煤破碎過程中CO產(chǎn)生量變化規(guī)律實驗研究

杜 楠

（山西凌志達(dá)煤業(yè)有限公司，山西 長治 046606）

1 實驗研究方案

CO是煤礦井下的有毒有害氣體，對井下煤炭開采與產(chǎn)生CO之間關(guān)系進(jìn)行研究，可為合理通風(fēng)提供理論依據(jù)。

本次實驗研究主要包括兩方面內(nèi)容：一是分別在氮氣和空氣全封閉式煤樣粉碎測試裝置中將煤樣粉碎成不同粒徑的樣品，然后抽取測試裝置中的氣體進(jìn)行定量分析；二是測定不同粒徑的煤樣的比表面積，分析煤樣比表面積與CO產(chǎn)生量之間的關(guān)系，結(jié)合氣相色譜儀定量分析數(shù)據(jù)，反演井下現(xiàn)場煤炭開采破碎過程當(dāng)中，空氣同破碎煤體接觸之后，通過快速氧化作用引起CO產(chǎn)生量快速增大的變化情況。

2 氮氣環(huán)境下煤比表面積對CO產(chǎn)生量影響

實驗的主要目的是研究在氮氣、空氣環(huán)境下，CO生成量隨著采集的新鮮煤樣破碎過程的變化情況，煤樣的比表面積變化同CO產(chǎn)生量之間的關(guān)系。

2.1 實驗儀器

（1）煤科集團(tuán)沈陽研究院有限公司研制的全封閉式煤樣粉碎測試裝置；

（2）美國Inficon公的MicroGC3000氣相色譜儀；

（3）北京金埃譜公司V-Sorb2800P型比面積/孔徑測量儀。

2.2 煤樣選取

采集凌志達(dá)礦15號煤新鮮大塊煤樣，用保鮮膜將其密封后送實驗室； 將全封閉式煤樣粉碎測試裝置中注滿氮氣，煤樣放入該裝置中，再通過安裝于其中的砂輪機(jī)，從煤樣中心位置截取正方體形狀的煤樣實驗品，并稱取其重量，選取煤樣25 g，隨后將實驗煤樣放入液氮中冷卻10 min，然后將煤樣從液氮中取出，放入全封閉式煤樣粉碎裝置中開始實驗。

2.3 實驗過程

首先，將加工好的實驗煤樣放入充滿氮氣的全封閉式煤樣粉碎裝置中放置5 min，然后采集裝置中的氣體，用氣相色譜儀對氣體進(jìn)行定量測定，記錄CO的濃度，再啟動全封閉式煤樣粉碎裝置，并將粉碎時間設(shè)定為1 min。煤樣被粉碎1 min之后，裝置自動停止。采集裝置中的氣體，用氣相色譜儀對氣體進(jìn)行定量測定，記錄CO的濃度。然后將粉碎后的煤樣取出，測量該煤樣的比表面積。而后把粉碎煤樣從器皿內(nèi)倒出，并將器皿洗凈準(zhǔn)備下一組煤樣實驗。

同樣，將煤樣粉碎時間分別設(shè)定為3 min、5 min和7 min，重復(fù)以上實驗操作步驟，并分別分析CO濃度及其實驗煤樣的比表面積。

此外在實驗時，在粉碎實驗煤樣大于7 min時，其比表面積增大幅度較小，此時實驗煤樣出現(xiàn)高溫發(fā)熱現(xiàn)象，對實驗數(shù)據(jù)的精確度影響較大，因此本次實驗將實驗煤樣的最大粉碎時間設(shè)定為7 min。

2.4 實驗數(shù)據(jù)

氮氣環(huán)境下煤樣粉碎前后比表面積及CO濃度數(shù)據(jù)變化見表1。

表1 氮氣環(huán)境下煤樣粉碎前后比表面積及CO濃度數(shù)據(jù)

對表1進(jìn)行分析，粉碎實驗煤樣之前，其比表面積都為2.29×10-5m2/g附近，其CO濃度均為0；粉碎實驗煤樣之后，在1 min、3 min、5 min和7 min四種不同的粉碎時間之下，其比表面積的增幅約為8.5×103倍、8.6×104倍、1.26×105倍和1.33×105倍；CO濃度分別為2 ppm、3 ppm、3 ppm和3 ppm，其絕對增長量均不大。

3 有氧環(huán)境煤比表面積對CO產(chǎn)生量影響

實驗的主要目的是研究在空氣環(huán)境下，CO生成量隨著采集的新鮮煤樣破碎過程的變化情況，和此條件下煤樣的比表面積同CO產(chǎn)生量之間的變化關(guān)系。借此反演井下現(xiàn)場煤炭開采破碎過程當(dāng)中，空氣同破碎煤體接觸之后，通過快速氧化作用引起CO產(chǎn)生量快速增大的變化情況。

