林南倉礦煤層自然發(fā)火指標(biāo)氣體優(yōu)選

趙歡歡，朱令起，2，胡立新，孫昕彤，李慧，劉康，喬健

(1．華北理工大學(xué) 礦業(yè)工程學(xué)院，河北 唐山 063210；2．河北省礦業(yè)開發(fā)與安全技術(shù)實(shí)驗(yàn)室，河北 唐山 063210)

林南倉礦煤層自然發(fā)火指標(biāo)氣體優(yōu)選

趙歡歡1，朱令起1，2，胡立新1，孫昕彤1，李慧1，劉康1，喬健1

(1．華北理工大學(xué) 礦業(yè)工程學(xué)院，河北 唐山 063210；2．河北省礦業(yè)開發(fā)與安全技術(shù)實(shí)驗(yàn)室，河北 唐山 063210)

程序升溫；自然發(fā)火；標(biāo)志氣體；指標(biāo)優(yōu)選

林南倉礦在不同時(shí)期均發(fā)現(xiàn)CO氣體濃度超標(biāo)，嚴(yán)重妨礙了礦井正常的安全生產(chǎn)。為了確定合理的自然發(fā)火預(yù)測預(yù)報(bào)指標(biāo)，選取林南倉礦煤樣,在實(shí)驗(yàn)室人工模擬煤的自然發(fā)火；通過絕氧條件下的程序升溫實(shí)驗(yàn)，探究林南倉礦氧化過程之中各類氣體含量的變化和產(chǎn)生的規(guī)律；分析煤初期自然發(fā)火的特征，對預(yù)測煤層自燃的指標(biāo)氣體進(jìn)行優(yōu)選，建立含CO煤自然發(fā)火預(yù)測預(yù)報(bào)的指標(biāo)體系，為預(yù)測模型的建立奠定了基礎(chǔ)。

大量研究證明了煤層會(huì)賦存CO[1-4]，為了準(zhǔn)確預(yù)測煤層的自燃，還需要建立含CO煤自然發(fā)火預(yù)測預(yù)報(bào)的指標(biāo)體系。近年來，采用絕熱氧化的實(shí)驗(yàn)方法因?yàn)橄谁h(huán)境對煤自燃的影響，所以在煤的低溫氧化和煤層自燃的研究中受到廣泛應(yīng)用[5-8]。陳歡通過氣體成分分析、測溫等技術(shù)手段預(yù)測煤層自燃[9]；徐精彩等專家提出，能夠作為參數(shù)來判斷煤自燃傾向性的指標(biāo)有很多，比如CO 產(chǎn)生率、特征溫度、氧化發(fā)熱強(qiáng)度、耗氧速度、氧轉(zhuǎn)化為 CO 的百分率與煤自燃傾向性的關(guān)系等[10]；通過不同煤樣的程序升溫氧化實(shí)驗(yàn)，董憲偉等人研究了煤樣在氧化過程中產(chǎn)生氣體的種類和氣體濃度的變化特征[11]。朱令起等通過分析選取的4個(gè)典型煤樣在實(shí)驗(yàn)中CO、C2H4、C2H6等氣體的檢出溫度，對照指標(biāo)氣體優(yōu)選原則，對東歡坨煤礦檢出氣體和煤樣的自燃氧化結(jié)果進(jìn)行了探究[12]。 金永飛、李海濤等對清水營煤樣在不同的氧氣濃度下氣體產(chǎn)生特性進(jìn)行了研究[13]。鄧軍等研究了峁底煤礦煤自燃過程中的主要指標(biāo)氣體[14]。

選取賦存CO的林南倉礦煤樣，通過絕氧和不同氧濃度條件下的程序升溫氧化實(shí)驗(yàn)，模擬礦井自燃，然后用氣相色譜儀對產(chǎn)生的各種氣體進(jìn)行檢測和分析，進(jìn)而對能夠預(yù)測煤層自燃的指標(biāo)氣體進(jìn)行優(yōu)選。對預(yù)測含CO的煤層自燃具有指導(dǎo)意義。

1 絕氧條件下各指標(biāo)氣體釋放規(guī)律

1.1 實(shí)驗(yàn)過程

將林南倉的煤樣進(jìn)行處理后，得到粒徑為0.18～0.25 mm(60～80目)的煤樣。煤樣罐放置于程序升溫氧化箱內(nèi)以后，連接進(jìn)氣管、出氣管和溫度探頭，在確認(rèn)氣密性完好后，通入流量為100 ml/min的壓縮空氣，并將程序升溫裝置升溫速率設(shè)置為0.3 ℃/min，對煤樣進(jìn)行程序升溫。溫度每增加10 ℃后，收集程序升溫箱中釋放的氣體,打入氣相色譜儀中，并記錄實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。

