綜放工作面采空區(qū)浮煤升溫氧化產(chǎn)氣規(guī)律試驗研究

權(quán)春陽

(晉能控股 山西科學技術(shù)研究院有限公司(大同)技術(shù)中心，山西 大同 037003)

在礦井綜放工作面的開采過程中采空區(qū)遺留了大量的煤炭，由于井下漏風規(guī)律的復雜多變，對浮煤氧化產(chǎn)氣規(guī)律掌握不明確，導致預測預報系統(tǒng)不準確，極易造成浮煤氧化自燃發(fā)生火災，甚至引燃瓦斯煤塵爆炸，造成人員傷亡和經(jīng)濟損失的重大安全事故[1].因此，掌握浮煤耗氧產(chǎn)氣規(guī)律及特性，對煤炭自燃火災進行早期預測預報，為煤礦安全生產(chǎn)提供了基礎(chǔ)保障。

近年來，國內(nèi)外專家學者對煤炭氧化自燃氣體產(chǎn)物進行了大量研究，王福生等[2]通過分析煤氧化過程中的活性基團變化規(guī)律，進一步分析了氧化動力學綜合判定指數(shù)，通過評定煤自燃傾向性等級能夠詮釋煤整個自燃過程的氧化特性。張玉濤等[3]通過程序升溫氧化試驗和絕熱氧化試驗，提出用突變溫度作為指標評價煤自燃傾向性。王月紅等[4]采用控制變量法研究煤的變質(zhì)程度、遺煤環(huán)境對耗氧速度的影響。但由于煤在燃燒過程中其耗氧產(chǎn)氣規(guī)律會受自身條件和外部環(huán)境影響[5]，上述幾種方法均未能準確得出綜放工作面采空區(qū)浮煤的產(chǎn)氣規(guī)律。因此，本文以馬道頭礦8404工作面為工程背景，通過將不同粒徑的煤樣在不同氧氣環(huán)境中進行程序升溫測試，得出浮煤氧化產(chǎn)物的變化規(guī)律，以此優(yōu)選出煤自燃早期預測預警的指標氣體，保障煤礦安全生產(chǎn)。

1 工作面概況

馬道頭礦8404工作面位于北四盤區(qū)中部，四周均為實煤區(qū)，對應上部無采空區(qū)，煤層賦存3#、5#煤，為長焰煤，煤層賦存穩(wěn)定，煤層硬度2，可采指數(shù)1，變異系數(shù)13.9%，自燃傾向性為容易自燃等級。該礦開拓方式為斜、立井混合開拓，通風方式為中央并列式，工作面為“U”型通風系統(tǒng)。

8404工作面采用單一走向長壁綜放開采方法，煤層厚度14.29～26.70 m，平均16.55 m，煤層結(jié)構(gòu)復雜，傾角1°～12°，放煤高度為10.39～22.80 m，平均放煤高度為12.65 m，工作面走向長4 137～4 262 m.

2 煤升溫氧化過程中氣體產(chǎn)物規(guī)律及特性

2.1 實驗裝置

構(gòu)建程序升溫實驗測試系統(tǒng)，主要由配氣系統(tǒng)、預熱氣路、程序控溫箱、傳熱煤樣罐和氣體采集及分析系統(tǒng)組成。實驗系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖見圖1.配氣系統(tǒng)采用MF-4動態(tài)穩(wěn)定配氣裝置，根據(jù)需要，通過調(diào)節(jié)空氣和氮氣的流量來配制具有不同氧濃度N2-O2預混氣體；預熱氣路可以向煤樣罐提供經(jīng)過預熱的預混氣體，最大限度地降低混氣與煤樣間的對流換熱對實驗結(jié)果的影響；程序控溫箱在溫度控制系統(tǒng)的作用下能夠?qū)崿F(xiàn)在某一溫度恒溫或者程序升溫；傳熱煤樣罐能夠使得煤樣溫度和程序控溫箱內(nèi)的溫度保持一致的變化；氣體采集及分析系統(tǒng)可以即時采集煤氧化過程中的氣體產(chǎn)物，并實時檢測氣體產(chǎn)物的成分及濃度。

