虎峰煤業(yè)煤層自燃宏觀特性實(shí)驗(yàn)研究

劉 通 鄔劍明 周春山 王新宇

（1.太原理工大學(xué)礦業(yè)工程學(xué)院，山西省太原市，030024；2.忻州市煤礦安全監(jiān)察局，山西省忻州市，034000）

煤炭自燃是低溫條件下煤與氧氣發(fā)生一系列復(fù)雜的物理化學(xué)反應(yīng)，產(chǎn)生的熱量得以積聚，最終導(dǎo)致自燃的結(jié)果。煤自燃過程中隨著煤溫逐漸升高會(huì)釋放出一系列氣體，其中有些氣體的出現(xiàn)和濃度隨著煤溫的上升發(fā)生規(guī)律性變化，根據(jù)這些指標(biāo)氣體的變化規(guī)律用來預(yù)報(bào)煤炭自然發(fā)火的情況是目前國內(nèi)外煤自燃預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)應(yīng)用最廣泛的方法。熱重分析技術(shù)是在程序溫度控制下測(cè)量物質(zhì)的質(zhì)量與溫度關(guān)系的一種技術(shù)，已廣泛應(yīng)用于研究煤自燃傾向性、煤氧化放熱量等研究領(lǐng)域，通過分析煤樣氧化過程的失重 （TG）和失重速率 （DTG）曲線，確定煤自燃過程中特征溫度的范圍。將特征溫度與指標(biāo)氣體進(jìn)行關(guān)聯(lián)分析，掌握煤自燃過程中多個(gè)參數(shù)的變化情況，確定了煤層自然發(fā)火宏觀特性，對(duì)指導(dǎo)現(xiàn)場煤自燃防治工作有重要意義。

1 煤層概況

虎峰煤業(yè)現(xiàn)采2＃煤層，煤層厚度4.60～6.30m，平均5.60m，結(jié)構(gòu)簡單-較簡單，煤種為貧瘦煤。經(jīng)鑒定2＃煤層自燃傾向性等級(jí)為II級(jí)，屬自燃煤層，水分含量1.41%，含硫量0.60%，揮發(fā)分18.01%，灰分12.37%，發(fā)熱量31.69 MJ／kg。

2 試驗(yàn)過程

2.1 煤樣制備

在虎峰煤業(yè)2＃煤層2111 綜采工作面按照《GB482-2008 煤層煤樣采取方法》進(jìn)行現(xiàn)場采樣，采集足量煤樣密封好及時(shí)送到實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行測(cè)試，在實(shí)驗(yàn)室將現(xiàn)場采集的煤樣剝?nèi)ケ砻嫜趸瘜樱M(jìn)行粉碎，篩選出0.18～0.25 mm （60～80 目）的煤樣作為試驗(yàn)煤樣。

2.2 熱重試驗(yàn)

為研究煤從低溫氧化到燃燒過程中的質(zhì)量隨溫度變化，使之與現(xiàn)場實(shí)際情況相符合，本次試驗(yàn)在流量為50ml／min的空氣中進(jìn)行，采用低溫慢、高溫快的變升溫速率對(duì)煤樣進(jìn)行加熱，即20～200℃，升溫速率為1.5 ℃／min；200～700℃，升溫速率為5℃／min，稱得煤樣樣品質(zhì)量10.30mg。

2.3 程序升溫氧化試驗(yàn)

試驗(yàn)系統(tǒng)由程序控溫箱、氣路通道、氣相色譜儀及計(jì)算機(jī)等組成。試驗(yàn)所用氣體為空氣，由氣瓶供給，試驗(yàn)前將50g制備好的新鮮煤樣置于銅質(zhì)反應(yīng)器內(nèi)，將其置于程序控溫箱內(nèi)，連接好通氣氣路與溫度探頭，保證氣路的氣密性后開始試驗(yàn)。試驗(yàn)時(shí)向反應(yīng)器內(nèi)通入流量為100ml／min的干空氣，將升溫速率設(shè)置為1℃／min，從常溫開始對(duì)煤樣進(jìn)行加熱，溫度升高直至260℃，期間每隔10℃采集氣樣，當(dāng)達(dá)到指定溫度時(shí)取氣樣利用氣相色譜儀進(jìn)行分析。

