桑树坪煤矿11号煤自燃特性实验研究

苏宏刚　王瑞义

【摘 要】为研究桑树坪煤矿11号煤层样品的自燃特性，对样品进行了程序升温实验，并对样品的低温氧化特性及参数进行了系统的分析。结果表明，降低氧气浓度煤的耗氧速率及CO产生量将显著降低，低氧环境对煤复燃氧化有明显的抑制作用，实验得到了不同粒度式11号煤在氧化升温过程中的耗氧速率，CO、C2H4、C2H6等产生量随粒度的降低而不断增强的变化规律。确定了煤自燃危险指标，这为桑树坪煤矿11号煤的煤自燃火灾的监测预警提供了基础依据。

【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.

【关键词】低温氧化;耗氧速率;指标气体

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

【中图分类号】TD75                                          【文献标志码】A                                【文章編号】1673-1069（2019）09-0167-04

1 引言

桑树坪煤矿11号煤层的自燃倾向性属于自燃煤层，经测定煤自然发火期为57天。工作面开采采用沿空留巷，工作面留巷采用建立水泥墙的方式保留，采用两进一回的“Y”型通风方式。然而，“Y”型通风方式会造成采空区漏风难以得到有效的控制，遗煤不断氧化蓄热易造成自燃，导致煤自燃火灾，甚至引起瓦斯爆炸事故，严重威胁矿井安全生产。风流从工作面向采空区流动的过程中，会由于煤岩空隙阻力作用和距离的增大而逐渐地减少。而采空区的遗煤会不断地氧化消耗采空区环境中的氧气。因此，随风流进入采空区深度的增大，风流的流动速度和氧气浓度会逐渐降低。采空区中的氧气浓度是影响煤自燃反应的关键因素[1-3]。为了实现矿井煤自燃火灾的有效防治，必须对桑树坪煤矿11号煤的自燃氧化特性展开一系列的研究。因此，本文以桑树坪煤矿11号煤样作为研究对象，测试了不同O2/N2气氛和粒度时，煤在氧化升温过程中的耗氧速率及气体产生量的变化规律，研究成果对桑树坪矿的11号煤层开采过程中的采空区煤自燃火灾预防与控制具有重要的指导意义。

2 实验仪器及条件

2.1 不同气氛对煤自燃特性的影响

2.1.1 实验煤样

本实验的样品取自桑树坪煤矿11号煤。将煤样破碎然后筛分为不同粒径的样本（分别为：0～0.9mm、0.9～3mm、3～5mm、5～7mm和7～10mm）。取每个粒径范围样品200g，制成1kg的实验样本。

2.1.2 实验条件

采用不同O2/N2气氛（氧气浓度分别为21%、14%、8%和0%）进行煤样的氧化实验，研究降低氧气浓度对煤自燃特性的影响。

2.2 粒度对煤自燃特性的影响

煤样在韩城桑树坪矿采取，将桑树坪矿煤样破碎并使用筛网进行筛分，实验样品的粒度范围分别为：0～0.9mm、0.9～3mm、3～5mm、5～7mm和7～10mm，并将这5种粒度范围的桑树坪11号煤的样品，按质量平均混合为1kg的混合实验样品，在程序升温箱中进行程序升温实验。

2.3 实验装置及过程

实验装置采用油浴程序升温装置，如图1所示。在进行桑树坪11号煤层样品自燃氧化实验时，首先向11号煤层的样品装入自燃升温系统中，之后向桑树坪11号煤层的样品通入流量为100mL/min的气体，实验采用0.3℃/min对桑树坪11号煤的样品进行煤自燃氧化程序升温实验。实验的温度范围为：20～170℃，煤样氧化气体采集间隔为每隔10℃，采用色谱仪分析采集到桑树坪11号煤层样品氧化后尾气中的气体成分的种类和具体的含量。研究桑树坪11号煤样品放热自燃氧化特性。

3 结果与分析

3.1 氧气浓度对样品自燃特性的影响

3.1.1 样品氧化产生的CO浓度

在煤低温氧化阶段CO是氧化过程的标志性气体，其变化规律可反映煤自燃程度及危险性[4]。煤样在不同氧气浓度时氧化产生的CO气体的浓度如图2所示。

煤的低温氧化过程是一个缓慢且逐渐加速活化的过程，煤氧化过程中活性官能团氧化会产生CO气体、CO2气体等气体。在温度较低的时桑树坪煤矿11号煤层样品氧化产生的CO量较少，随着温度的升高逐渐在升高。在实验温超过100°C以后，样品氧化产生的CO量显著增大，且增速不断提高，如图2所示。在O2/N2气氛环境中样品氧化产生的CO浓度在较高反应温度下均随着氧气浓度的降低而不断降低。降低氧气会抑制煤中活性官能团的氧化，因此产生的CO量显著减小。

