晉城礦區(qū)整合礦井煤程序升溫特性試驗(yàn)研究?

張 群姚海飛徐長(zhǎng)富吳海軍鄭忠亞

（1.煤炭科學(xué)技術(shù)研究院有限公司安全分院，北京市朝陽(yáng)區(qū)，100013；2.煤炭資源高效開(kāi)采與潔凈利用國(guó)家重點(diǎn)試驗(yàn)室（煤炭科學(xué)研究總院），北京市朝陽(yáng)區(qū)，100013；3.北京市煤礦安全工程技術(shù)研究中心，北京市朝陽(yáng)區(qū)，100013）

晉城礦區(qū)整合礦井煤程序升溫特性試驗(yàn)研究?

張 群1，2，3姚海飛1，2，3徐長(zhǎng)富1，2，3吳海軍1，2，3鄭忠亞1，2，3

（1.煤炭科學(xué)技術(shù)研究院有限公司安全分院，北京市朝陽(yáng)區(qū)，100013；2.煤炭資源高效開(kāi)采與潔凈利用國(guó)家重點(diǎn)試驗(yàn)室（煤炭科學(xué)研究總院），北京市朝陽(yáng)區(qū)，100013；3.北京市煤礦安全工程技術(shù)研究中心，北京市朝陽(yáng)區(qū)，100013）

針對(duì)晉城礦區(qū)整合礦井集中存在的破壞區(qū)塊多、采空區(qū)漏風(fēng)嚴(yán)重等問(wèn)題，選取大峪15#、仙泉15#、晉平10#3個(gè)煤層開(kāi)展了程序升溫特性試驗(yàn)，分析了CO及烴類(lèi)氣體產(chǎn)生量隨煤溫的變化規(guī)律，測(cè)算了自燃臨界溫度，優(yōu)選了自燃標(biāo)志氣體指標(biāo)。結(jié)果表明，計(jì)算得出大峪、仙泉、晉平3個(gè)煤層的自燃臨界溫度分別為85℃、74℃、55℃，其大小反映了煤初期氧化能力的強(qiáng)弱；根據(jù)煤自燃標(biāo)志氣體優(yōu)選原則，建議將CO和C2H4作為煤自燃預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)的主要指標(biāo)，輔以規(guī)律性良好的其它非吸附烴類(lèi)氣體、鏈烷比和烯烷比。研究結(jié)果對(duì)提高晉城礦區(qū)類(lèi)似整合礦井煤自燃預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)準(zhǔn)確度和火災(zāi)防治水平具有指導(dǎo)意義。

整合礦井 程序升溫特性 標(biāo)志氣體 臨界溫度 煤自燃預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)

煤自燃火災(zāi)是制約煤礦安全生產(chǎn)的主要災(zāi)害之一，嚴(yán)重威脅井下的生命和財(cái)產(chǎn)安全。煤的自燃過(guò)程可分為緩慢氧化、加速氧化和劇烈氧化3個(gè)不同的發(fā)展階段，隨著氧化過(guò)程的推進(jìn)，每個(gè)階段對(duì)應(yīng)著不同的氣體產(chǎn)物種類(lèi)和濃度，這些氣體的出現(xiàn)及產(chǎn)生量能間接反映煤的自燃氧化程度。程序升溫試驗(yàn)是模擬煤自燃過(guò)程最直接的方法，即在一定的起始溫度條件下，控制環(huán)境溫度以勻速速率升高，通過(guò)不斷傳熱促使目標(biāo)對(duì)象升溫的一種測(cè)試方法。程序升溫法由于測(cè)試過(guò)程連續(xù)性好且操作簡(jiǎn)單、快捷，被廣泛應(yīng)用于煤自燃過(guò)程的多種指標(biāo)測(cè)試中，如標(biāo)志氣體優(yōu)選、交叉點(diǎn)溫度測(cè)試等。梁運(yùn)濤、嚴(yán)榮林和許延輝等通過(guò)大量煤氧化模擬試驗(yàn)，創(chuàng)新性地提出了以CO、C2H4、C2H2、鏈烷比和烯烷比等為主指標(biāo)的綜合指標(biāo)體系，并以典型煤種為例，提出了褐煤、氣煤、長(zhǎng)焰煤、肥煤、焦煤、貧煤、瘦煤、無(wú)煙煤八大煤種的自燃標(biāo)志氣體優(yōu)選原則；李金帥等通過(guò)與恒溫測(cè)試法對(duì)比煤氧化升溫過(guò)程中CO的生成量，研究了低溫階段程序升溫法對(duì)煤氧化過(guò)程的影響；仲曉星等建立了利用CO濃度與溫度的變化求解臨界溫度的計(jì)算模型，提出了基于程序升溫條件下的煤自燃臨界溫度測(cè)試方法；朱紅青等基于絕熱氧化試驗(yàn)和程序升溫試驗(yàn)，研究了多因素下煤自燃低溫氧化臨界溫度指標(biāo)及其關(guān)聯(lián)性。

