浅埋综采面采空区遗煤CO产生规律实验研究

杨小彬，聂朝刚，张子鹏，熊紫琛，裴艳宇

中国矿业大学(北京)应急管理与安全工程学院，北京 100083

我国95%以上的煤矿都采用井工开采，常面临着瓦斯、火灾、水害、粉尘及顶板事故等多种灾害[1-4]。其中，井下火灾大多与采空区遗煤氧化紧密相关；CO作为煤氧化过程中的产物，成为井下火灾预测预报的主要指标气体[5-7]。根据我国《煤矿安全规程》第一百三十五条表4矿井有害气体最高允许浓度规定，CO最高允许浓度为 0.002 4%[8]。我国西北部煤层埋藏普遍较浅的矿区，其典型的赋存特征是埋藏浅、基岩薄、上覆厚松散沙层。例如，铜匠川矿区高家梁煤矿、神东矿区补连塔煤矿等，在正常生产开采过程中，长期检测到其井下综采工作面回风上隅角CO浓度存在异常，回风上隅角CO浓度存在不同程度的超限，但生产现场并未出现其他自然发火的征兆[9-12]。该现象增加了井下正常生产时的事故风险，容易引发采空区遗煤的自然发火。为了井下工人的生命安全，避免造成设备和财产的巨大损失，有必要弄清楚较浅埋煤层工作面采空区CO生成规律。

国内外学者对煤升温氧化产气规律开展了大量的研究。蒋志刚[13]利用煤低温自然发火实验模拟得出CO气体产生量和产生速率与煤样温度的关系方程，主要通过φ(CO)/φ(CO2)及φ(CO)/φ(CO2)两个指数随着温度的变化关系掌握CO气体的变化规律，得到CO产生量随煤温升高而增大。谭波等[14]发现，在煤层钻孔作业时有一定量的CO生成，且CO的生成量与钻头转速和温度成正比。秦跃平等[15]研究发现，不同粒径的煤样氧化速率随温度升高而增大，粒径较小的煤样耗氧速率增加较快。杨小彬等[16]构建了工作面氧气浓度预测模型，为工作面气体异常防治提供了思路。王凤双等[17]基于程序升温实验系统，研究了柠条塔矿6种粒径煤样低温氧化过程的升温速率变化规律。李宗翔等[18]用封闭耗氧实验确定采空区窒熄带临界氧气体积分数的新方法。邓军等[19]利用煤自燃程序升温实验装置，研究了不同粒径煤样在低温氧化阶段的耗氧速率以及气体产物与温度对应关系，得到不同粒径煤样的临界温度点。陈兴等[20]发现粒径越小的煤样气体产生速率的变化幅度越大，随着煤样粒径的减小，煤样和O2反应面积增大，交叉点温度相应降低，煤样粒径对煤自燃有明显影响。

以上学者对煤样的升温氧化规律做了大量的研究，但对浅埋煤层综采面回风上隅角处长期存在CO异常及其采空区内CO产生规律的研究较少。考虑高家梁矿浅埋综采面回风上隅角处长期存在CO异常问题，可能与采空区内遗煤氧化有关，为避免采空区实测时温度探头的测量误差导致遗漏高温区域，并研究采空区内遗煤可能出现的局部高温区域的CO产生规律，利用油浴式煤升温氧化实验装置对高家梁矿煤样进行升温氧化实验，通过模拟煤体自热升温来探究煤在氧化过程中O2、CO及CO2浓度的变化规律，同时计算煤的耗氧速率、CO和CO2产生速率以及氧化放热强度[21]，并绘制各参数随温度变化的曲线图，依次分析和归纳各煤样的临界温度，最后通过回归分析得到煤的耗氧速率、CO产生速率与温度的关系。

本文主要以高家梁矿浅埋煤层煤样为研究对象，与阳泉矿深埋煤层煤样相对比，研究浅埋煤层煤体氧化过程中的CO产生规律，进而为浅埋综采面上隅角CO长期异常提供解决思路，同时为不同埋深矿区的自然发火防治提供参考依据。

