桑樹(shù)坪煤礦11號(hào)煤自燃特性實(shí)驗(yàn)研究

蘇宏剛　王瑞義

【摘 要】為研究桑樹(shù)坪煤礦11號(hào)煤層樣品的自燃特性，對(duì)樣品進(jìn)行了程序升溫實(shí)驗(yàn)，并對(duì)樣品的低溫氧化特性及參數(shù)進(jìn)行了系統(tǒng)的分析。結(jié)果表明，降低氧氣濃度煤的耗氧速率及CO產(chǎn)生量將顯著降低，低氧環(huán)境對(duì)煤復(fù)燃氧化有明顯的抑制作用，實(shí)驗(yàn)得到了不同粒度式11號(hào)煤在氧化升溫過(guò)程中的耗氧速率，CO、C2H4、C2H6等產(chǎn)生量隨粒度的降低而不斷增強(qiáng)的變化規(guī)律。確定了煤自燃危險(xiǎn)指標(biāo)，這為桑樹(shù)坪煤礦11號(hào)煤的煤自燃火災(zāi)的監(jiān)測(cè)預(yù)警提供了基礎(chǔ)依據(jù)。

【Abstract】In order to study the spontaneous combustion characteristics of No. 11 Coal seam sample in Sangshuping Coal Mine， temperature programmed experiments were carried out on the sample， and the low temperature oxidation characteristics and parameters of the sample were systematically analyzed. The results show that the oxygen consumption rate and CO production of coal with lower oxygen concentration are significantly reduced， and the low oxygen environment has obvious inhibition effect on coal reburning and oxidation. The oxygen consumption rate of coal No.11 with different particle sizes in the process of oxidation and heating is obtained. The variation rules of CO， C2H4， C2H6 production are continuously enhanced with the decrease of particle size. The risk index of coal spontaneous combustion is determined， which provides a basis for monitoring and early warning of coal spontaneous combustion fire of No.11 Coal in Sangshuping Coal Mine.

【關(guān)鍵詞】低溫氧化;耗氧速率;指標(biāo)氣體

【Keywords】 low temperature oxidation; oxygen consumption rate; index gas

【中圖分類號(hào)】TD75? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 【文獻(xiàn)標(biāo)志碼】A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 【文章編號(hào)】1673-1069（2019）09-0167-04

1 引言

桑樹(shù)坪煤礦11號(hào)煤層的自燃傾向性屬于自燃煤層，經(jīng)測(cè)定煤自然發(fā)火期為57天。工作面開(kāi)采采用沿空留巷，工作面留巷采用建立水泥墻的方式保留，采用兩進(jìn)一回的“Y”型通風(fēng)方式。然而，“Y”型通風(fēng)方式會(huì)造成采空區(qū)漏風(fēng)難以得到有效的控制，遺煤不斷氧化蓄熱易造成自燃，導(dǎo)致煤自燃火災(zāi)，甚至引起瓦斯爆炸事故，嚴(yán)重威脅礦井安全生產(chǎn)。風(fēng)流從工作面向采空區(qū)流動(dòng)的過(guò)程中，會(huì)由于煤巖空隙阻力作用和距離的增大而逐漸地減少。而采空區(qū)的遺煤會(huì)不斷地氧化消耗采空區(qū)環(huán)境中的氧氣。因此，隨風(fēng)流進(jìn)入采空區(qū)深度的增大，風(fēng)流的流動(dòng)速度和氧氣濃度會(huì)逐漸降低。采空區(qū)中的氧氣濃度是影響煤自燃反應(yīng)的關(guān)鍵因素[1-3]。為了實(shí)現(xiàn)礦井煤自燃火災(zāi)的有效防治，必須對(duì)桑樹(shù)坪煤礦11號(hào)煤的自燃氧化特性展開(kāi)一系列的研究。因此，本文以桑樹(shù)坪煤礦11號(hào)煤樣作為研究對(duì)象，測(cè)試了不同O2/N2氣氛和粒度時(shí)，煤在氧化升溫過(guò)程中的耗氧速率及氣體產(chǎn)生量的變化規(guī)律，研究成果對(duì)桑樹(shù)坪礦的11號(hào)煤層開(kāi)采過(guò)程中的采空區(qū)煤自燃火災(zāi)預(yù)防與控制具有重要的指導(dǎo)意義。

2 實(shí)驗(yàn)儀器及條件

2.1 不同氣氛對(duì)煤自燃特性的影響

2.1.1 實(shí)驗(yàn)煤樣

本實(shí)驗(yàn)的樣品取自桑樹(shù)坪煤礦11號(hào)煤。將煤樣破碎然后篩分為不同粒徑的樣本（分別為：0～0.9mm、0.9～3mm、3～5mm、5～7mm和7～10mm）。取每個(gè)粒徑范圍樣品200g，制成1kg的實(shí)驗(yàn)樣本。