煤炭資源整合是淘汰落后、優(yōu)化布局、提高產(chǎn)業(yè)集中度的重要手段，是提高礦井安全保障能力的有效途徑。晉城礦區(qū)整合礦井前身大多為小煤礦及小煤窯，其開(kāi)采方式通常為短壁式或掘巷開(kāi)采，在掘空巷道和采空區(qū)內(nèi)產(chǎn)生大量的遺煤和松散煤柱，長(zhǎng)期無(wú)規(guī)劃開(kāi)采造成巷道相互貫通，漏風(fēng)通道多或裂隙嚴(yán)重，極易形成煤自燃火災(zāi)。因此，實(shí)現(xiàn)煤自燃火災(zāi)的預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)是晉城礦區(qū)整合礦井煤炭資源安全開(kāi)采的迫切需要，而研究煤的程序升溫特性是有效防治煤自燃火災(zāi)的基礎(chǔ)。

1　程序升溫試驗(yàn)

1.1 試驗(yàn)設(shè)備

本次程序升溫試驗(yàn)采用自主研發(fā)的煤自然發(fā)火模擬系統(tǒng)，其結(jié)構(gòu)如圖1所示。該系統(tǒng)主要包括程序升溫爐、氣相色譜儀、煤樣罐、溫度測(cè)控系統(tǒng)、預(yù)熱管路、流量計(jì)等部件。程序升溫爐內(nèi)置石棉保溫層，通過(guò)溫度測(cè)控系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)恒溫、程序升溫和跟蹤升溫功能；圓柱型煤樣罐采用純銅材質(zhì)，內(nèi)置鉑絲溫度探頭；空氣通過(guò)預(yù)熱管路進(jìn)入煤樣罐內(nèi)與煤體發(fā)生反應(yīng)；氣相色譜儀可對(duì)O2、CO、CO2、CH4、C2H4、C2H6及C3H8等氣體進(jìn)行常量及微量分析。

圖1　煤自然發(fā)火模擬裝置

1.2 試驗(yàn)煤樣

大峪、仙泉和晉平煤礦是晉城礦區(qū)內(nèi)三座典型整合礦井。本次試驗(yàn)煤樣取自大峪15#、仙泉15#和晉平10#煤層，煤質(zhì)為煙煤，主要指標(biāo)見(jiàn)表1。

表1　試驗(yàn)煤樣主要煤質(zhì)指標(biāo)

試驗(yàn)時(shí)取新鮮的大塊煤樣，將外殼被氧化部分去掉，取芯粉碎，篩分出粒徑為0～1 mm、1～3 mm、3～5 mm、5～10 mm的4種煤粒，為了綜合反映不同粒徑對(duì)煤程序升溫特性的影響，選用4種粒徑質(zhì)量比1∶1∶1∶1的混合煤樣1000 g進(jìn)行程序升溫試驗(yàn)。

1.3 試驗(yàn)過(guò)程

將稱(chēng)量好的煤樣緩慢裝入煤樣罐，再放入程序升溫爐內(nèi)；在煤樣罐和程序升溫爐的幾何中心分別布置一個(gè)溫度傳感器；連接好氣路后檢查整個(gè)裝置的氣密性。試驗(yàn)時(shí)以130 ml/min的流量向煤樣罐內(nèi)通入干空氣，升溫速率設(shè)置為0.5℃/min。試驗(yàn)過(guò)程溫度范圍為30～240℃，每隔10℃在煤樣罐出口用針管取一次氣體，立即使用氣相色譜儀對(duì)其進(jìn)行分析。