2.1 實驗儀器

實驗儀器與氮氣環(huán)境下實驗儀器相同。

2.2 煤樣選取

煤樣選取與氮氣環(huán)境下煤樣選取相同。

2.3 實驗過程

實驗過程與氮氣環(huán)境下實驗過程相似，不同的是全封閉式煤樣粉碎裝置中充滿的氣體換為空氣，其余過程全部相同。

2.4 實驗數(shù)據(jù)

空氣環(huán)境下煤樣粉碎前后比表面積及CO濃度數(shù)據(jù)見表2。

表2 空氣環(huán)境下煤樣粉碎前后比表面積及CO濃度數(shù)據(jù)

對表2進(jìn)行分析，粉碎實驗煤樣之前，其比表面積都為2.29×10-5m2/g附近，各組CO濃度分別為1 ppm、2 ppm、2 ppm、1 ppm和1 ppm；粉碎實驗煤樣之后，在1 min、3 min、5 min和7 min四種不同的粉碎時間之下，其比表面積的增幅約為8.6×103倍、8.7×104倍、1.34×105倍和1.36×105倍，并且其CO生成量也有大幅度地增加。

4 兩種氣體環(huán)境下實驗結(jié)果分析

圖1到圖3為氮氣和空氣兩個環(huán)境下煤樣粉碎時間、CO產(chǎn)生量、煤樣比表面積三者之間的關(guān)系。

圖1 煤樣粉碎時間與CO產(chǎn)生量曲線

圖2 煤樣粉碎時間與煤樣比表面積曲線

從圖1到圖3可以看出，在氮氣環(huán)境下粉碎實驗煤樣后，CO的生成量很小。其原因為此環(huán)境下的實驗煤樣在粉碎時沒有高溫產(chǎn)生，較低濃度的CO生成一定程度上是由于吸附于實驗煤樣的CO氣體在實驗煤體破碎時被釋放出來，抑或是由于吸附于實驗煤體的O2在實驗煤體破碎時同其某些官能團(tuán)具有氧化反應(yīng)而產(chǎn)生的。從圖3中可以看出，隨著煤樣比表面積的增加，盡管CO的產(chǎn)生量有一定量的增長，然而其總量保持在很低的水平。綜上所述，氮氣環(huán)境下，煤樣破碎后其比表面積的增大對CO濃度異常增大的作用是微乎其微的。

圖3 煤樣比表面積與CO產(chǎn)生量曲線

在空氣環(huán)境下，對比實驗煤樣粉碎前后CO產(chǎn)生量的情況，其CO濃度增幅均很大。實驗煤體的比表面積逐漸增大，其CO濃度也有隨之增大的規(guī)律。其原因為此環(huán)境下的實驗煤樣在粉碎時比表面積增大，同空氣中的氧氣接觸后發(fā)生快速氧化，其CO產(chǎn)生量也隨之大幅增加。綜上所述，空氣環(huán)境下，煤樣破碎后其比表面積的增大同CO濃度異常增大之間具有聯(lián)系。

5 實驗數(shù)據(jù)擬合

利用Matlab軟件對圖3中空氣環(huán)境下煤樣比表面積與CO產(chǎn)生量曲線進(jìn)行擬合，得到了擬合公式和擬合曲線，見圖4。

圖4 空氣環(huán)境下煤樣比表面積與CO產(chǎn)生量擬合曲線

從圖4中可以看出，實驗煤樣比表面積同CO濃度之間的變化關(guān)系可以擬合為二次拋物線。并且在起始范圍內(nèi)，煤的比表面積的增長速率大于CO產(chǎn)生量的增長速率，而后盡管實驗煤體破碎后的比表面積繼續(xù)增大，但其CO濃度增大幅度較小并保持在一定的穩(wěn)定范圍內(nèi)。

由此可以得出CO產(chǎn)生量與煤比表面積的推導(dǎo)公式：

式中：a、b、c均為非負(fù)常數(shù)；Y為CO濃度，ppm；X為煤樣比表面積，m2/g。

對于本次試驗煤樣，得出煤層CO產(chǎn)生量與煤比表面積的推導(dǎo)公式為：

其相關(guān)性系數(shù)R=0.980 3。通過公式（2）能夠?qū)υ诰卢F(xiàn)場開采時，開采后煤體的破碎程度引起CO濃度異常增大的影響程度進(jìn)行預(yù)評估。

6 結(jié)語

1）在氮氣環(huán)境下，煤樣破碎后其比表面積的增大對CO濃度異常增大的作用是微乎其微的。

2）在空氣環(huán)境下，實驗煤樣在粉碎時比表面積增大，同空氣中的氧氣接觸后發(fā)生快速氧化，其CO產(chǎn)生量也隨之大幅增加。實驗煤樣比表面積同CO濃度之間的變化關(guān)系可以擬合為二次拋物線。

由于實驗條件所限，實驗過程中沒有測定煤樣在粉碎時溫度變化情況以及對CO產(chǎn)生量的影響，有待于今后進(jìn)一步研究。