環(huán)境條件對煤自燃復合指標氣體分析的影響＊

張玉龍 王俊峰 王涌宇 常麗萍 李爭峰

（太原理工大學，山西省太原市，030024）

環(huán)境條件對煤自燃復合指標氣體分析的影響＊

張玉龍 王俊峰 王涌宇 常麗萍 李爭峰

（太原理工大學，山西省太原市，030024）

為探討環(huán)境條件對煤自燃復合指標氣體分析法的影響，實驗研究了氣體流量、升溫速率、煤樣粒徑及氧氣濃度對煤自燃過程的影響。研究結果表明，實驗條件對復合指標氣體仍表現(xiàn)出一定的影響，與單一指標氣體分析法相比較，復合指標氣體分析法受環(huán)境條件波動較小，在煤自燃預測中表現(xiàn)出明顯的優(yōu)勢。不同的影響因素對不同的復合指標氣體表現(xiàn)出不同的影響，但在整個實驗過程中，O2／CO與O2／CO2受實驗條件影響較小，并在煤自燃過程中表現(xiàn)出明顯的指示作用。

煤自燃 復合指標氣體分析法 影響因素 環(huán)境條件

煤自燃對煤礦安全生產威脅很大，是煤礦安全領域的重要研究課題之一。為了能有效預防和控制煤炭自燃火災，需要對煤自燃進行預報。目前最常用的方法是煤自燃指標氣體預測法，即根據(jù)煤炭氧化后隨著氧化進程的不同將依次釋放出各種氣體，依據(jù)這些氣體的出現(xiàn)溫度及釋放量來判斷煤炭自燃狀態(tài)。準確地分析煤炭氧化自燃所放出的氣體及其濃度，能夠及時預測預報煤炭自燃情況，為煤炭自燃的防治工作提供科學指導。煤自燃是在特定環(huán)境條件下的煤低溫氧化的最終結果，環(huán)境條件對煤自燃起著決定性的作用。同時指標氣體濃度容易受到復雜的環(huán)境條件的影響，給準確預測預報煤自燃狀態(tài)帶來困難。因此很有必要研究環(huán)境條件對目前煤自燃預測預報方法的影響。在實驗室條件下研究煤自燃指標性氣體釋放規(guī)律的環(huán)境影響因素主要包括氣體流量、升溫速率、煤樣粒徑及氧氣濃度等。單一指標氣體預測法對礦井下煤自燃程度判定具有很大的不確定性，而復合指標氣體體系預測煤層自燃狀態(tài)具有明顯的優(yōu)勢。目前還沒有文獻報道過實驗條件對復合指標氣體預測法的影響，即復合指標氣體在不同的環(huán)境條件下的穩(wěn)定性還不太清楚。研究環(huán)境條件對復合指標氣體的影響，實驗結果為優(yōu)化煤自燃指標氣體預測體系和及時準確預測預報煤自燃狀態(tài)具有重要的指導意義。1 實驗部分

1.1 煤樣選取

選取易自燃的神東補連塔礦長焰煤作為實驗用煤。現(xiàn)場取剛開采的新鮮煤樣，裝在真空袋內，運至實驗室。實驗前先剝去煤樣表面氧化層，然后對其進行破碎并篩分出不同粒徑的煤樣作為實驗煤樣。

1.2 綜合指標氣體檢測實驗

實驗采用本實驗室研發(fā)的煤自燃過程模擬系統(tǒng)，其流程如圖1所示。該系統(tǒng)由反應器、保溫設備、氣路通道以及相應的監(jiān)測設備等組成。實驗氣體為N2和O2的混合氣，由氣瓶供給，其流量通過相應的質量流量計控制，在進入反應器前會被加熱線圈預熱到實驗穩(wěn)定狀態(tài)，反應生成的氣相產物通過氣相色譜儀進行檢測。實驗前將煤樣置于銅質反應器內，將其置于程序控溫箱內，然后連接好進氣氣路、出氣氣路和溫度探頭 （探頭置于煤體幾何中心），檢查氣路的氣密性。在程序控溫箱控制下以不同的升溫速率對煤樣進行加熱，升溫至200℃。

