煤氧化過程中氣體變化計量檢測研究

王淑杰（黃驊市質(zhì)量技術(shù)監(jiān)督局， 河北 黃驊 061100）

煤氧化過程中氣體變化計量檢測研究

王淑杰（黃驊市質(zhì)量技術(shù)監(jiān)督局， 河北 黃驊 061100）

為掌握煤氧化動力學特性，采集大柳塔活雞兔井12煤層煤樣，在實驗室進行了煤升溫氧化產(chǎn)生氣體成分及濃度的檢測實驗，主要測定了不同粒徑的煤在氧化過程中氣體變化情況。根據(jù)實驗結(jié)果，結(jié)合理論分析得出煤升溫氧化生成的氣體變化規(guī)律。為確定煤自然發(fā)火標志氣體提供了真實可靠的數(shù)據(jù)基礎，提高了煤自然發(fā)火預測預報系統(tǒng)的可靠性，豐富了煤礦安全生產(chǎn)檢測檢驗標準體系。

升溫氧化；檢測；氣體變化；標志氣體；標準體系

煤礦安全是我國安全生產(chǎn)工作中的一大重要組成部分，煤自燃是礦井火災的主要形式。據(jù)統(tǒng)計，在我國的國有重點煤礦中，56%以上的礦井存在自然發(fā)火危險性，由煤自燃引起的火災占礦井火災總數(shù)的90% 以上［1］?；馂念I域計量檢測已成為煤礦環(huán)境安全生產(chǎn)檢測檢驗標準中的一個重要子系統(tǒng)。

煤自燃是煤氧復合作用的結(jié)果，且在煤與氧氣發(fā)生復雜的物理化學反應的同時，還伴隨有氣體的生成［2］。本實驗是在程序升溫箱中，對不同粒度的煤樣分別進行加熱升溫，檢測其在不同溫度情況下的耗氧特性、CO、CO2、C2H2、C2H4、C2H6等氣體產(chǎn)生量等自燃特性參數(shù)，科學分析其變化規(guī)律，全面掌握煤氧化動力特性，完善礦井防滅火技術(shù)體系，指導煤礦安全生產(chǎn)。

1 程序升溫系統(tǒng)

煤樣裝入一直徑10cm、長25cm的鋼管中，煤量lkg。鋼管上下兩端均留有2cm左右自由空間，用以保證管內(nèi)通氣均勻，管內(nèi)采用100目銅絲網(wǎng)托住煤樣。把裝好煤樣的鋼管放在程序升溫箱內(nèi)進行加熱，升溫箱經(jīng)可控硅控制溫度的變化。由SPB-3全自動空氣泵提供氣體，經(jīng)三通流量控制閥和浮子流量計，進入控溫箱內(nèi)盤旋2m長的銅管預熱，流經(jīng)煤樣。煤樣試管中產(chǎn)生的氣體排入空氣中，由針管取氣，經(jīng)進行氣相色譜儀進行氣體分析。

2 實驗條件

采集大柳塔活雞兔井12煤層煤樣，在空氣環(huán)境中經(jīng)破碎機破碎，并篩選出0～0.9mm、0.9～3mm、3～5mm、5～7mm、7～10mm等5種不同粒徑的煤樣。升溫箱初始溫度設置成與煤樣的初始溫度相同，升溫速度設為0.3℃/min，空氣流量設為120ml/min，煤樣每升高10℃進行取氣分析。

3 實驗結(jié)果及分析

（1）CO濃度變化檢測分析 在實驗初始階段煤樣中檢測到含有少量的CO，這表明大柳塔煤礦活雞兔井12煤層煤樣低溫氧化現(xiàn)象嚴重，在較低的溫度下即可氧化產(chǎn)生一定濃度的CO，且CO濃度隨變化趨勢不是特別明顯。但當煤溫達到65℃時，CO濃度增長趨勢開始較明顯的表現(xiàn)出來，且隨著溫度的逐漸上升，這種增長趨勢更加明顯。說明溫度越高，其進行的氧化反應更為激烈。在氧化升溫實驗過程中，不同粒度的煤樣，生成的CO濃度大小各不相同，煤樣粒度越小，生成的CO濃度越大。

（2）C2H4和C2H6濃度變化檢測分析 煤樣在80℃左右時開始生成極少量C2H6，且濃度不超過5ppm。隨著溫度的升高生成量雖有增加，但在整個實驗過程中，C2H6未超過50ppm。C2H4則表現(xiàn)為化學性質(zhì)不穩(wěn)定。

（3）耗氧速率變化檢測分析 煤樣耗氧速度隨著煤溫的升高而增加，且在整體升溫過程中，煤樣的耗氧速度隨著粒徑的減小而逐漸增大，當煤溫超過110～130℃之后，耗氧速度維持在較高的水平，并隨煤溫的繼續(xù)升高略成上升趨勢。

（4）臨界溫度和干裂溫度 臨界溫度和干裂溫度是煤自燃特征溫度中的兩個重要表現(xiàn)形式。

煤自燃臨界溫度是指常溫下煤溫逐漸升高過程中，首次使煤氧復合反應自動加速對應的溫度點。

干裂溫度宏觀上體現(xiàn)為CO濃度出現(xiàn)第二次突增現(xiàn)象。

經(jīng)試驗數(shù)據(jù)分析，得出大柳塔活雞兔井12煤層煤樣的臨界溫度范圍70～80℃，煤干裂溫度范圍120～130℃。

（5）實驗結(jié)論 根據(jù)不同粒徑下煤自燃氧化升溫實驗，可以得出以下結(jié)論：①大柳塔煤礦活雞兔井12煤層煤樣中低溫氧化現(xiàn)象嚴重，在較低的溫度下即可氧化產(chǎn)生CO。②實驗數(shù)據(jù)顯示CO產(chǎn)生速率與溫度呈指數(shù)規(guī)律迅速增加，且易于檢測，可把CO作為預測大柳塔礦活雞兔井12煤層煤自然發(fā)火的標志氣體；在程序升溫實驗過程中生成的C2H6氣體濃度很低、易受風流等其他因素干擾影響，不能作為煤自燃預測預報性指標氣體。③粒度對耗氧速度的影響在物理吸附階段表現(xiàn)不明顯；而在化學吸附階段的影響就較為明顯。不同粒度煤樣，其CO產(chǎn)生率和耗氧速度均不相同，且與溫度成指數(shù)關系。在相同的漏風供氧條件下，煤樣的粒度越小，其比表面積相對越大，反應強度越激烈，耗氧速率、CO產(chǎn)生率也變大，化學吸附生成的熱量就越多，據(jù)此認為粒度為影響煤自燃的主要因素。④大柳塔活雞兔井12煤層煤樣臨界溫度70～80℃，干裂溫度為120～130℃。

4 結(jié)語

程序升溫實驗作為一種對煤氧化升溫所產(chǎn)生氣體的組分及濃度的檢測方法，得到的檢測結(jié)果比較真實的解釋礦井煤自燃的反應機理，因此能較好的用于完善礦井火災預測預報系統(tǒng)，同時也使我國的煤礦安全生產(chǎn)檢測檢驗體系更加的具有科學性、合理性、適用性，對完善我國煤礦安全生產(chǎn)檢測檢驗標準體系工作也有一定的重要意義。

［1］秦波濤，王德明.礦井防滅火技術(shù)現(xiàn)狀及研究進展［J］.中國安全科學學報，2007，17（12）:80-85.

［2］張嬿妮，李士戎，羅振敏，等.基于油浴程序升溫試驗系統(tǒng)的煤自燃特性研究［J］.煤炭科學技術(shù)，2010，38（8）:85-88.