2.1.2 實(shí)驗(yàn)條件

采用不同O2/N2氣氛（氧氣濃度分別為21%、14%、8%和0%）進(jìn)行煤樣的氧化實(shí)驗(yàn)，研究降低氧氣濃度對(duì)煤自燃特性的影響。

2.2 粒度對(duì)煤自燃特性的影響

煤樣在韓城桑樹(shù)坪礦采取，將桑樹(shù)坪礦煤樣破碎并使用篩網(wǎng)進(jìn)行篩分，實(shí)驗(yàn)樣品的粒度范圍分別為：0～0.9mm、0.9～3mm、3～5mm、5～7mm和7～10mm，并將這5種粒度范圍的桑樹(shù)坪11號(hào)煤的樣品，按質(zhì)量平均混合為1kg的混合實(shí)驗(yàn)樣品，在程序升溫箱中進(jìn)行程序升溫實(shí)驗(yàn)。

2.3 實(shí)驗(yàn)裝置及過(guò)程

實(shí)驗(yàn)裝置采用油浴程序升溫裝置，如圖1所示。在進(jìn)行桑樹(shù)坪11號(hào)煤層樣品自燃氧化實(shí)驗(yàn)時(shí)，首先向11號(hào)煤層的樣品裝入自燃升溫系統(tǒng)中，之后向桑樹(shù)坪11號(hào)煤層的樣品通入流量為100mL/min的氣體，實(shí)驗(yàn)采用0.3℃/min對(duì)桑樹(shù)坪11號(hào)煤的樣品進(jìn)行煤自燃氧化程序升溫實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)的溫度范圍為：20～170℃，煤樣氧化氣體采集間隔為每隔10℃，采用色譜儀分析采集到桑樹(shù)坪11號(hào)煤層樣品氧化后尾氣中的氣體成分的種類和具體的含量。研究桑樹(shù)坪11號(hào)煤樣品放熱自燃氧化特性。

3 結(jié)果與分析

3.1 氧氣濃度對(duì)樣品自燃特性的影響

3.1.1 樣品氧化產(chǎn)生的CO濃度

在煤低溫氧化階段CO是氧化過(guò)程的標(biāo)志性氣體，其變化規(guī)律可反映煤自燃程度及危險(xiǎn)性[4]。煤樣在不同氧氣濃度時(shí)氧化產(chǎn)生的CO氣體的濃度如圖2所示。

煤的低溫氧化過(guò)程是一個(gè)緩慢且逐漸加速活化的過(guò)程，煤氧化過(guò)程中活性官能團(tuán)氧化會(huì)產(chǎn)生CO氣體、CO2氣體等氣體。在溫度較低的時(shí)桑樹(shù)坪煤礦11號(hào)煤層樣品氧化產(chǎn)生的CO量較少，隨著溫度的升高逐漸在升高。在實(shí)驗(yàn)溫超過(guò)100°C以后，樣品氧化產(chǎn)生的CO量顯著增大，且增速不斷提高，如圖2所示。在O2/N2氣氛環(huán)境中樣品氧化產(chǎn)生的CO濃度在較高反應(yīng)溫度下均隨著氧氣濃度的降低而不斷降低。降低氧氣會(huì)抑制煤中活性官能團(tuán)的氧化，因此產(chǎn)生的CO量顯著減小。

3.1.2 樣品的耗氧速率

在標(biāo)準(zhǔn)氧濃度下實(shí)驗(yàn)過(guò)程中實(shí)驗(yàn)爐內(nèi)耗氧速率V0（T）計(jì)算公式如下：

由圖3可得，桑樹(shù)坪煤礦11號(hào)煤層樣品在反應(yīng)溫度較低時(shí)，不同氧氣濃度下樣品的耗氧速率均較低。主要是此溫度階段煤樣主要發(fā)生氧氣性結(jié)構(gòu)的物理化學(xué)吸附，因此，樣品的耗氧速率較低。煤自燃程度升溫溫度不斷升高，桑樹(shù)坪煤礦11號(hào)煤層樣品中活性基團(tuán)逐漸被活化參與氧化反應(yīng)，導(dǎo)致樣品的耗氧速率顯著增大[5]。當(dāng)煤自燃程序升溫實(shí)驗(yàn)溫度超過(guò)

100℃后，樣品的耗氧速率顯著增強(qiáng)，耗氧速率大幅增加。隨實(shí)驗(yàn)氧氣濃度的降低，桑樹(shù)坪煤礦11號(hào)煤層樣品氧化的耗氧速率顯著降低。這是由于環(huán)境中的氧氣濃度降低而抑制了煤中活化基團(tuán)與氧氣的反應(yīng)導(dǎo)致的。

