采空區(qū)煤體低溫氧化特性的實驗研究

吳 超，鄧榮斌

(1.運城職業(yè)技術(shù)大學(xué), 山西 運城044000； 2. 重慶山河生態(tài)環(huán)境工程有限公司， 重慶 400060)

0 引 言

煤自燃引起的礦井火災(zāi)威脅著煤炭資源的安全開采[1]。目前，中國60%的礦井存在自燃危險性，90%以上的礦井火災(zāi)是由煤炭自燃引起的[2]。采空區(qū)作為井下煤炭自燃的主要發(fā)生地點，受漏風(fēng)及瓦斯抽采的影響，其真實環(huán)境處于動態(tài)演變過程[3]。采空區(qū)氧氣 “三帶”分布不對稱，它在進氣側(cè)移動較深，但在回風(fēng)側(cè)更靠近工作面，在采空區(qū)中部較寬，這給防滅火技術(shù)的應(yīng)用帶來了很大困難[4-8]。

1 實 驗

1.1 實驗樣品

文中選取中國云南昭通的褐煤，變質(zhì)程度低，容易自燃，原始煤樣工業(yè)分析結(jié)果見表1。實驗取原始煤樣新鮮的中間部分，將其粉碎至0.075 mm以下，并將所得煤樣放置在真空干燥箱中干燥2 h，在氮氣保護下儲存?zhèn)溆?。磨煤機的粉碎過程會產(chǎn)生機械熱，使煤中官能團發(fā)生變化，由于該研究實驗煤樣均在同一環(huán)境中獲得，因此，制樣過程對煤中官能團測定結(jié)果的影響在實驗誤差范圍內(nèi)。

表1 煤樣的工業(yè)分析

1.2 實驗系統(tǒng)

實驗系統(tǒng)如圖1所示。實驗系統(tǒng)主要包括供氣系統(tǒng)、程序升溫系統(tǒng)、氣相色譜分析系統(tǒng)及FTIR分析系統(tǒng)。供氣系統(tǒng)由穩(wěn)壓鋼瓶(O2、N2)、減壓閥、穩(wěn)壓閥及質(zhì)量流量控制器組成，以保證不同體積分數(shù)的氣體穩(wěn)定持續(xù)輸出；程序升溫系統(tǒng)采用ZRJ-2000型煤自燃傾向測定儀，以保證煤樣以恒定速度升溫；GC4000A型氣相色譜儀，可直接輸送煤體低溫氧化氣體產(chǎn)物，分析氣相組分；FTIR分析系統(tǒng)由計算機和Tensor27型傅里葉紅外光譜儀組成。

圖1 實驗系統(tǒng)Fig. 1 Experimental system

1.3 實驗過程

利用供氣系統(tǒng)動態(tài)調(diào)節(jié)供氣氧氣體積分數(shù)(3%、5%、7%、9%、12%、15%、18%、21%)，每次稱取密封煤樣20 g，進行程序升溫實驗，升溫速率設(shè)為0.4 ℃/min，在30 mL/min的混合氣流下，實驗設(shè)計升溫梯度為50 ℃，將煤樣由30 ℃分別氧化升溫至80、130、180、230 ℃，連接氣相色譜分析系統(tǒng)實時分析氧化升溫(30～230 ℃)過程中CO生成規(guī)律；取到達設(shè)定溫度的煤樣進行官能團的測定。紅外測試參數(shù): KBr與煤樣的比為180∶1, 壓片機壓力為20 MPa，受壓時間為10 min，壓片尺寸厚為0.1 mm，直徑為0.9 mm，掃描次數(shù)32次，掃描時間為60 s，波長范圍400～4 000 cm-1。

2 結(jié)果與討論

2.1 官能團的變化

21%氧氣體積分數(shù)下煤氧化升溫過程中的傅里葉變換紅外光譜如圖2所示。

圖2 煤的FTIR譜Fig. 2 FTIR spectra of coal

由圖2可見，氧化溫度的不同，紅外光譜圖中表現(xiàn)出峰的高低和峰面積值不同，說明官能團數(shù)量存在差異，但峰形相似，表明煤中含有的官能團種類相同。紅外譜圖數(shù)據(jù)處理前先進行基線校正后平滑，利用PeakFitv4.12軟件對譜圖進行分峰擬合，分理出相互干擾的譜峰，將擬合分峰結(jié)果與煤的紅外光譜譜峰特征表比對，可定位脂肪烴和含氧官能團的峰位[21]。文中選用峰面積占比來定量分析各官能團的變化趨勢， 通過分峰擬合得到主要官能團峰面積， 將峰面積之和作為總的峰面積， 則某一官能團峰面積與總的峰面積的比值就表示了該種官能團在煤樣中的占比[19]。

2.1.1 脂肪烴官能團的變化

圖3 氧化升溫過程CH2、CH3占比的變化 Fig. 3 Changes of CH2、CH3 content with oxidation temperature

2.1.2 羥基的變化

圖4 氧化升溫過程OH占比的變化 Fig. 4 Changes of OH content with oxidation temperature

2.1.3 羰基的變化

圖5 氧化升溫過程中CO占比的變化 Fig. 5 Changes of CO content with oxidation temperature

2.1.4 羧基的變化

圖6 氧化升溫過程COOH占比的變化Fig. 6 Changes of COOH content with oxidation temperature

2.2 CO產(chǎn)氣量變化

CO作為煤體低溫氧化全過程伴隨物，一直作為煤自燃預(yù)測預(yù)報的指標氣體；在氧化升溫過程中，煤分子受氧化、熱解等作用，共價鍵及橋鍵斷裂生成新的活性基團，含C活性基團的氧化產(chǎn)生CO。利用氣相色譜儀對不同氧氣體積分數(shù)下煤體氧化升溫過程中(30～230 ℃)產(chǎn)氣組分進行分析，CO體積分數(shù)變化如圖7所示。

圖7 氧化升溫過程CO的產(chǎn)生規(guī)律 Fig. 7 Law of CO production under different oxidation conditions

3 結(jié) 論