Ⅰ—配氣系統(tǒng) Ⅱ—測試室(程序控溫箱、預熱氣路及煤樣罐) Ⅲ—氣體分析室 Ⅳ—控制面板

2.2 實驗方案

擬采用不同粒徑的煤樣在不同氧氣環(huán)境中進行程序升溫測試[6-7].程序升溫過程中，每隔10 ℃采集并檢測煤樣罐出氣口的氣體種類及濃度，分析CO、CO2、CH4、C2H4等氣體隨溫度的變化規(guī)律；基于不同氣體的初始產(chǎn)生溫度以及產(chǎn)生濃度隨溫度的變化規(guī)律，根據(jù)標志氣體的優(yōu)選原則，優(yōu)選出用于煤自燃災害早期預測預警的標志氣體。

程序升溫實驗的測試步驟為：

1)剝離煤樣的表層并取其中心部位進行破碎，篩分出所需要粒徑(5-6目、6-16目、16-40目)的煤樣。2)把篩分后的煤樣置于40 ℃的環(huán)境中，然后進行真空干燥48 h以去除外在的多余水分。3)取煤樣50 g，放入煤樣反應罐中，并在煤樣上方鋪設(shè)一薄層石棉以防止煤樣顆粒進入到管路堵塞氣管。4)依次連接好進出氣管路、熱電偶等，并檢查管路的氣密性。5)向煤樣中通入配制具有5%、10%、21%氧氣濃度的N2-O2混合氣體。將流量設(shè)定為40 mL/min，并以1.5 ℃/min的升溫速率進行升溫。6)每隔10 ℃采集一次煤樣反應罐出口的氣體，并檢測其中CO、CO2、CH4、C2H4等氣體的濃度。7)煤樣溫度達到200 ℃時停止實驗，當爐溫降到室溫后清理煤樣罐以備下次使用。

3 實驗測試結(jié)果

3.1 不同粒徑及氧濃度下交叉點溫度出現(xiàn)規(guī)律

對煤樣進行加熱升溫過程中，煤樣與爐體溫差逐漸縮小，最終在某一溫度下出現(xiàn)交叉點溫度[8]，見圖2，首先得到不同粒徑和不同氧濃度下煤樣的交叉點溫度。

圖2 不同粒徑/氧濃度下煤樣的交叉點溫度圖

由圖2a)可看出，煤樣粒徑越小，溫度越早達到爐溫即交叉點溫度越低，在粒徑為40～80目時，交叉點溫度最小為177.5 ℃，意味著煤自燃傾向性越高，煤自燃危險性越大。由圖2b)可知，氧濃度達到21%時，交叉點溫度為197.1 ℃.氧濃度越高，交叉點溫度越低，煤越容易發(fā)生自燃，溫度越容易達到爐溫。

3.2 不同粒徑及氧濃度下CO和CO2產(chǎn)生規(guī)律

煤自燃氣體產(chǎn)物包括兩部分：一部分由煤自身氧化產(chǎn)生的氣體產(chǎn)物，另一部分是成煤過程中吸附的氣體，在煤樣氧化升溫過程中，CO是出現(xiàn)最早的氧化氣體產(chǎn)物，CO2是煤吸附氣體的主要成份之一，所以研究CO和CO2的產(chǎn)生規(guī)律尤為重要。

圖3為煤樣在不同粒徑下CO和CO2氣體產(chǎn)生量與溫度的關(guān)系曲線圖。由圖3a)可看出，CO氣體產(chǎn)生量與溫度之間基本符合指數(shù)遞增關(guān)系，當溫度達到50 ℃時，CO開始產(chǎn)生，當溫度低于70 ℃時，CO的產(chǎn)生量極少，當溫度介于70 ℃～110 ℃時，CO產(chǎn)生速率開始緩慢增加，說明煤樣在逐漸氧化；當溫度高于110 ℃時，CO開始加速產(chǎn)生，氧化反應速率明顯增加。當溫度高于70 ℃時，CO的產(chǎn)生量便受煤樣粒徑的目數(shù)影響，在同一溫度下，煤樣目數(shù)越大，即顆粒越小，CO產(chǎn)生量越大。由圖3b)可看出，當溫度低于90 ℃時，CO2產(chǎn)生量緩慢增加，當溫度高于110 ℃時，CO2產(chǎn)生量開始加速產(chǎn)生，且當溫度高于80 ℃時，CO2的產(chǎn)生量開始受煤樣粒徑的目數(shù)影響，在同一溫度下，煤樣目數(shù)越大，CO2產(chǎn)生量越大。