3 試驗(yàn)結(jié)果分析

3.1 熱重結(jié)果分析

圖1為煤樣熱重曲線變化圖，可以看出煤整個(gè)氧化過程中，煤樣質(zhì)量變化情況是先減小后增重，然后燃燒導(dǎo)致質(zhì)量急劇下降最后趨于穩(wěn)定。圖1中，根據(jù)TG 和DTG 曲線隨溫度變化的關(guān)系，將煤氧化過程進(jìn)行分階段研究，確定出氧化過程中具有特征性的溫度點(diǎn)。

溫度點(diǎn)T1（75.2℃）為臨界溫度點(diǎn)，是DTG曲線上的第一個(gè)失重速率最大溫度點(diǎn)，也是升溫過程中引起煤氧復(fù)合自動(dòng)加速的第一個(gè)溫度點(diǎn)，是煤從緩慢氧化到加速氧化的過渡點(diǎn)。煤低溫氧化初期階段，煤樣中水分由于溫度升高出現(xiàn)脫水現(xiàn)象，同時(shí)伴隨著煤對(duì)氧的物理吸附和化學(xué)吸附，由于在此過程中煤質(zhì)量減少，可知此階段煤受脫水影響較大。溫度點(diǎn)T2（103.5℃）對(duì)應(yīng)為水分蒸發(fā)完成溫度，隨著溫度升高煤氧化學(xué)反應(yīng)加劇，促進(jìn)了煤分子對(duì)氧氣的吸附作用，致使煤重增加。對(duì)應(yīng)溫度點(diǎn)T3（243.8℃）為增速溫度，是煤樣增重速率最大點(diǎn)的溫度。溫度點(diǎn)T4（285.3℃）對(duì)應(yīng)為煤樣吸氧增重，質(zhì)量達(dá)到最大時(shí)的溫度點(diǎn)，之后煤發(fā)生氧化熱解反應(yīng)，質(zhì)量有所減小。當(dāng)溫度達(dá)到著火點(diǎn)溫度T5（371.2℃）時(shí)，煤樣開始燃燒，煤樣質(zhì)量減少，隨之產(chǎn)生大量有機(jī)氣體，放出大量熱量。溫度點(diǎn)T6（480.5℃）為最大失重速率點(diǎn)溫度，表明煤樣發(fā)生劇烈燃燒，煤樣質(zhì)量減少速率達(dá)到最大。溫度點(diǎn)T7（545.6℃）為煤樣燃盡溫度，煤樣燃燒過程結(jié)束，質(zhì)量趨于穩(wěn)定。

圖1 虎峰煤業(yè)2＃煤樣熱重曲線圖

根據(jù)煤氧化自燃過程中質(zhì)量隨溫度的變化情況，可將氧化過程劃分為水分蒸發(fā)階段、吸氧增重階段、氧化熱解階段、燃燒階段4個(gè)階段，直至煤燃盡。水分蒸發(fā)階段的溫度為30～103.5℃；吸氧增重階段的溫度為103.5～285.3℃，增重速率最大溫度243.8℃；氧化熱解階段的溫度為285.3～371.2℃；燃燒階段的溫度為371.2～545.6℃，最大失重速率點(diǎn)溫度480.5℃。

3.2 程序升溫氧化試驗(yàn)結(jié)果分析

2＃煤樣程序升溫氧化試驗(yàn)過程中各氣體最低產(chǎn)生溫度分別為：H2為160℃、CO 為30℃、CO2為30℃、CH4為30℃、C2H4為160℃、C2H6為30℃、C2H2為240℃。不同氣體隨溫度變化趨勢(shì)如圖2所示。

由圖2 可以看出，2＃煤層煤樣在起始溫度30℃時(shí)就產(chǎn)生CO，CO 的生成貫穿于整個(gè)升溫氧化過程中，在低溫氧化階段CO 生成量較小，而后其生產(chǎn)量隨著煤溫的升高而上升，基本符合指數(shù)關(guān)系，當(dāng)溫度達(dá)到80℃時(shí)，CO 生成量穩(wěn)定增加，此時(shí)認(rèn)為煤已進(jìn)入快速氧化階段。當(dāng)煤溫達(dá)到160℃時(shí)生成了C2H4和H2，它們的出現(xiàn)表明煤已進(jìn)入加速氧化階段。當(dāng)溫度上升到240℃時(shí)，檢測(cè)出C2H2出現(xiàn)，表明煤樣此時(shí)已進(jìn)入激烈氧化階段。由于CO2及烷烴氣體在原始煤體中有一部分以吸附形式存在，本次試驗(yàn)在30℃檢測(cè)出CO2、CH4和C2H6，之后溫度升高它們也穩(wěn)定存在，不能確定它們是煤樣自身賦存或是氧化生成，故它們不能用來進(jìn)行煤自然發(fā)火預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)。