2　試驗(yàn)結(jié)果分析

2.1 氣體產(chǎn)生量

（1）CO產(chǎn)生規(guī)律。CO是煤自燃過(guò)程中最早出現(xiàn)的氧化氣體產(chǎn)物，并貫穿始終。3種煤樣CO產(chǎn)生量隨煤溫的變化規(guī)律如圖2所示。由圖2可知，室溫30℃時(shí)即存在緩慢的煤氧復(fù)合反應(yīng)，伴隨微量的CO產(chǎn)生；煤溫低于110～120℃時(shí)，CO產(chǎn)生量呈線(xiàn)性緩慢增加；110～120℃之后，CO產(chǎn)生量出現(xiàn)一個(gè)飛躍，此后急速增長(zhǎng)，逐步進(jìn)入劇烈氧化階段。整個(gè)過(guò)程中，煤體活性基團(tuán)與氧氣反應(yīng)生成CO的規(guī)律呈近似指數(shù)形態(tài)的單調(diào)遞增特征。CO可以作為煤自燃預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)的主要指標(biāo)。

圖2　CO產(chǎn)生量隨煤溫的變化規(guī)律

（2）烴類(lèi)氣體產(chǎn)生規(guī)律。3種煤樣C2H4、C2H6和C3H8產(chǎn)生量隨煤溫的變化規(guī)律如圖3所示。由圖3可知，3種煤樣烴類(lèi)氣體產(chǎn)生的初始溫度相同，分別為150℃、110℃、110℃。由圖3 （a）可知，3種煤樣C2H4產(chǎn)生量隨煤溫升高單調(diào)增大，C2H4的出現(xiàn)表明煤自燃已進(jìn)入加速氧化階段，可以作為預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)的主要指標(biāo)；由圖3（b）可知，C2H6產(chǎn)生量隨煤溫升高基本呈線(xiàn)性增大，規(guī)律性較好，可以作為輔助指標(biāo)；由圖3（c）可知，除大峪15#煤在200℃之前規(guī)律性較差外，仙泉15#煤和晉平10#煤C3H8產(chǎn)生量隨煤溫升高基本呈線(xiàn)性增大，可以作為輔助指標(biāo)。

2.2 氣體比值

CO和C2H4是目前中變質(zhì)程度煤種最常使用的煤自燃預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)標(biāo)志氣體，但在現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用過(guò)程中，不能忽略復(fù)雜環(huán)境和條件的影響，特別是大部分煤自燃發(fā)生在煤柱或采空區(qū)，影響氣體產(chǎn)物涌出量的因素極多，且井下煤的自熱或氧化是在貧氧條件下進(jìn)行的，這使現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際檢測(cè)到的標(biāo)志氣體產(chǎn)生量與試驗(yàn)條件下所得標(biāo)志氣體產(chǎn)生量之間沒(méi)有明確關(guān)系。假設(shè)氣體產(chǎn)物涌出穩(wěn)定，其檢測(cè)濃度僅受風(fēng)量變化的影響，為消除井下風(fēng)量的影響，除了單一氣體指標(biāo)外，還需分析鏈烷比、烯烷比等復(fù)合指標(biāo)來(lái)預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)煤自燃情況。

圖3　烴類(lèi)氣體產(chǎn)生量隨煤溫的變化規(guī)律

（1）鏈烷比。鏈烷比主要指長(zhǎng)鏈烷烴與甲烷和乙烷的濃度比值。由于煤自燃過(guò)程中絕大部分CH4來(lái)源于煤體原始賦存CH4的脫附，氧化產(chǎn)生的僅占極小部分，實(shí)際生產(chǎn)過(guò)程中容易受到采掘工作、落煤時(shí)間等因素影響，所以φ（C2H6）/φ （CH4）、φ（C3H8）/φ（CH4）通常不能反應(yīng)煤真實(shí)的自燃程度。3種煤樣φ（C3H8）/φ（C2H6）的規(guī)律如圖4所示。由圖4可知，仙泉15#煤φ （C3H8）/φ（C2H6）規(guī)律性良好，可以作為煤自燃預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)的輔助指標(biāo)；其余兩個(gè)煤層該指標(biāo)不滿(mǎn)足單調(diào)變化性，且沒(méi)有能夠判定煤程序升溫過(guò)程中特征溫度段的極值出現(xiàn)。