1.2 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分析

根據(jù)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分別繪制8個(gè)煤樣在各種氧氣濃度條件下程序升溫實(shí)驗(yàn)產(chǎn)生的各種氣體的含量隨溫度的變化關(guān)系。

由實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)可知， CO氣體隨著溫度的變化關(guān)系曲線第1次出現(xiàn)明顯的升高點(diǎn)在60 ℃左右，CO氣體濃度隨著溫度的升高而上升，煤的氧化反應(yīng)加劇；CO氣體與溫度變化曲線中第2次突出變化點(diǎn)在200 ℃左右。此時(shí)生成的CO氣體急劇增加，產(chǎn)生速率大，說明在此溫度階段，煤分子獲得了大量能量，分子結(jié)構(gòu)中各基團(tuán)共價(jià)鍵斷裂，分子內(nèi)部結(jié)構(gòu)逐漸裂解，生成了大量的CO氣體及其他的烴類氣體。

在煤自燃氧化反應(yīng)初始階段，由于煤體溫度較低，碳元素與氧元素發(fā)生不完全反應(yīng)，CO2的生成量較少。隨著煤體溫度的升高，自燃氧化反應(yīng)加速，產(chǎn)生的CO2逐漸增多。當(dāng)煤體溫度達(dá)到100 ℃左右時(shí)， CO2氣體大量產(chǎn)生且快速釋放，CO2的生成速率突然變大，CO2濃度隨溫度變化曲線出現(xiàn)了拐點(diǎn)。圖1所示為CO2/CO與煤溫變化關(guān)系。

圖1 CO2/CO與煤溫變化關(guān)系

由圖1可知，CO2/CO比值隨溫度的變化基本上呈現(xiàn)負(fù)指數(shù)變化規(guī)律。由于林南倉煤礦中本身含有CO氣體，且每個(gè)煤樣中含有的CO量不等，因此，在溫度在20～40 ℃之間時(shí)，CO2/CO比值大小不一。當(dāng)溫度達(dá)到70 ℃時(shí)，可以看到CO2/CO比值除了7號(hào)煤樣有些異常外，均降到10左右，此時(shí)煤自燃氧化產(chǎn)生了大量的CO，導(dǎo)致比值下降。隨著煤樣溫度的不斷升高，CO2/CO比值表現(xiàn)出指數(shù)函數(shù)曲線下降的變化特征，表明此階段煤已經(jīng)處于加速氧化階段，發(fā)生復(fù)雜的化學(xué)反應(yīng)，化學(xué)鍵開始斷裂，放熱量較大，放熱速率較快并伴隨特征氣體的產(chǎn)生和釋放。當(dāng)煤溫超過100 ℃時(shí)，CO2/CO的比值減小到4～7之間；當(dāng)煤溫超過200 ℃時(shí)，CO2/CO的比值小于4。根據(jù)以上規(guī)律，提出基于CO2/CO比值變化特征的煤自燃判定標(biāo)準(zhǔn)，如表1所示。

表1 CO2/CO判定標(biāo)準(zhǔn)

由實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)可知，C2H6氣體出現(xiàn)的初始溫度在60 ℃左右，隨著溫度升高整體呈現(xiàn)上升趨勢，當(dāng)溫度為260 ℃左右時(shí)，C2H6的體積分?jǐn)?shù)有所下降，但下降的程度??；隨后再次隨著溫度的升高而上升。C2H6不能單獨(dú)作為煤自燃預(yù)測指標(biāo)，可作為參考指標(biāo)。

C3H8出現(xiàn)的初始溫度較C2H6高，C3H8氣體在溫度達(dá)到120 ℃才出現(xiàn)，隨著溫度的升高而逐漸增加，具有單調(diào)性，可以作為煤自燃預(yù)測預(yù)報(bào)的指標(biāo)。C2H4出現(xiàn)的溫度在100 ℃左右，當(dāng)溫度達(dá)到200 ℃以上時(shí)，C2H4發(fā)生速率明顯較高，與溫度的升高呈現(xiàn)的線性規(guī)律較好，由于煤樣吸附的瓦斯氣體中沒有烴類成分。只要檢測到C2H4氣體，即表明煤體溫度在100 ℃以上。圖2所示為C3H8/C2H6隨溫度變化曲線。