通過研究虎峰煤業(yè)2＃煤層煤樣不同溫度下氧化氣體產(chǎn)物的生成變化規(guī)律，并結(jié)合煤自燃標(biāo)志氣體優(yōu)選原則，確定了虎峰煤業(yè)2＃煤層煤自然發(fā)火標(biāo)志氣體應(yīng)以CO 為主，輔以H2、C2H4和C2H2進(jìn)行預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)。當(dāng)井下檢測(cè)到CO 氣體，說明此時(shí)煤已發(fā)生低溫氧化，此時(shí)應(yīng)加強(qiáng)觀測(cè)其變化趨勢(shì)，當(dāng)CO 氣體呈穩(wěn)定增加趨勢(shì)，煤體溫度達(dá)到80℃，說明此時(shí)煤已進(jìn)入快速氧化階段，應(yīng)發(fā)出預(yù)警，采取相應(yīng)的防治措施；在出現(xiàn)高濃度的CO 前提下，檢測(cè)到H2或C2H4，表明煤的氧化已確實(shí)進(jìn)入加速氧化階段，此時(shí)煤溫超過160℃，應(yīng)及時(shí)作出煤已自然發(fā)火的預(yù)報(bào)，必須落實(shí)切實(shí)有效地治理措施，防治災(zāi)害發(fā)生進(jìn)一步擴(kuò)大；而一旦井下檢測(cè)到C2H2，表明煤的氧化已進(jìn)入激烈氧化階段，此時(shí)煤溫已超過240℃，并可能引發(fā)明火，此時(shí)制定和采取防滅火措施時(shí)一定要謹(jǐn)慎，防止引燃引爆瓦斯、煤塵等使事故擴(kuò)大。

3.3 特征溫度與指標(biāo)氣體關(guān)聯(lián)分析

將確定的特征溫度與指標(biāo)氣體進(jìn)行關(guān)聯(lián)分析，可以掌握各參數(shù)在自燃過程中的變化情況，如表1所示。

圖2 虎峰煤業(yè)2＃煤層煤樣氣體濃度隨溫度變化曲線圖

表1 煤自燃過程各參數(shù)變化情況表

4 結(jié)論

（1）通過對(duì)2＃煤層煤樣進(jìn)行熱重分析試驗(yàn)，確定了煤自燃過程中對(duì)應(yīng)的7個(gè)特征溫度點(diǎn)，得出其著火點(diǎn)溫度為371.2℃左右，并將氧化過程劃分為水分蒸發(fā)階段、吸氧增重階段、氧化熱解階段、燃燒階段4個(gè)階段，得出各階段對(duì)應(yīng)的溫度區(qū)間，對(duì)煤自燃過程有了更清晰的認(rèn)識(shí)。

（2）通過對(duì)2＃煤層煤樣進(jìn)行程序升溫氧化實(shí)驗(yàn)，確定了虎峰煤業(yè)2＃煤層 煤自然發(fā)火標(biāo)志氣體應(yīng)以CO為主，輔以H2、C2H4和C2H2進(jìn)行預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)，用來指導(dǎo)現(xiàn)場火災(zāi)防治工作。

（3）將煤自燃過程中特征溫度與指標(biāo)氣體進(jìn)行關(guān)聯(lián)分析，可以掌握煤自燃過程中溫度區(qū)間、反應(yīng)階段、質(zhì)量改變、指標(biāo)氣體等參數(shù)的變化情況，全面地分析煤自燃變化過程。

（4）由于實(shí)驗(yàn)條件與現(xiàn)場實(shí)際開采條件存在差異，在運(yùn)用自然發(fā)火參數(shù)時(shí)應(yīng)結(jié)合虎峰煤業(yè)現(xiàn)場條件加以修正后進(jìn)行應(yīng)用，以此來更好的服務(wù)于礦井防滅火工作。

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