煤氧化特性与影响因素实验研究

刘路生

(晋城煤业集团长平公司，山西 高平 048400)

0 引言

采空区自然发火是威胁煤矿井下安全生产的主要灾害之一，它能够释放出大量的有毒有害气体，威胁工人身体健康、矿井财产安全[1-2]。除了采空区漏风因素以外，温度也是遗煤自燃的重要原因[3]。目前深部矿井普遍面临高地温的开采条件，高地温环境使得采空区遗煤具备了较高的初始温度，而不同初始温度条件下，煤可能存在不同的氧化特性。因此，有必要开展工作面煤的不同恒温情况下的程序升温实验，进一步研究煤的氧化自燃特性。

目前许多学者将CO的生成量作为研究煤氧化自燃特性的重要依据[4-7]。邓军等[8]利用程序升温实验装置，监测初原煤和氧化煤低温氧化阶段不同温度下的CO浓度，并以此探讨了研究原煤和氧化煤的低温氧化特性。王晓东[9]进行了程序升温实验，讨论了在升温后降温过程中煤样中的气体产生情况。孙超和吴健等[10-11]以公斤级的程序升温装置系统为主要技术手段，探讨研究了原煤和浸水煤在氧化升温、降温过程中的自燃特性。吴健等[11]选取淮南矿区三种煤样进行程序升温实验，研究同组煤的自燃特性。李修磊、王兴华和张超等[12-14]为了解决矿井采空区漏风严重等问题，选择三个煤层进行程序升温特性试验，探讨了CO随煤温的变化情况。张福成和郭栋梁[15-16]进行了煤氧化生成CO的理论计算与分析，并结合煤的程序升温实验，全面的对煤自燃生成CO的特殊规律进行研究。

长平公司某矿地温高，地压大，煤层自然发火期短为47 d。采空区的漏风严重，供氧充分，浮煤自燃危险性大；再加上地质构造复杂，断层多，断层周边的煤体破碎，自燃的危险性极为严重。矿井一采区的3下107综放工作面是半孤岛工作面，回采条件使得工作面的自燃问题尤其突出。本文针对上述情况，利用程序升温试验系统，考虑煤自热临界温度范围以及采空区漏风风速对煤自燃的影响，进行了不同恒温以及不同通气量之间多种配比情况下的试验，分析了煤自燃产物CO生成量的变化情况，进一步探讨了恒温以及变通气量对煤氧化自燃特性的影响。

1 煤样程序升温实验

1.1 实验装置

实验装置如图1所示，主要分为四部分：实验室气源、程序升温箱、气相色谱仪、数据分析系统。实验室气源：是由QPT-300G系列氮氢空一体机组成，主要提供干燥空气及N2、H2等气体。程序升温箱：主要是选用2000型的煤炭自燃特性测试仪，包含加热器(1 200 W)、能耐350 ℃以上高温的煤样罐，还有1 400 r/min的内置电扇用来实现相对均匀的空气温度，控温精度为±0.1 ℃；气相色谱仪：分析由样罐氧化产生的气体种类及浓度，保证实验气体产物分析的准确性。数据分析系统：对得出气体浓度的数据进行分析处理，生成具体的数据供下一步分析处理

该煤样程序升温实验装置需煤量少，实验可操作性强。另外该装置结构简单，能够根据不同煤矿、不同煤层埋藏深度和不同煤质条件设置相应的温控箱体温度，观察在上述不同参数指标下气体产生的试验结果，使用灵活方便。可以实时测定升温过程中煤样内部温度的变化，实现全过程中煤样温度和指标气体的记录与分析，能够得出不同煤样的升温氧化规律，从而对煤矿生产过程中的煤炭自燃起到很好的预防作用。

1.2 实验煤样选取

实验煤样具有代表性的滕东煤矿3下煤层煤样进行研究，煤样的工业分析情况如表1。

表1 滕东煤矿3下煤层煤样工业分析

注：Mad为湿度(空气干燥基)；Ad为灰分(干燥基)；Vdaf为挥发分(干燥无灰基)；TRD为真密度。

为了保证实验的准确性，选取了大块新鲜的完整煤样，然后将煤样表面的氧化层去掉，在这之后利用碎煤机将煤样粉碎处理，采用煤样标准筛将粒径为0.180～0.425 mm的煤样筛分出来，放入真空干燥箱，并且在-0.1 MPa和30 ℃的环境中干燥48 h，以此煤样作为实验煤样。

1.3 实验过程

从上述制备好的煤样中选取50 g，把它经过干燥测试后放入绝热煤样罐里。煤样放置之前必须进行包装密封，防止煤样被氧化。为了消除煤在低温氧化中形成的水分对程序升温实验的不良影响，对煤样干燥24 h。根据实验要求，设定实验所需的温度值，对煤样进行加热。将空气泵连接在升温试验台的进气口，利用空气泵的加压设备，向试验台内通入空气。打开气象色谱仪，对升温过程中产生的气体进行检测，根据温度的不同找到气体产生的规律，同时利用数据采集系统监测煤样的温度数据。