1 矿井概况

高家梁矿地处鄂尔多斯市，井田内赋存煤层的变质程度普遍较低，综合机械化采煤工艺，自然垮落法处理采空区。本次研究煤层为2-2中、3-1、4-2中煤层，变质阶段为烟煤Ⅰ阶段，埋深 196～278 m。其中，2-2中煤层厚度0～6.07 m，平均2.99 m；3-1煤层全区可采，煤层厚0.34～6.96 m，平均2.20 m；4-2中煤层基本全区可采，煤层厚度0.29～5.62 m，平均2.76 m。据高家梁矿生产地质报告，2-2中煤、3-1煤、4-2中煤层煤尘均有爆炸性和自燃性，属于I级易自燃煤层。煤层自然发火期为40～60 d，地温11.5 ℃～13.7 ℃。

阳泉矿区位于沁水盆地东北部，煤层属于变质程度稍低的无烟煤，综合机械化采煤工艺，一次采全高。15煤层均厚5.88 m，为全区稳定可采煤层，埋深基本在1 200 m以浅[22]，阳泉矿区埋深 300～1 000 m煤层含气量在5～30 m3/t之间。相比而言，阳泉矿煤层埋藏更深。

2 油浴式煤升温氧化实验

本实验煤样采自高家梁矿2-2中、3-1、4-2中煤层和阳泉矿煤层，以高家梁矿浅埋煤层为主，用阳泉矿深埋煤层做对比。将煤样用颚式破碎机破碎，筛分0.18～0.25 mm(60～80目)粒径的颗粒各160 g作为实验煤样，最后把煤样标号，封口待用。具体采集煤样见表1。

表1 采集煤样信息Tab.1 Collected coal sample information

采用硅油作为导热介质，使煤样升温氧化时温度分布更均匀、温升速率更容易控制。油浴式煤低温氧化实验系统如图1所示。

1—质量流量计；2—混气室；3—升温炉；4—预热铜管；5—搅拌器；6—加热圈；7—硅油；8—煤样罐；9—测温线路；10—控制面板图1 油浴式煤升温氧化实验系统原理Fig.1 Schematic diagram of oil bath coal low temperature oxidation experiment system

升温氧化实验进行时，由气泵向煤样罐提供空气，保证恒定的进气口氧气浓度。采用油浴式升温装置，每隔10 ℃进行一次数据采集，设置每升高10 ℃恒温45 min。实验开始时系统会以1 ℃/min的速率自动进行升温，将油温保持在15 ℃，程序设定自动保持恒温一段时间，5 min内不发生大的变化时煤温已经趋于稳定。此时打开气阀将气体通入岛津GC-2014型气相色谱仪，分析出口侧各气体的浓度，15 min后进入下一升温阶段进行分析。煤样在每个设定温度下进行2组实验，对比实验结果，选取线性回归拟合相对误差值较小的一组作为实验结论。考虑高家梁矿采空区内遗煤温度并未达到很高这一实际情况，故重复操作从平均低温21.2 ℃升温至170 ℃，结束该煤样实验。实验装置如图2所示。

图2 油浴式煤升温氧化实验装置Fig.2 Oil bath coal low temperature oxidation experimental device

3 实验结果及分析

实验通过分析升温炉进出口气体的浓度和成分变化，分别得到了煤样的O2消耗量和耗氧速率以及CO、CO2的生成量和生成速率，将各气体变化参数代入公式计算得到各煤样的放热强度。实验结果发现，各矿井采集煤样在低温时便发生氧化，O2逐渐被消耗并产生了CO2，但CO初始测定时产生量较低；随着温度升高O2的消耗速率逐渐增加，CO2和CO产生量也逐渐增加，表示煤的氧化速率也逐渐加快。