圖3 不同粒徑下CO和CO2氣體產(chǎn)生量與溫度的關(guān)系曲線圖

圖4為煤樣在不同氧濃度下CO和CO2氣體產(chǎn)生量與溫度的關(guān)系曲線圖。由圖4可看出，其變化趨勢基本與不同粒徑作為對照量相同，但仍有較多不同之處。由圖4a)可看出，溫度高于90 ℃時，CO產(chǎn)生量因氧濃度的不同而有所變化，在同一溫度下，CO產(chǎn)生量隨著氧濃度的提高而增加。在氧濃度為21%的情況下，當溫度高于110 ℃時，CO產(chǎn)生量隨著溫度的升高急劇增長，到達170 ℃時，CO產(chǎn)生量達到3 859×10-6.由圖4b)可看出，當溫度低于90 ℃，CO2產(chǎn)生量緩慢增加，當溫度高于110 ℃時，CO2產(chǎn)生量開始加速產(chǎn)生。且在同一溫度下，CO2產(chǎn)生量隨著氧濃度的提高而增加。

圖4 不同氧濃度下CO和CO2氣體產(chǎn)生量與溫度的關(guān)系曲線圖

3.3 不同粒徑下烷烯烴氣體產(chǎn)生規(guī)律

煤樣氧化過程中產(chǎn)生的烷烯烴氣體組分主要有CH4、C2H4、C2H6和C3H8.在氧濃度為21%的條件下，同一烯烴氣體在不同粒徑煤樣氧化反應下氣體產(chǎn)生量隨溫度變化趨勢見圖5.

圖5a)是不同粒徑煤樣升溫氧化過程中CH4氣體產(chǎn)生量隨溫度變化的趨勢，從中可以看出在低溫階段CH4的產(chǎn)生量受煤樣粒徑的影響較小，在40 ℃時出現(xiàn)，這是由于長焰煤煤樣中本身吸附CH4，在低溫階段，煤樣中的CH4隨著溫度的升高逐漸解吸出來。對煤樣繼續(xù)加熱，逐漸產(chǎn)生由氧化反應得到的CH4，尤其當溫度超過130 ℃氧化反應加速，CH4產(chǎn)生量呈現(xiàn)指數(shù)型增長，且同一溫度下，煤樣粒徑越小，CH4產(chǎn)生量越大。圖5b)是不同粒徑煤樣升溫氧化過程中C2H4氣體產(chǎn)生量隨溫度變化的趨勢，可以發(fā)現(xiàn)煤在常溫狀態(tài)下檢測不到C2H4，說明煤的吸附氣體中沒有C2H4.當溫度到達100 ℃左右時，煤樣氧化反應開始產(chǎn)生C2H4，且在升溫過程中，C2H4的產(chǎn)生量與溫度變化呈現(xiàn)良好的規(guī)律性。在同一溫度下，煤樣粒徑越小，C2H4產(chǎn)生量越大。圖5c)是不同粒徑的煤樣升溫氧化過程中C2H6氣體產(chǎn)生量隨溫度變化的趨勢，當溫度超過100 ℃，煤樣產(chǎn)生少量的C2H6，隨著溫度的升高，C2H6的產(chǎn)生量受粒徑的影響越大。圖5d)是不同粒徑的煤樣升溫氧化過程中C3H8氣體產(chǎn)生量隨溫度變化的趨勢，從圖中看出，煤樣出現(xiàn)C3H8的溫度是70 ℃，當溫度為170 ℃，粒徑是40～80目的煤樣產(chǎn)生的C3H8濃度為50.77×10-6，粒徑為40～80目的煤樣產(chǎn)生的C3H8濃度為15.16×10-6,煤樣溫度較高時，氣體產(chǎn)生量受煤樣粒徑影響較大。在整個升溫實驗過程中檢測到少量C2H2氣體，其產(chǎn)生臨界溫度為380 ℃左右。C2H2氣體的出現(xiàn)表明煤已完全進入燃燒階段。