圖1 實驗裝置示意圖

2 環(huán)境條件對氣體產物釋放的影響

2.1 空氣流速的影響

空氣流速對煤自熱過程起到重要的作用。其作用主要體現(xiàn)在：高的氣體流速能提供足夠的氧氣，從而保證煤自熱過程對氧氣的需求；過高的氣體流量會帶走氧化過程中所產生的熱量，降低熱量的富集作用，稀釋煤氧化過程中生成的氣相產物。為了研究空氣流速對氣體產物生成的影響，分別選取100 ml／min和200 ml／min的空氣流速進行煤的氧化實驗，空氣流量對 H2／CH4、O2／CO2、O2／CO、CO2／CO和CH4／CO2的影響如圖2所示。從圖2（a）可以看出，在110℃以前沒有檢測到H2，因而H2／CH4為0；當溫度高于120℃左右時，H2／CH4比值呈現(xiàn)最大值，隨著溫度的升高，比值呈現(xiàn)出一個降低的趨勢，其半峰寬較大，在120～150℃之間；空氣流速對H2／CH4比值影響不明顯。從圖2 （b）可以看出，O2／CO2和 O2／CO呈現(xiàn)不同的變化規(guī)律，O2／CO2比值處于0.3×104以下，當溫度高于50℃時，其比值接近一條直線；O2／CO比值隨著溫度的增加先呈現(xiàn)出拋物線降低的趨勢，當溫度高于70℃時，其表現(xiàn)出緩慢降低的趨勢，當溫度達到120℃，其比值接近接近于水平線，說明O2／CO比值與煤自然發(fā)火狀態(tài)有密切的相關性，可用于判斷煤的自燃狀態(tài)；同時也可以看到空氣流速對其影響較小。從圖2（c）可以看出，CO／CO2呈現(xiàn)出先增加后降低的趨勢，在150℃左右呈現(xiàn)出最大值，表明此時煤體處于自熱加速階段；隨著空氣流速的增加，CO／CO2顯著增大。從圖2（d）可以看出，CH4／CO2和CH4／CO比值的變化規(guī)律分別與O2／CO2和 O2／CO相類似。

2.2 粒徑的影響

粒徑對煤氧化反應的影響主要體現(xiàn)在：一方面減小煤體的粒徑會增加煤樣的比表面積，從而增加煤的反應位點，加快煤的氧化反應；另一方面煤樣粒徑的減小會降低煤體之間的堆積空隙，不利于氧氣在煤體之間的擴散，降低煤的氧化反應。為了研究煤樣粒徑對氣體產物生成的影響，實驗分別選取20～40目、40～80目和80～120目的不同粒徑的煤樣進行煤的氧化實驗，煤樣粒徑對氣體產物關聯(lián)性的影響如圖3所示。從圖3（a）可以看出，不同粒徑下的H2／CH4的變化趨勢整體相同，都在130℃左右出現(xiàn)最大峰值；但是由于粒徑對H2及CH4的釋放量有很大的影響，因而隨著粒徑的增加，H2／CH4峰值呈現(xiàn)增加的趨勢。從圖3（b）可以看出，隨著粒徑增加，O2／CO2與O2／CO均呈現(xiàn)增加的趨勢，然而二者變化規(guī)律是不同的。O2／CO2呈現(xiàn)緩慢的降低趨勢，在溫度接近70℃時基本上趨近于一條直線；而O2／CO在氧化初期階段隨著溫度的增加其比值迅速降低，在100℃以后才逐漸趨近平緩；O2／CO2與O2／CO比值的變化對煤自燃狀態(tài)具有很好的指示作用，粒徑對兩者的比值表現(xiàn)出明顯的影響，隨著粒徑的增加，這種指示作用更加明顯。從圖3（c）可以看出，CO／CO2同樣在180℃左右呈現(xiàn)出最大值，表明此時煤樣已經接 近自燃狀態(tài)。

2.3 升溫速率的影響

升溫速率對煤氧化過程的影響主要體現(xiàn)在：較高的升溫速率會增大煤體與外部環(huán)境的溫差，同時不同的加熱速率會影響煤體的自熱歷程。為了研究升溫速率對氣體產物生成的影響，實驗分別在0.5℃／min，1.0℃／min和2.0℃／min升溫速率下進行煤的氧化實驗，升溫速率對氣體產物關聯(lián)性的影響如圖4所示。從圖4（a）可以看出，隨著加熱速率的增加，H2／CH4呈現(xiàn)降低的趨勢，這說明較快的加熱速率更有利于CH4的釋放。從圖4（b）、圖4 （d）可以看出，升溫速率對 O2／CO2，O2／CO，CH4／CO2和CH4／CO在較低溫度下表現(xiàn)出一定的影響，隨著溫度的升高，這種影響逐漸降低。從圖4（c）可以看出，升溫速率對CO／CO2影響較為明顯，隨著升溫速率的降低，CO／CO2迅速增加；當升溫速率為0.5℃／min時，CO／CO2呈現(xiàn)出拋物線的趨勢，在130℃左右表現(xiàn)出最大；升溫速率對CO／CO2的影響主要體現(xiàn)在100～180℃；由于CO和CO2的生成途徑上有本質的區(qū)別，溫升速率對煤自燃過程中CO和CO2的生成途徑也有很大的影響。

