陸凱 劉東 尹彬
摘 要:煤炭自燃在我國(guó)煤礦開(kāi)采的過(guò)程中是重要難題和主要災(zāi)害,尤其是在較淺埋藏、容易自燃的煤層綜采放頂煤回采過(guò)程中煤炭自燃時(shí)有發(fā)生。通過(guò)絕熱氧化法和程序升溫法在對(duì)工作面煤層溫升特性和氧化氣體隨溫度的變化規(guī)律進(jìn)行測(cè)試分析的基礎(chǔ)上,得出了氣體濃度隨溫度的變化趨勢(shì),分析了煤氧化溫度與氣體產(chǎn)物的特性。CO的生成量在低溫氧化階段較小,煤溫達(dá)到90 ℃之后其生成量迅速增加,CO的生成表明該煤層中的煤發(fā)生了氧化反應(yīng),C2H4的生成說(shuō)明了該煤層的煤溫超過(guò)了110 ℃,C2H2的生成則表明該煤層的煤溫已經(jīng)達(dá)到了至少200 ℃以上,因此,在開(kāi)采的過(guò)程中要采取積極的防火和滅火措施。
關(guān)鍵詞:煤炭自燃 絕熱氧化 程序升溫 指標(biāo)氣體
中圖分類號(hào):TD752.1 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A 文章編號(hào):1674-098X(2015)09(b)-0035-02
采空區(qū)是煤礦井下較易發(fā)生煤自燃的區(qū)域之一[1-2],據(jù)統(tǒng)計(jì),我國(guó)有重點(diǎn)煤礦采空區(qū)內(nèi)發(fā)生的煤自燃占煤自燃發(fā)生總數(shù)的60%[3]。所以,對(duì)工作面采空區(qū)的自燃規(guī)律進(jìn)行研究和分析,可以有效地、有針對(duì)性地采取切實(shí)可行的防火和滅火措施。不僅大大地提高了綜采工作面生產(chǎn)的安全性,而且也盡可能地降低了綜采工作面的防滅火費(fèi)用及減少由于自燃發(fā)火所造成的損失,具有重要的經(jīng)濟(jì)和社會(huì)意義。煤層自然發(fā)火基礎(chǔ)特性的測(cè)試研究是掌握火源分布規(guī)律、制定治理方案的前提基礎(chǔ)。該文選取同煤大斗溝礦煤業(yè)有限公司4號(hào)煤層煤樣作為測(cè)試煤樣,對(duì)其自燃發(fā)生的難易程度、自熱氧化溫升特性和氧化氣體產(chǎn)物生成規(guī)律進(jìn)行了分析研究,以全面掌握煤自然發(fā)火特性以及規(guī)律。
1 自燃傾向性鑒定
煤的自燃傾向性,即煤自燃難易程度,是煤低溫氧化性的體現(xiàn),是煤的內(nèi)在屬性之一。煤的自燃傾向性與煤的氧化能力和氧化過(guò)程釋熱強(qiáng)度有關(guān)。易于氧化且在氧化過(guò)程釋放熱量多的煤自燃傾向性就強(qiáng),也就易于自燃。煤自燃傾向性僅僅是煤的氧化性和熱釋放強(qiáng)度的問(wèn)題,與影響煤自燃的條件如聚熱環(huán)境、風(fēng)速、空氣濕度和空氣中的氧氣濃度等都沒(méi)有關(guān)系[4]。煤自燃傾向性是煤礦防滅火等級(jí)劃分的唯一依據(jù),并且所有防滅火技術(shù)與措施都建立在煤自燃傾向性鑒定基礎(chǔ)之上[5]。
1.1 測(cè)試儀器
采用ZRJ—1型煤自燃性測(cè)定儀器進(jìn)行自燃的測(cè)定,該儀器是根據(jù)煤自燃傾向性色譜吸氧鑒定法的要求而研制出來(lái)的鑒定儀器。該儀器所利用的原理是利用雙氣路流動(dòng)色譜法,測(cè)定煤炭在低溫時(shí)可以吸附流態(tài)氧的特性,在限定條件下對(duì)吸氧量值進(jìn)行測(cè)定,然后對(duì)煤自燃傾向性進(jìn)行分類。
1.2 測(cè)試流程
實(shí)驗(yàn)按照《煤自燃傾向性色譜吸氧鑒定法》GB/T 20104-2006規(guī)定進(jìn)行。
1.3 測(cè)試結(jié)果
按照上述實(shí)驗(yàn)過(guò)程對(duì)所取煤樣進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。測(cè)得煤樣的30 ℃物理吸氧量和自燃傾向性結(jié)果如表1所示。
2 煤自燃氧化溫升特性
煤絕熱氧化實(shí)驗(yàn)主要由絕熱氧化裝置以及溫度采集系統(tǒng)兩個(gè)部分組成的,絕熱氧化裝置的目的是使得熱損失達(dá)到最小,溫度采集系統(tǒng)則可以實(shí)時(shí)在線采集煤的溫度。
(1)煤樣選取。
煤樣選取后,必須進(jìn)行密封儲(chǔ)存,然后運(yùn)送到實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行分析。采樣前要先去掉煤樣的表面氧化層,然后,將煤樣破碎成為0.18~0.38 mm煤粒,稱取100 g,在環(huán)境溫度為35 ℃的條件下進(jìn)行空氣干燥,以此煤樣作為實(shí)驗(yàn)煤樣。
(2)絕熱氧化實(shí)驗(yàn)。