圖5 不同粒徑煤樣CH4、C2H4、C2H6、C3H8隨溫度變化趨勢圖

通過圖5的4個趨勢圖可以發(fā)現(xiàn)，煤樣在30～170 ℃隨著溫度的升高有規(guī)律的出現(xiàn)CH4、C2H4、C2H6和C3H8氣體，生成量隨溫度的升高變化不同，且同一溫度下，煤樣粒徑不同氣體的產(chǎn)生量亦有所區(qū)別。

4 煤自然發(fā)火預測預報指標體系及防治措施

通過煤在不同條件下的氧化產(chǎn)氣特性實驗，得出各個標志氣體的變化規(guī)律，結(jié)合各氣體的產(chǎn)生量隨溫度變化的趨勢以及首次檢出時的溫度來推斷煤自然發(fā)火所處的狀態(tài)和發(fā)展趨勢[9].根據(jù)測試結(jié)果可知，在30～180 ℃測試煤樣升溫氧化過程中所分解出來的氣體產(chǎn)物有CO2、CO、CH4、C2H4、C2H6和C3H8.

CO是馬道頭礦自然發(fā)火的指標氣體之一，CO在50 ℃即開始出現(xiàn)，其產(chǎn)生量隨著溫度的升高而上升，180 ℃之前這種變化基本符合指數(shù)遞增關(guān)系。CO的出現(xiàn)表明煤樣已經(jīng)開始氧化，CO濃度越來越高則表明煤樣氧化越來越劇烈，煤層自然發(fā)火危險性越高。因此，CO可以作為預測預報煤自然發(fā)火的標志氣體之一，但對煤自燃具體氧化溫度段的預測還要結(jié)合其他氣體聯(lián)合分析。

C2H4是測試煤樣進入加速氧化階段的一個標志性氣體指標，在升溫過程中，C2H4的產(chǎn)生量隨著溫度的升高呈現(xiàn)較好的規(guī)律性。8404工作面C2H4出現(xiàn)的臨界溫度為100 ℃，C2H4的出現(xiàn)與CO快速增加的溫度基本吻合，表明煤的氧化已進入加速氧化階段，在有CO存在的前提下，只要出現(xiàn)C2H4必須采取切實有效的防滅火措施。

C2H2也是煤自然發(fā)火的重要標志氣體之一，30～180 ℃沒有測試到C2H2，一旦C2H2出現(xiàn)，標志著溫度已經(jīng)遠遠超過200 ℃，此時煤進入激烈氧化燃燒階段，需要密切注意，以免高溫煤體引發(fā)瓦斯、煤塵爆炸事故。

C2H6和C3H8雖然也表現(xiàn)出臨界溫度的特征但需要進一步結(jié)合現(xiàn)場測試結(jié)果再定。

根據(jù)8404綜放工作面采空區(qū)煤炭自燃防治的特點：1)采用人機互檢體系對工作面及其回風巷中的CO、CH4、C2H4、C2H2濃度進行檢查，并采用合理的配風量進行通風。2)在工作面進風巷布置注氮系統(tǒng)，采用下隅角采空區(qū)注氮方式降低采空區(qū)的氧濃度。3)對采空區(qū)的浮煤進行及時清理，尤其是顆粒較小的浮煤。

5 結(jié) 論

在升溫氧化試驗中通過改變采空區(qū)煤樣試驗參數(shù)條件，研究各參數(shù)對煤自燃的影響，得到以下結(jié)論：

1)交叉點溫度的高低與煤樣粒徑及采空區(qū)的氧濃度有直接關(guān)系，粒徑越小，氧濃度越高，交叉點溫度越低，煤自燃危險性越大。

2)CO和CO2以及烷烯烴氣體產(chǎn)生量與溫度之間基本符合指數(shù)遞增關(guān)系，當煤樣溫度越高時，越有利于浮煤對氧氣的吸附并促進氧化反應的進行，浮煤與氧氣發(fā)生吸附時受到煤樣粒徑及氧濃度的影響，粒徑較小時，浮煤表面的活性結(jié)構(gòu)越多，更易與采空區(qū)的氧氣進行結(jié)合，從而表現(xiàn)出較強的自燃氧化性。

3)CO和CO2以及烷烯烴氣體的產(chǎn)生量隨溫度的升高變化不同，且各種氣體的初始出現(xiàn)溫度亦不同，其中煤樣氧化生成的CO、C2H4、C2H2表現(xiàn)出很好的規(guī)律性，可作為馬道頭礦8404工作面煤自然發(fā)火指標氣體。