2 实验结果与分析

考虑煤自热临界温度在60～80 ℃，且采空区漏风风速对煤自燃的影响，因此对煤样进行了常温30 ℃、中温60 ℃和变通气量条件下两种恒温的煤自燃氧化规律实验。

2.1 恒温30 ℃条件下的煤氧化实验与分析

在常温30 ℃，将通气量设为定值50 mL/min(即风速0.1 m/min)，程序升温实验达到270 min时停止。测定结果表明，当煤样为30 ℃的恒温状态时，在氧化时间为120 min左右的初期，释放出CO浓度相对较大，此时氧化能力较强，CO气体浓度达到12.25 mg/L。随着氧化时间的增加，氧化时间140 min后，CO气体浓度在9.5～10 mg/L之间，在基本上处于恒定稳定状态，氧化能力逐渐降低并趋于平稳。综合来看，煤样在30 ℃条件下，释放出的CO量在9.5～12.25 mg/L之间。

2.2 恒温30 ℃、变通气量条件下的煤氧化自燃实验与分析

保持常温30 ℃不变，将通气量设为50、83.3、125、166.7 mL/min四种不同的值，这四种通气量相当于风速为0.1～0.33 m/min区间，程序升温实验达到270 min时停止，此时测定结果图2和3所示。

从图2与图3中可以看出，在保持氧化温度30 ℃不变的情况下，随着通风量的增加，CO气体浓度呈现减小的趋势；随着氧化时间的增加，CO气体浓度也随之减少，氧化能力减弱。彼此之间CO浓度差很小，趋于稳定。当通气量为166.7 mL/min时，CO浓度随氧化时间的增加变化并不是很大，刚开始会出现较小波动，随后逐渐趋于稳定，基本保持在6 mg/L左右，此时的煤氧化能力最小。在通气量为50～83.3 mL/min(即采空区风速为0.1～0.17 m/min)时，产生的CO较多，此时的氧化能力最强，也是采空区遗煤发生自燃导致危险的区域。

2.3 恒温60 ℃条件下的煤氧化实验与分析

将温度增加到60 ℃并保持不变，将通气量设为50 mL/min，相当于风速为0.1 m/min，程序升温实验达到270 min时停止，此时测定结果图4所示。

从图4可以看出，随着氧化时间的推进，煤样氧化所释放的CO放出量总体上是呈现逐渐减少的趋势，最终减少了6 mg/L左右，在后期氧化呈现平缓稳定的趋势，稳定在48 mg/L左右。将图5和图2对比发现，在其他条件相同的情形下，恒温60 ℃氧化所释放的CO量比恒温30 ℃的大很多，由9.5～12.25 mg/L增到48～54 mg/L，增加约3.4～4.1倍，煤炭氧化速率的增加为1.35 mg/(L·℃)左右。总结来说，与30 ℃时氧化实验相同，在恒温实验推进的过程中，CO的释放量大体都是呈现先减小后稳定的情况。

2.4 恒温60 ℃，变风量条件下的煤氧化自燃实验与分析

保持恒温60 ℃不变，将通气量设为50、83.3、125、166.7 mL/min四种不同的值，这四种通气量相当于风速为0.1～0.33 m/min区间，程序升温实验达到270 min时停止，此时测定结果图5和6所示。

通过图5和图6看出，当处在恒温60 ℃情况下，随着通风量的增加，CO气体浓度在先骤降之后趋于平缓稳定。在稳定阶段随通气量的增大，CO的释放量逐渐减小，但减小的值不大。空气通气量为50 mL/min时，CO浓度处于高浓度状态，最高达到54.23 mg/L，最低处于47.31 mg/L。在83.3、125、166.7 mL/min三个通气量范围内，CO浓度变化不大且三条曲线相互交叉，CO浓度最大达到32.5 mg/L，最低为22.5 mg/L。数据分析表明，空气通气量为50 mL/min时煤炭氧化最为剧烈，是最易发生自燃的漏风区域。

3 结论

(1)煤样在30 ℃，氧化时间超过140 min时，CO气体浓度基本上处于恒定状态，在9.5～10 mg/L之间；在通气量为50～83.3 mL/min(即采空区风速0.1～0.17 m/min)时，氧化能力最强；在通气量为166.7 mL/min(即采空区风速0.33 m/min)，氧化能力最小。

(2)恒温60 ℃，变风量条件下，CO气体浓度随通气量的增大而逐渐减小，通风量为50 mL/min时，CO浓度较大，平均为49.3 mg/L，氧化能力相对较强。在通风量为83.3～166.7 mL/min时，CO浓度大体保持稳定，处在在22.5～32.5 mg/L之间，氧化能力相对较弱。

(3)综合来看，通风量为50 mL/min(采空区漏风为0.1 m/min)左右的区域，是最易发生自燃的漏风区域，在井下生产过程中，应注意监测这区域内的漏风风速，使其控制在安全范围内，进而减少采空区遗煤自燃的灾害。