圖4　φ（C3H8）/φ（C2H6）隨煤溫的變化規(guī)律

（2）烯烷比。烯烷比是指烯烴氣體濃度與某一碳鏈大于或等于該烯烴的烷烴濃度的比值。3種煤樣φ（C2H4）/φ（C2H6）和φ（C2H4）/φ（C3H8）的規(guī)律如圖5所示。由圖5可知，仙泉15#煤φ（C2H4）/φ（C3H8）隨煤溫升高單調(diào)增大，規(guī)律性良好；晉平10#煤φ（C2H4）/φ（C2H6）在煤溫200℃之前雖然不具有單調(diào)變化性，但在200℃之后迅速增大，能夠在一定程度上反映煤在高溫階段的狀態(tài)，所以這兩個(gè)指標(biāo)可以作為煤自燃預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)輔助指標(biāo)。

3　煤自燃臨界溫度

（1）基于CO生成量的煤自燃臨界溫度計(jì)算模型。

根據(jù)反應(yīng)速率公式和阿倫尼烏斯方程，得出CO的產(chǎn)生率為：

式中：v（CO）——CO產(chǎn)生率，mol/（m3·s）；

m——煤與1 mol O2反應(yīng)生成CO的摩爾數(shù)；

v（O2）——耗氧速率，mol/（m3·s）；

A——前因子；

CnO2——氧氣含量，mol/m3；

n——反應(yīng)級(jí)數(shù)；

E——活化能，J/mol；

Ti——絕對(duì)溫度，K；

R——?dú)怏w常數(shù)，取8.314 J/（mol·K）。

圖5　φ（C2H4）/φ（C2H6）和φ（C2H4）/φ（C3H8）產(chǎn)生量隨煤溫的變化規(guī)律

在模擬煤氧化過(guò)程中，假設(shè)反應(yīng)前后煤樣質(zhì)量不變；煤氧反應(yīng)時(shí)氧氣的初始反應(yīng)濃度不變；風(fēng)流僅沿煤樣罐的軸向流動(dòng)；煤樣罐內(nèi)煤溫均勻。則沿煤樣罐軸向d z處煤樣的CO標(biāo)準(zhǔn)生成速率為：

式中：S——煤樣罐的底面積，m2；

k——單位換算系數(shù)，取22.4×109；

vg——?dú)怏w流速，m3/s；

c——煤氧化過(guò)程中CO產(chǎn)生量，%。

將式（2）帶入式（1）得：

對(duì)式（3）兩端積分得：

式中：L——煤樣罐的高度，m；

Cout——煤樣罐出口的CO濃度，%。

對(duì)式（4）兩邊取自然對(duì)數(shù)得：

由式（5）知，當(dāng)供氣流量一定時(shí)，ln Cout與1/Ti是一條直線(xiàn)。通過(guò)計(jì)算擬合曲線(xiàn)斜率-E/R，可得煤氧化不同反應(yīng)階段的活化能，而活化能發(fā)生突變的溫度即為煤自燃臨界溫度。

（2）煤自燃臨界溫度分析。3種煤樣的ln Cout與1/Ti函數(shù)變化關(guān)系如圖6所示。由圖6可知，隨著煤溫的不斷升高，ln Cout與1/Ti函數(shù)的斜率會(huì)在某點(diǎn)發(fā)生突變，突變點(diǎn)所對(duì)應(yīng)的溫度即為煤自燃臨界溫度。通過(guò)計(jì)算不同反應(yīng)階段的擬合曲線(xiàn)，選取相關(guān)系數(shù)（R2）最高的分段擬合方式判斷突變點(diǎn)，最終得到大峪15#煤、仙泉15#煤和晉平10#煤的表觀活化能發(fā)生突變的1/Ti分別為0.002796、0.002878、0.003051，對(duì)應(yīng)的臨界溫度分別為85℃、74℃、55℃，與煤樣的吸氧量大小呈反比關(guān)系。臨界溫度是衡量煤從緩慢氧化發(fā)展到加速氧化難易程度的指標(biāo)，其高低反映了煤初期氧化能力的強(qiáng)弱，臨界溫度越低，則煤的初期氧化能力越強(qiáng)。