3.2 粒度對(duì)樣品自燃特性的影響

3.2.1 樣品耗氧速度

由圖4可得，隨不同粒徑下桑樹(shù)坪煤礦11號(hào)煤層樣品的耗氧速率均隨實(shí)驗(yàn)溫度的升高而不斷增大，呈現(xiàn)指數(shù)增加規(guī)律。隨實(shí)驗(yàn)樣品粒徑的逐漸上升，煤樣的耗氧速率不斷地降低[6]。對(duì)于桑樹(shù)坪煤礦11號(hào)煤層樣品在相同溫度和質(zhì)量情況下，樣品的粒徑越大，則暴露在空氣中的表面積會(huì)顯著降低。因此，樣品在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中與氧氣發(fā)生接觸的面積就會(huì)顯著減少，導(dǎo)致相同溫度時(shí)，樣品中與氧氣發(fā)生反應(yīng)的活性基團(tuán)數(shù)量降低，造成耗氧速率顯著降低。

3.2.2 樣品氧化產(chǎn)生的CO濃度

通過(guò)圖5可得，CO濃度隨溫度的升高先緩慢增加，當(dāng)溫度達(dá)到某一值（100℃）時(shí)其生成量迅速增加。這是由于煤的氧化過(guò)程是一個(gè)逐步活化的過(guò)程。隨著煤的氧化溫度的升高，導(dǎo)致煤中活性官能團(tuán)的數(shù)量增加。煤與氧氣的反應(yīng)速率增大，造成煤氧化產(chǎn)生的CO量顯著地增大。由圖5分析CO的含量隨溫度的變化規(guī)律可以發(fā)現(xiàn)，隨煤氧化溫度的升高，煤氧化產(chǎn)生的CO濃度呈指數(shù)形式增長(zhǎng)，溫度越高煤氧化產(chǎn)生的CO含量越高。因此，煤氧化產(chǎn)生的CO濃度可以作為預(yù)測(cè)煤自燃的主要指標(biāo)氣體。對(duì)比分析發(fā)現(xiàn)煤樣的粒度越小，氧化產(chǎn)生的CO濃度越大，這主要是粒度減小增大了煤反應(yīng)的表面積和活性官能團(tuán)的數(shù)量。

3.2.3 臨界溫度和干裂溫度

煤自燃臨界溫度是煤在氧化升溫過(guò)程中自動(dòng)加速的第一個(gè)溫度點(diǎn)。CO產(chǎn)生率發(fā)生第一次突變的起點(diǎn)溫度即為臨界溫度。煤的干裂溫度是煤結(jié)構(gòu)中的側(cè)鏈開(kāi)始斷裂，并參與氧化反應(yīng)的初始溫度。聯(lián)系實(shí)驗(yàn)過(guò)程，CO產(chǎn)生率的變化率與溫度的關(guān)系曲線中發(fā)生第二次突變的起點(diǎn)溫度即為干裂溫度。不同粒度煤樣臨界溫度、干裂溫度如表1所示，煤樣的臨界溫度范圍為95～105℃，干裂溫度范圍為125～135℃。

3.2.4 C2H6和C2H4氣體

從圖6和圖7可以看出，煤樣中不含C2H4氣體，在煤的溫度升高到160℃時(shí)產(chǎn)生的C2H4氣體，這主要是煤樣高溫裂解的氣體，這與煤樣的裂解溫度有關(guān)。在實(shí)驗(yàn)一開(kāi)始就有C2H6氣體，這是由于煤樣中富含有一定的C2H6氣體，隨著溫度升高，煤樣中吸附的C2H6氣體發(fā)生脫附現(xiàn)象逐漸釋放出來(lái)。同時(shí)C2H6和C2H6兩種氣體產(chǎn)生率與粒徑有關(guān)，粒徑越小，產(chǎn)生量越多，并且溫度越高，產(chǎn)生率越高。C2H6可以作為一種預(yù)報(bào)煤自燃程度的指標(biāo)氣體。

4 結(jié)論

①桑樹(shù)坪礦11號(hào)煤層煤樣在氧化過(guò)程中的耗氧速率、CO氣體濃度，在氧化溫度較低時(shí)（<100℃），耗氧速率和CO氣體產(chǎn)生量增速較小。之后隨溫度升高耗氧速率和CO氣體產(chǎn)生量增速顯著增加，總體隨溫度的增加符合指數(shù)增加規(guī)律。

②11號(hào)煤在不同氣氛條件下耗氧速率和CO產(chǎn)生量隨溫度的升高逐漸升高;降低氧氣濃度對(duì)煤低溫氧化的抑制作用逐漸增大，氧氣濃度越低對(duì)煤的耗氧和CO產(chǎn)生的抑制作用越明顯。

③在O2/N2不同氣氛時(shí)，降低氧氣濃度對(duì)煤氧化具有明顯的抑制作用。在相同氧化溫度條件下，耗氧速率隨著粒徑的增大而減小，CO、C2H4和C2H6氣體的濃度也顯著地減小。

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