3.1 各气体与温度的变化关系

为更加直观地观察各煤层生成气体和氧气消耗随温度变化关系，绘制煤样氧化实验过程中的气体变化图。

3.1.1 氧气消耗量与温度之间的变化关系

实验过程中的氧气消耗量与温度之间的变化关系如图3所示。

图3 O2消耗量随温度变化的对比曲线Fig.3 Comparison curve O2 consumption with temperature changing

由图3可以看出：

(1) 输出气体中O2的浓度随着温度的升高而降低，代表着实验过程中各煤层煤样一直进行氧化反应并消耗氧气。

(2) 各煤样氧气浓度降低的速率各不相同。在实验开始温度较低时，氧气浓度下降均较为平缓，各煤样差距较小，但随温度升高各煤样差距逐渐明显；在同一煤温下，高家梁矿各煤层煤样的氧气消耗量明显大于阳泉矿。

(3) 观察任一煤样氧气下降速率，当实验开始温度较低时，各煤样氧气浓度下降均较为平缓，但高家梁矿各煤样在煤温达到40 ℃时出现第一次突跃，各煤样的氧气消耗速率增加；当煤温达到130 ℃时，高家梁矿各煤样出现第二次突跃，各煤样氧气消耗速率再次增加。而阳泉矿煤样则只有一次明显突跃，且滞后至120 ℃左右。

3.1.2 碳氧化合物产生量与温度之间的变化关系

实验过程中的碳氧化合物产生量与温度之间的变化关系如图4和图5所示。

图4 CO生成量随温度变化的对比曲线Fig.4 Comparison curve CO production with temperature changing

图5 CO2生成量随温度变化的对比曲线Fig.5 Comparison curve CO2 production with temperature changing

由图4和图5可以看出：

(1) 各煤层CO和CO2的体积分数随着温度的升高而增大，高家梁矿各煤层在低温时便发生氧化产生了CO，且在煤温仅40 ℃时CO产生的体积分数便达到了1×10-4，煤矿现场监测数据约为8×10-5，考虑煤样从取样到实验室实验期间已发生常温氧化，因此实验结果数据相对可靠，证明采空区内遗煤氧化是影响综采面回风上隅角CO异常的直接原因。

(2) 各煤样CO和CO2的生成速率各不相同。实验开始温度较低时，埋深不同的各煤样CO和CO2的生成均较为平缓，各煤样差距较小；随着温度升高，各煤样差距逐渐明显，同一煤温下，高家梁矿各煤层煤样的CO和CO2的生成量明显大于阳泉矿的煤样。

(3) 观察任一煤样CO和CO2的生成速率，当实验刚开始温度较低时，各煤层CO和CO2的生成均较为平缓，但高家梁矿各煤样在煤温达到40 ℃左右时出现第一次突跃，各煤样的CO和CO2的生成速率增加，在煤温达到130 ℃左右时高家梁矿各煤样出现第二次突跃，各煤样CO和CO2的生成速率再次增加。而阳泉矿煤样的CO和CO2的生成速率在煤温达到100 ℃左右出现第一次突跃，在160 ℃左右仅有CO2的生成速率出现第二次突跃。可见，浅埋煤层的煤样比深埋煤层煤样更易升温氧化，提前进入加速氧化阶段。

3.2 煤的耗氧速率与CO产生速率分析

为了观察煤升温氧化时的气体产生速率与耗氧速率，更加准确地确定各煤样氧化过程中的临界温度，需对煤的升温氧化过程中的气体变化数据进行计算分析。根据煤样在升温氧化过程的氧浓度消耗量与温度变化的关系来计算煤样的耗氧速率。

本次实验升温速率保持在1 ℃/min，油温变化速率缓慢，且实验使用煤样量较小，可以认为煤罐内的温度保持均匀变化，则可推导出单位体积煤的平均耗氧速率为

(1)