4　結(jié)論

（1）通過(guò)分析3種煤樣在程序升溫過(guò)程中CO、C2H4、C2H6、C3H8氣體的產(chǎn)生量及比值，參照煤自燃標(biāo)志氣體需具有靈敏性、規(guī)律性、可測(cè)性、早期顯現(xiàn)性、唯一性及單調(diào)變化性的特點(diǎn)，結(jié)合中變質(zhì)程度煤種標(biāo)志氣體優(yōu)選原則，建議選取CO、C2H4作為3個(gè)煤層自燃預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)的主要指標(biāo)，C2H6作為輔助指標(biāo)，此外，C3H8、φ（C3H8）/φ（C2H6）和φ（C2H4）/φ（C3H8）可作為仙泉15#煤的輔助指標(biāo)，C3H8和φ（C2H4）/ φ（C2H6）可作為晉平10#煤的輔助指標(biāo)。

（2）基于CO生成量的煤自燃臨界溫度計(jì)算模型，計(jì)算得出大峪15#煤、仙泉15#煤和晉平10#煤自燃臨界溫度分別為85℃、74℃、55℃。

圖6　3種煤樣的ln Cout與1/Ti函數(shù)變化關(guān)系

（3）在煤自燃標(biāo)志氣體指標(biāo)體系建立過(guò)程中，應(yīng)盡量摒棄單純使用CO等單一指標(biāo)的片面觀念，考慮綜合使用規(guī)律性良好的鏈烷比、烯烷比等復(fù)合指標(biāo)共同判定煤自燃狀態(tài)，提高煤自燃預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)的科學(xué)性和準(zhǔn)確性。研究結(jié)果可以有效避免因采掘活動(dòng)和地質(zhì)構(gòu)造等對(duì)煤自燃標(biāo)志氣體單一指標(biāo)的影響，指導(dǎo)礦方針對(duì)煤的不同自燃階段采取高效、經(jīng)濟(jì)的防治措施，可以為晉城礦區(qū)類(lèi)似整合礦井的煤自燃預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)提供重要參考。

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（責(zé)任編輯 張艷華）

Coal temperature program characteristics experiment research of integrated mines in Jincheng mining area

Zhang Qun1，2，3，Yao Haifei1，2，3，Xu Changfu1，2，3，Wu Haijun1，2，3，Zheng Zhongya1，2，3
（1.Mine Safety Technology Branch of China Coal Research Institute，Chaoyang，Beijing 100013，China；2.State Key Laboratory of Efficient Exploitation and Utilization of Coal Resources （China Coal Research Institute），Chaoyang，Beijing 100013，China；3.Beijing Coal Mine Safety Engineering Technology Research Center，Chaoyang，Beijing 100013，China）

Temperature program characteristics experiment was taken with Dayu 15#，Xianquan 15#and Jinping 10#coal seams to solve existing problems at integrated mines in Jincheng mining area，such as many broken blocks and severe air leakage in goaf.The experiment analyzed the variation law of carbon monoxide and hydrocarbon gas production with coal temperature，calculated critical temperature of spontaneous combustion and chose spontaneous combustion sign gas index.The result indicated：critical temperature of spontaneous temperature at Dayu，Xianquan，and Jinping is 85℃，74℃，55℃，respectively.The magnitude of this temperature reflects the oxidation ability of coal during early stage；according to optimization principle of coal spontaneous combustion sign gas，it is suggested to choose CO and CH4as main forecast index of coal spontaneous combustion，associated with other well-regularitybehaved non-adsorbed hydrocarbon gas，chain-alkane ratio and olefin ratio.The experiment was proven that could increase accuracy of coal spontaneous combustion prediction at similar integrated mines in Jincheng mining area and improve fire accident prevention.

integrated mine，temperature program characteristics，sign gas index，critical temperature，coal spontaneous combustion prediction

TD752

A

中國(guó)煤炭科工集團(tuán)有限公司科技項(xiàng)目青年基金項(xiàng)目（2016QN002），中國(guó)煤炭科工集團(tuán)科技創(chuàng)新基金資助項(xiàng)目（2012MS001）

張群（1988-），男，陜西咸陽(yáng)人，助理工程師，從事礦井火災(zāi)防治理論與技術(shù)方面的研究。