圖2 C3H8/C2H6隨溫度變化曲線

由圖2可知，C3H8/C2H6比值隨著溫度的升高呈現(xiàn)先遞增后減小的趨勢；由于生成的C2H6氣體在溫度為260 ℃左右，體積分?jǐn)?shù)下降，而C3H8氣體是一直隨著溫度的增加而增加的，故C3H8/C2H6比值在260 ℃時(shí)出現(xiàn)最高值，隨后其比值逐漸變小。C3H8/C2H6比值表現(xiàn)的規(guī)律性較強(qiáng)，可以作為煤自燃預(yù)測指標(biāo)。

由實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)繪制C2H4/C2H6指標(biāo)隨著溫度變化的曲線，如圖3所示。

圖3 C2H4/C2H6比值變化曲線圖

由圖3可以看出：在實(shí)驗(yàn)檢測溫度范圍內(nèi)，8個(gè)煤樣的C2H4/C2H6比值出現(xiàn)的初始溫度均在100 ℃以上，且C2H4/C2H6隨溫度變化曲線呈現(xiàn)出先緩慢增長后達(dá)到最高點(diǎn)后逐漸下降的趨勢。在溫度為260 ℃左右，C2H4/C2H6比值達(dá)到最大，由曲線可以看出，其可以作為煤自燃預(yù)測預(yù)報(bào)指標(biāo)。

2 自燃預(yù)測指標(biāo)氣體優(yōu)化

綜上所述，CO、CO2/CO、C2H4/C2H6、C2H4均可作為預(yù)測煤自然發(fā)火的標(biāo)志性氣體，評價(jià)各階段煤自燃氧化溫度與指標(biāo)氣體的關(guān)聯(lián)程度，來評判指標(biāo)氣體的可靠度，可通過灰色關(guān)聯(lián)分析實(shí)現(xiàn)對指標(biāo)氣體的優(yōu)選，建立定量和定性判定體系。

2.1 灰色關(guān)聯(lián)分析

以林南倉煤礦4#煤樣的煤自燃反應(yīng)的加速氧化階段(100～190 ℃)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)為例，如表2所示，進(jìn)行灰色關(guān)聯(lián)分析過程的解釋與說明。

表2 林南倉4#煤樣升溫氧化數(shù)據(jù)(單位：ppm)

則參考特征序列和比較序列分別為：

t={110,120,130,140,150,160,170,180,190,200}

采用初值化法分別將參考特征序列溫度和比較序列指標(biāo)氣體體積分?jǐn)?shù)進(jìn)行無量綱化，然后計(jì)算出絕對插值，確定好2級(jí)最大差和2級(jí)最小差后帶入到關(guān)聯(lián)系數(shù)的公式中，其中分辨率系數(shù)ξ值(取0.5)，即可得到關(guān)聯(lián)度系數(shù)和灰色關(guān)聯(lián)度，得到的關(guān)聯(lián)度大小作為評價(jià)指標(biāo)氣體的可靠度的量化依據(jù)?；疑P(guān)聯(lián)度數(shù)值大的，說明該指標(biāo)氣體與自燃氧化溫度的發(fā)展態(tài)勢接近的程度高，則該指標(biāo)氣體可以作為主要指標(biāo)，以此類推，從而實(shí)現(xiàn)對指標(biāo)氣體進(jìn)行優(yōu)選。

按照同樣的操作步驟，分別計(jì)算出林南倉礦煤樣的自燃氧化溫度段40～90 ℃以及200～300 ℃對應(yīng)的指標(biāo)氣體的關(guān)聯(lián)程度，得到的結(jié)果如表3所示。

表3 各煤樣的氧化溫度與指標(biāo)氣體的關(guān)聯(lián)度

2.2 指標(biāo)氣體優(yōu)化

表3中8個(gè)煤樣的自燃氧化溫度區(qū)間內(nèi)對應(yīng)的指標(biāo)氣體的關(guān)聯(lián)度大小，可以看出：在溫度40～70 ℃之間，僅6#、7#和8#3個(gè)煤樣氧化反應(yīng)中檢測到C2H6氣體，所以，C2H6氣體不適合作為該階段的預(yù)測指標(biāo)；則各有4個(gè)煤樣的CO2/CO和CO指標(biāo)與自燃氧化溫度的關(guān)聯(lián)度值最高，說明CO2/CO和CO指標(biāo)與自燃氧化溫度的變化態(tài)勢最接近，但林南倉礦存在低溫情況下CO涌出現(xiàn)象，故在此低溫自燃氧化反應(yīng)階段內(nèi)，CO2/CO比值應(yīng)作為首選指標(biāo)。

