凤凰山矿煤自燃发火规律实验研究

卫 浩

(晋城煤业集团 凤凰山矿，山西 晋城 048007)

山西煤炭储量大，全省主要有六大煤田，分别为大同、宁武、西山、沁水、霍西、河东[1]。沁水煤田东西宽约70～120 km，南北长约310 km，煤田总面积约为22 000 km2，其中晋城矿区勘探面积约280 km2[2]。

凤凰山矿位于晋城矿区，主采15号煤层，属无烟煤，但含硫量较高，为自燃煤层。针对煤自燃氧化特性的研究，很多专家学者开展了大量的实验分析：徐精彩等[3]采用煤样程序升温装置模拟煤自燃的发火过程，实验分析煤样的煤温变化、氧气消耗及气体变化规律，确定了临界温度、放热强度和气体产生率；邓军等[4]结合国内外众多学者的研究对煤自燃理论进行综述，对煤层自燃的预测预报及防治技术研究进行了梳理；文虎等[5]选取了硫含量不同的相同煤种在相同条件下进行程序升温实验，对煤的低温氧化参数进行研究，从而加深了解硫对煤自燃的影响；余明高等[6]以义马耿村矿综放面为研究对象，采取措施有效遏制了易自燃特厚煤层综放面的自然发火。

本文以凤凰山矿15号煤层为研究对象，采用程序升温氧化实验研究煤自然发火规律，以期为煤自燃防治提供依据。

1 实验研究

1.1 实验装置

煤自燃程序升温模拟装置示意如图1所示，主要由程序控温箱、气相色谱仪、煤样罐、气体预热管路、温度传感器、流量控制器等组成。

1.2 实验步骤

制备煤样前剥去煤样表面氧化层，使用碎煤机粉碎，筛分出0.18～0.425 mm的煤样100 g，放入真空干燥箱，在-0.1 MPa和30℃的环境中干燥48 h，取出后放入密封袋待用。程序升温实验前对实验煤样进行工业分析与元素分析(结果见表1)，实验时将50 g煤样置于铜质煤样罐内，放入程序升温箱内，连接好气路并检查气密性。当煤温达到30℃时向煤样内通入80 ml/min的干空气，将程序升温速率调整为1 ℃/min，温度从30℃加热上升至220℃，每间隔10℃，用气相色谱仪分析气样的气体成分和浓度。

图1 模拟煤氧化装置示意

表1 煤样的工业分析和元素分析 %

煤样MadAdVdafCHONS煤种15号2.1824.4814.1888.663.310.864.792.38无烟煤

2 实验结果与分析

2.1 耗氧量和耗氧速率变化规律

根据上述实验获得煤样在30～260 ℃间出口O2体积分数及各温度的耗氧速率，如图2所示。假设：①煤样在实验加热升温中氧化反应前后质量变化很小可忽略不计；②煤样罐内空气轴向流动且流量稳定；③罐内温度均匀。根据以上假设，则煤的耗氧速率为[7]：

(1)

式中：VO2为煤温为T时刻耗氧速度，mol/(cm3·s)；C0为进口氧气体积分数，%；C为出口氧气体积分数，%；Q为干空气流量，mL/s；S为煤样罐截面积，cm2；L为煤样高度，cm。

图2 煤样出口氧气体积分数和耗氧速率

从图2可以看出，煤样在氧化升温过程中，出口氧气体积分数与耗氧速率随着煤样温度的增大呈现出不同的变化规律。从初始温度到60℃左右，二者变化较小，耗氧速率增长缓慢；超过60℃后，出口氧气体积分数开始较大幅度减小，耗氧速率逐渐加快增加，表明耗氧量增大。

2.2 CO与C2H4气体的变化规律

邓军等[8]根据指标气体选取条件，得到CO气体是检查煤自燃程度最灵敏的指标。由于CO气体检测温度范围较宽，煤自燃发生的地方大多位于采空区，受漏风影响严重，对CO气体的测定有较大误差，且指标预报范围过大，不够精确，所以选取一个辅助指标气体C2H4，CO与C2H4气体体积分数变化率如图3所示。

图3 煤样CO与C2H4气体产生量

当煤温上升到某一特定值时，化学吸附、脱附趋于平衡，产生的CO增多，该温度为临界温度；煤在低温氧化阶段，不会产生C2H4气体，而当煤结构中的侧链开始断裂与氧气发生化学反应，就会产生C2H4，此时的温度点为干裂温度[9]。由图3中可以看出，该煤层的临界温度在60～70℃之间，干裂温度在120～130℃之间。C2H4是煤升温氧化分解及热裂解的产物以及煤进入加速氧化阶段的一个重要标志，CO的气体产生量也在干裂温度点后加快。

2.3 φ(CO)/φ(CO2)

由上面分析可知：单一气体CO只能对煤早期自燃发火进行预测预报，煤矿井下风量等环境因素对单一气体量有较大影响，使得预测不准确[10]，而φ(CO)/φ(CO2)与煤温的变化关系比较明确，有良好的对应关系和变化规律，能够反映煤氧化程度。φ(CO)、φ(CO2)分别表示CO和CO2的浓度，在现场实践中，使用φ(CO)/φ(CO2)可以消除风流对气体浓度的影响，减少误差[8]。如图4所示，根据在各个温度点的比值拟合曲线呈直线分布，随着煤温的升高而增大，得到CO2气体的产生速率比CO的产生速率小，并且可以依据φ(CO)/φ(CO2)的比值测算煤样低温氧化进程，为井下防灭火工作提供指导。

图4 φ(CO)/φ(CO2)随温度变化

3 结 语

1) 根据程序升温实验分析可知：凤凰山矿15号煤的临界温度在60～70 ℃之间，干裂温度在120～130 ℃之间，预测预报自燃指标气体以CO为主，C2H4气体为辅。

2)φ(CO)/φ(CO2)的比值与煤温的对应关系和变化规律一致。