圖4 升溫速度對氣體產物關聯(lián)性的影響

2.4 氧氣濃度的影響

氧氣作為煤自熱過程的反應劑，其濃度大小對煤的自熱過程起著重要的作用。在相同的氣體流速條件下，較高的氧氣濃度會提供充足的氧氣，從而保證煤自熱過程的順利進行。在煤自燃過程中，由于氣體產物的生成途徑的多樣性，氧氣參與了各個反應途徑，不同的氧氣濃度對不同的途徑影響是不同的，會導致氧化產物釋放的差異性，從而引起復合指標氣體分析的差異性。為了研究氧氣濃度對氣體產物生成的影響，實驗分別在氧氣濃度為6.50%、12.60%、15.72%和20.82%下進行煤的氧化實驗，氣體流速為100 ml／min，氧氣濃度對復合指標氣體影響如圖5所示。從圖5（a）可以看出，隨著氧氣濃度的增加，H2／CH4呈現(xiàn)出增加的趨勢，當氧氣濃度為20.82%時，其峰值明顯高于其他氧氣濃度，并且所對應的峰溫也明顯提前。從圖5（b）、圖5（d）可以看出，在反應初期，氧氣濃度對 O2／CO 和 CH4／CO 及 CH4／CO2影響較為明顯；隨著溫度的增加，這種影響逐漸降低。從圖5（c）可以看出，氧氣濃度對CO／CO2影響較為復雜，這是由于CO和CO2的生成途徑的不同，以及氧氣濃度對不同途徑的不同影響所造成的。而氧氣濃度對O2／CO2幾乎沒有影響。

圖5 氧氣濃度對氣體產物關聯(lián)性的影響

3 結論

（1）環(huán)境條件對煤自燃單一指標氣體的生成有很大影響。與單一指標氣體分析法相比，復合指標氣體分析法具有一定的穩(wěn)定性。環(huán)境條件會對單一指標氣體的釋放時間及釋放量上造成影響；而對復合指標氣體的影響表現(xiàn)在峰值的大小。

（2）不同的環(huán)境條件對煤自燃復合指標氣體的影響是不同的。增加空氣流速會同等增加CH4和H2的釋放速率，因而對H2／CH4影響不大；同時會增加CH4和CO2的釋放速率，因而增加CO2／CO，CH4／CO的比值。增大煤樣的粒徑，會增加CH4／H2，CO／CO2，CH4／CO 的比值。增加升溫速率，會增加 H2／CH4和CO／CO2的比值，而對O2／CO2、O2／CO以及CH4／CO影響很小。增加氧氣濃度，會增加 H2／CH4和CH4／CO的比值，降低CO／CO2的比值。這些影響與煤自燃過程各種指標氣體生成途徑及生成機理有很大關聯(lián)。

（3）在整個實驗過程中，O2／CO2與 O2／CO受實驗條件波動較小，并在煤自燃過程中表現(xiàn)出明顯的指示作用。

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Effect of experimental conditions on composite index method of gas analysis in spontaneous combustion

Zhang Yulong，Wang Junfeng，Wang Yongyu，Chang Liping，Li Zhengfeng
（Taiyuan University of Technology，Taiyuan，Shanxi 030024，China）

This study involved investigating the environmental conditions affecting the composite index method of gas analysis during coal spontaneous combustion including the effect of gas flow rates，heating rates，particle size and oxygen concentrations during spontaneous combustion.The results showed that experimental conditions still affect the gas composite index.However，the composite index method of gas analysis is less affected by environmental conditions compared with the single index method，which showed advantages in predicting spontaneous combustion.Different factors showed different effects on the composite gas index.In the experiment，O2／CO and O2／CO2were relatively stable and showed significant indicators for spontaneous combustion.

spontaneous combustion，composite index method of gas analysis，influencing factor，environment condition

TD752.2

A

國家自然基金 （51274146），國家國際科技合作項目 （2011DFA72310）

張玉龍 （1987-），男，河南南陽人，在讀研究生。主要從事煤化工及煤自燃機理、預測及防治技術的研究。

（責任編輯 張艷華）