。

2 實驗方法

2.1 實驗裝置實驗利用西安科技大學(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，實驗裝置如圖1所示。

2.2 實驗條件開始時，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 ℃時開始測定，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)束本組實驗，待程序升溫箱冷卻，取出煤樣。共進(jìn)行5組樣品測試，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，實驗煤樣升溫過程中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。

在5種供風(fēng)量條件下，實驗煤樣氧化產(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，雖然提供了大量的氧氣，但也帶走了更多熱量，同時供風(fēng)量增加也相對降低了CO在產(chǎn)物中的占比。而供風(fēng)量為80 mL/min時，煤氧化產(chǎn)生的熱量散失少，但提供的氧氣相對不足，煤氧反應(yīng)不充分，CO產(chǎn)生量較低。供風(fēng)量為120 mL/min時，為煤氧化自燃提供了一個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)測煤自燃程度。

3.1.2 C2H4與C2H6氣體實驗中C2H4與C2H6氣體與煤溫的對應(yīng)關(guān)系如圖3和圖4所示。煤溫達(dá)到90 ℃時，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，氧化反應(yīng)過程釋放C2H4的濃度最高。C2H6氣體在常溫下可以檢測到，這表明實驗煤樣中賦存有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時氧化程度高于其他風(fēng)量條件，煤樣脫附量大，同時提前進(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)礦井實際開采條件下，供風(fēng)量的改變會對單一氣體產(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。

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，若檢測到CO/O2超過0.005，說明煤自燃開始進(jìn)入高溫階段，此時煤溫高于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

R1=

+ΔCO2-ΔO2×100%

（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，%。

圖6 R1值隨溫度變化

Fig.6 Variation of R1? with temperature

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，在90～100 ℃達(dá)到最大值。對比不同供風(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，無法定量判別煤自燃程度。

3.2.3 CO/CO2

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CO/CO2影響較小。在90～120 ℃之間，CO/CO2呈緩慢下降趨勢。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。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

Fig.8 Variation of C2H6/C2H4? with temperature

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)測預(yù)報指標(biāo)體系，即90 ℃以下以CO/CO2值（0.03～0.3）為指標(biāo)、90 ℃時以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)測預(yù)報指標(biāo)的有效方法。

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