3.1.2 样品的耗氧速率

在标准氧浓度下实验过程中实验炉内耗氧速率V0（T）计算公式如下：

由图3可得，桑树坪煤矿11号煤层样品在反应温度较低时，不同氧气浓度下样品的耗氧速率均较低。主要是此温度阶段煤样主要发生氧气性结构的物理化学吸附，因此，样品的耗氧速率较低。煤自燃程度升温温度不断升高，桑树坪煤矿11号煤层样品中活性基团逐渐被活化参与氧化反应，导致样品的耗氧速率显著增大[5]。当煤自燃程序升温实验温度超过

100℃后，样品的耗氧速率显著增强，耗氧速率大幅增加。随实验氧气浓度的降低，桑树坪煤矿11号煤层样品氧化的耗氧速率显著降低。这是由于环境中的氧气浓度降低而抑制了煤中活化基团与氧气的反应导致的。

3.2 粒度对样品自燃特性的影响

3.2.1 样品耗氧速度

由图4可得，随不同粒径下桑树坪煤矿11号煤层样品的耗氧速率均随实验温度的升高而不断增大，呈现指数增加规律。随实验样品粒径的逐渐上升，煤样的耗氧速率不断地降低[6]。对于桑树坪煤矿11号煤层样品在相同温度和质量情况下，样品的粒径越大，则暴露在空气中的表面积会显著降低。因此，样品在实验过程中与氧气发生接触的面积就会显著减少，导致相同温度时，样品中与氧气发生反应的活性基团数量降低，造成耗氧速率显著降低。

3.2.2 样品氧化产生的CO浓度

通过图5可得，CO浓度随温度的升高先缓慢增加，当温度达到某一值（100℃）时其生成量迅速增加。这是由于煤的氧化过程是一个逐步活化的过程。随着煤的氧化温度的升高，导致煤中活性官能团的数量增加。煤与氧气的反应速率增大，造成煤氧化产生的CO量显著地增大。由图5分析CO的含量随温度的变化规律可以发现，随煤氧化温度的升高，煤氧化产生的CO浓度呈指数形式增长，温度越高煤氧化产生的CO含量越高。因此，煤氧化产生的CO浓度可以作为预测煤自燃的主要指标气体。对比分析发现煤样的粒度越小，氧化产生的CO浓度越大，这主要是粒度减小增大了煤反应的表面积和活性官能团的数量。

3.2.3 临界温度和干裂温度

煤自燃临界温度是煤在氧化升温过程中自动加速的第一个温度点。CO产生率发生第一次突变的起点温度即为临界温度。煤的干裂温度是煤结构中的侧链开始断裂，并参与氧化反应的初始温度。聯系实验过程，CO产生率的变化率与温度的关系曲线中发生第二次突变的起点温度即为干裂温度。不同粒度煤样临界温度、干裂温度如表1所示，煤样的临界温度范围为95～105℃，干裂温度范围为125～135℃。

3.2.4 C2H6和C2H4气体

从图6和图7可以看出，煤样中不含C2H4气体，在煤的温度升高到160℃时产生的C2H4气体，这主要是煤样高温裂解的气体，这与煤样的裂解温度有关。在实验一开始就有C2H6气体，这是由于煤样中富含有一定的C2H6气体，随着温度升高，煤样中吸附的C2H6气体发生脱附现象逐渐释放出来。同时C2H6和C2H6两种气体产生率与粒径有关，粒径越小，产生量越多，并且温度越高，产生率越高。C2H6可以作为一种预报煤自燃程度的指标气体。

4 结论

①桑树坪矿11号煤层煤样在氧化过程中的耗氧速率、CO气体浓度，在氧化温度较低时（<100℃），耗氧速率和CO气体产生量增速较小。之后随温度升高耗氧速率和CO气体产生量增速显著增加，总体随温度的增加符合指数增加规律。

②11号煤在不同气氛条件下耗氧速率和CO产生量随温度的升高逐渐升高;降低氧气浓度对煤低温氧化的抑制作用逐渐增大，氧气浓度越低对煤的耗氧和CO产生的抑制作用越明显。

③在O2/N2不同气氛时，降低氧气浓度对煤氧化具有明显的抑制作用。在相同氧化温度条件下，耗氧速率随着粒径的增大而减小，CO、C2H4和C2H6气体的浓度也显著地减小。

【参考文献】

【1】邓军，张丹丹，张嬿妮，等.基于程序升温的煤低温氧化表观活化能试验研究[J].煤炭科学技术，2015，43（6）：54-58.

【2】金永飞，赵瑞元，邓军，等.煤自燃多参数预报指标试验研究[J].煤炭科学技术，2014，42（9）：112-114.

【3】朱红青，王海燕，胡瑞丽，等.煤自燃低温氧化临界温度指标及其关联性分析[J].煤炭科学技术，2013，41（8）：61-64.

【4】邓军，李贝，李珍宝，等.预报煤自燃的气体指标优选试验研究[J].煤炭科学技术，2014，42（1）：55-59.

【5】王文达，尤飞，邵玥，等.粒度对煤自燃过程中特征温度的影响[J].消防科学与技术，2016，35（11）：1511-1514.

【6】邓军，徐精彩，李莉，等.不同氧气浓度煤样耗氧特性实验研究[J].湘潭矿业学院学报，2001（6）：12-14.