在溫度70～100 ℃之間，除8#煤樣外，7個(gè)煤樣的CO2/CO指標(biāo)與自燃氧化溫度的關(guān)聯(lián)度值最高，說明兩者的發(fā)展態(tài)勢最吻合，在此自燃氧化反應(yīng)階段內(nèi)，CO2/CO比值可作為首選指標(biāo)。

在溫度100 ℃以上時(shí)，由于C3H8檢測到的溫度較低，有時(shí)在140 ℃以上，因此，C3H8氣體和C3H8/C2H6不宜作為該溫度階段煤自燃預(yù)測指標(biāo)；除了5#、6#和8#外，有5個(gè)煤樣的C2H4/C2H6指標(biāo)與該自燃氧化溫度的關(guān)聯(lián)度值最高，其次為CO2/CO指標(biāo)，因此，C2H4/C2H6和CO2/CO指標(biāo)可作為自燃預(yù)測指標(biāo)。綜合以上分析結(jié)果，得到煤自燃程度預(yù)測預(yù)報(bào)指標(biāo)體系如表4所示。

表4 煤自燃程度預(yù)測預(yù)報(bào)指標(biāo)體系

3 結(jié)論

(1)正常氧氣條件下林南倉礦的升溫實(shí)驗(yàn)得出，CO生成的體積分?jǐn)?shù)隨著溫度的升高變化趨勢相似，均呈現(xiàn)出緩慢增加到急劇增加的趨勢，與溫度變化成正指數(shù)變化關(guān)系，且貫穿到煤升溫氧化的整個(gè)實(shí)驗(yàn)過程中。超過100 ℃后，CO濃度增加量明顯增大，在日常生產(chǎn)中應(yīng)對該指標(biāo)加以注意。

(2)利用CO2/CO比值作為判定指標(biāo)可消除煤礦井下通風(fēng)對指標(biāo)氣體測量結(jié)果的影響，其CO2/CO比值的變化規(guī)律直觀地反映了煤自然發(fā)火特征，可用于判斷煤自然發(fā)火過程所處的階段和存在危險(xiǎn)的程度，及時(shí)準(zhǔn)確指導(dǎo)煤生產(chǎn)礦山內(nèi)因火災(zāi)的預(yù)報(bào)與防治。

(3)通過對各煤樣氧化實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的定性分析，可以把早期自燃氧化過程分成3個(gè)溫度段：40～70 ℃、70～100 ℃，100 ℃以上，CO氣體、CO2/CO、C2H4氣體、C2H6氣體、C3H8氣體、C3H8/C2H6、C2H4/C2H6都可作為判定煤層自然發(fā)火程度的指標(biāo)氣體。但在實(shí)際應(yīng)用時(shí)，應(yīng)綜合考慮各指標(biāo)，使得預(yù)測更加準(zhǔn)確。

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OptimalSelectionforGasPredictionIndexofCoalSpontaneousCombustionatLinnancangCoalMine

ZHAO Huan-huan1, ZHU Ling-qi1,2, HU Li-xin1, SUN Xin-tong1, LI Hui1, LIU Kang1, QIAO Jian1

(1. College of Mining Engineering, North China University of Science and Technology, Tangshan Hebei 063210, China;2. Hebei Lab of Mining Development and Safety Technology, Tangshan Hebei 063210, China)

temperature programming; spontaneous combustion; indicative gas; index optimization

In different periods, the concentration of CO gas was found to be over-standard at the Linnancang Coal Mine , which seriously influences the normal safety production of mine. In order to determine reasonable gas prediction indexes of coal spontaneous combustion, selecting the Linnancang Coal Mine as sample, manually imitated coal spontaneous combustion in the laboratory. The temperature programming experiment at normal oxygen concentration was carried out. By the study of content variation and analysis of production regularity of all kinds of gas that produce at oxidation process at Linnancang Coal Mine and the characteristics of early spontaneous combustion of coal spontaneous combination, and index optimization was conducted for gas prediction index of coal spontaneous combustion at LinnancangCoal Mine and the index system of gas prediction system about coal containing CO spontaneous combustion was built. It is significant to the establishment of prediction model.

2095-2716(2017)04-0034-07

2017-04-13

2017-09-13

X936；P624.8

A