將80 g經(jīng)過(guò)空氣干燥測(cè)試的煤樣放入絕熱煤樣罐內(nèi)進(jìn)行保存,首先與氣路和溫度傳感器相連接,向煤樣罐中通入氮?dú)猓源藖?lái)檢查裝置的密閉性,然后將箱內(nèi)溫度控制在50 ℃恒溫,對(duì)煤樣干燥24 h,目的是消除煤低溫氧化過(guò)程中所形成的外在水分對(duì)煤氧化產(chǎn)熱的影響。干燥以后,在氮?dú)獗Wo(hù)下使煤樣溫度降低到實(shí)驗(yàn)起始溫度40 ℃并穩(wěn)定,然后馬上將氮?dú)馇袚Q為氧氣,并將溫度控制箱內(nèi)的溫度改為0 ℃跟蹤控制,同時(shí),啟動(dòng)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)采集煤樣的溫度,并對(duì)環(huán)境溫度進(jìn)行監(jiān)測(cè)。
3 煤氧化溫度與氣體產(chǎn)物特性
通過(guò)上述方法和步驟對(duì)試樣進(jìn)行絕熱氧化實(shí)驗(yàn),隨著溫度的升高,煤樣中有不同的氣體生成。
3.1 實(shí)驗(yàn)原始數(shù)據(jù)(見(jiàn)表2)
3.2 氣體濃度隨溫度的變化趨勢(shì)
對(duì)采集面煤樣實(shí)驗(yàn)的過(guò)程中可以發(fā)現(xiàn),煤樣中氣體的生成情況其濃度是隨時(shí)間而進(jìn)行變化的,具體的變化趨勢(shì)如圖1、圖2所示。
3.3 指標(biāo)氣體分析
由圖1、圖2分析可以發(fā)現(xiàn),煤樣從40 ℃到200 ℃的溫度范圍內(nèi),其氧化過(guò)程中規(guī)律性地產(chǎn)生了CO、CO2、CH4、C2H6、C3H8和C2H4氣體,在該溫度范圍內(nèi),此煤樣并沒(méi)有生成C2H2氣體。而CO、CO2和CH4是在30℃的時(shí)候就開(kāi)始產(chǎn)生,CH4的生成量相對(duì)較小,這是因?yàn)樵诿簶硬杉院?,放置的時(shí)間過(guò)長(zhǎng),煤樣本身吸附的CH4散發(fā)了出來(lái)。CO在低溫氧化的時(shí)候生成量比較小,但是超過(guò)90 ℃后其生成量呈現(xiàn)迅速增加的趨勢(shì),這表明此時(shí)煤樣已經(jīng)開(kāi)始迅速地氧化,物理吸附的作用越來(lái)越弱,而相反地,化學(xué)吸附和化學(xué)反應(yīng)越來(lái)越強(qiáng)。C2H6和C3H8在低溫氧化的時(shí)候就出現(xiàn),但濃度不大;C2H4出現(xiàn)稍晚,110 ℃以后出現(xiàn)且濃度很小。C2H2在40 ℃到200 ℃的溫度范圍內(nèi)沒(méi)有出現(xiàn),表明當(dāng)溫度高于200 ℃的時(shí)候它從才會(huì)出現(xiàn),C2H2的產(chǎn)生也說(shuō)明了煤樣已經(jīng)發(fā)生了劇烈的化學(xué)反應(yīng)。綜上所述,在采集煤樣時(shí),應(yīng)該以CO作為指標(biāo)性氣體,C2H6、C3H8、C2H4、C2H2作為輔助氣體來(lái)掌握煤炭自燃的情況;CO的生成表明該煤層中的煤發(fā)生了氧化反應(yīng),C2H4的生成說(shuō)明了該煤層的煤溫超過(guò)了110 ℃,C2H2的生成則表明該煤層的煤溫已經(jīng)達(dá)到了至少200 ℃以上,因此,在開(kāi)采的過(guò)程中要采取積極的防火和滅火措施。
4 結(jié)語(yǔ)
(1)通過(guò)對(duì)煤樣煤質(zhì)的分析結(jié)合煤樣自燃傾向性實(shí)驗(yàn)測(cè)試數(shù)據(jù)得出該煤層自然發(fā)火等級(jí)為二級(jí)屬于自燃煤層,研究了煤的氧化升溫特性,得到了4號(hào)煤自燃臨界溫度為70.4 ℃,在煤溫達(dá)到臨界溫度后自燃進(jìn)入加速氧化階段。
(2)在實(shí)驗(yàn)室對(duì)煤樣進(jìn)行程序升溫控制測(cè)試,得出了氣體濃度隨溫度的變化趨勢(shì),分析了煤氧化溫度與氣體產(chǎn)物的特性,并結(jié)合實(shí)際情況得出了在采集煤樣時(shí),應(yīng)該以CO作為指標(biāo)性氣體,C2H6、C3H8、C2H4、C2H2作為輔助氣體來(lái)掌握煤炭自燃的情況;CO的生成表明該煤層中的煤發(fā)生了氧化反應(yīng),C2H4的生成說(shuō)明了該煤層的煤溫超過(guò)了110℃,C2H2的生成則表明該煤層的煤溫已經(jīng)達(dá)到了至少200 ℃以上,因此,在開(kāi)采的過(guò)程中要采取積極的防火和滅火措施。通過(guò)對(duì)煤樣的實(shí)驗(yàn)室研究得出了煤自然發(fā)火特性的基礎(chǔ)參數(shù),為采區(qū)積極的防滅火措施提供了數(shù)據(jù)支持。
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