式中，v(t)为煤样的耗氧速率，mol/(cm3·s)；C为O2浓度，mol/cm3；t为时间，s；x为轴向单位长度，cm；v为气体的渗流速率，cm/s；Q为气体流量，mL/min；S为煤罐断面积，cm2；n为煤样的孔隙率，%。

在新鲜空气中煤耗氧速率为

(2)

式中，v0(t)为新鲜风流中煤耗氧速率，mol/(cm3·s)；C0为进风氧浓度，取21%。

对耗氧速率进行积分可得

(3)

式中，L为装煤的高度(包含孔隙)，cm；C1为每次实验前测得空气氧浓度，%；C2为出口侧氧浓度，%。

将不同煤样在各实验温度的耗氧速率和CO产生速率分别标示于图6和图7中，得到各个煤样的耗氧速率和CO产生速率随温度变化的关系曲线。

图6 耗氧速率随温度变化的对比曲线Fig.6 Comparison curve of oxygen consumption rate with temperature changing

图7 CO产生速率随温度变化的对比曲线Fig.7 Comparison curve of CO production rate with temperature changing

由图6和图7得出：

(1) 随着温度升高，耗氧速率和CO产生速率一直在呈加速率增加，表明温度对煤的氧化速率起着促进作用。

(2) 在实验开始温度较低时，各煤样耗氧速率和CO产生速率的变化均较为平缓，各煤样差距较小；随着温度升高，各煤样差距逐渐明显。同一煤温下，高家梁矿各煤层煤样的耗氧速率和CO产生速率的变化速率总体上明显大于阳泉矿，且高家梁矿不同埋深煤层的耗氧速率增加速率也不完全相同，依次为2-2中>3-1>4-2中煤层，而埋深趋势依次为4-2中>3-1>2-2中煤层，说明煤层埋藏越浅，煤的耗氧速率越快。

(3) 观察高家梁矿各煤样耗氧速率和CO产生速率，发现在煤温达到40 ℃时出现第一次突跃，各煤样的耗氧速率和CO产生速率开始快速增加，且明显逐渐大于阳泉矿。此时高家梁矿煤样可能比阳泉矿先进入加速氧化阶段；在煤温升高至130 ℃时高家梁矿各煤样出现第二次突跃，煤样耗氧速率和CO产生速率再次明显变大，此时考虑高家梁矿煤样可能进入急剧氧化阶段。而阳泉矿煤样则只有一个明显突越，且耗氧速率相对滞后至120 ℃左右，CO产生速率相对滞后至100 ℃左右。表明升温对不同埋深煤样的氧化速率促进作用不同，对浅埋深煤样促进作用更强。

(4) 综合高家梁矿煤样耗氧速率随温度的变化情况，得出高家梁矿各煤层煤样有2个临界温度，分别为40 ℃和130 ℃，煤样分别进入加速氧化阶段和剧烈氧化阶段。

3.3 耗氧速率与CO产生速率的线性回归分析

把耗氧速率、CO产生速率与温度的关系以临界温度为分界点，回归成前后两条直线和一条指数曲线。回归的直线方程用y=ax+b表示，指数方程用y=aex表示，如图8至图10所示。

图8 2-2中煤层的耗氧速率和CO产生速率线性回归分析Fig.8 Linear regression analysis of oxygen consumption rate and CO production rate of 2-2中coal seam

图9 3-1煤层的耗氧速率和CO产生速率线性回归分析Fig.9 Linear regression analysis of oxygen consumption rate and CO production rate of 3-1coal seam

图10 4-2中煤层的耗氧速率和CO产生速率线性回归分析Fig.10 Linear regression analysis of oxygen consumption rate and CO production rate of 4-2中coal seam

由回归分析可知，煤在升温氧化时耗氧速率、CO产生速率与温度均存在依赖关系。可以看出，不同埋深的各煤样在临界温度前后耗氧速率的变化近似成直线关系和指数关系。由此可以根据温度来确定煤的氧化阶段，从而判断自然发火状态，达到预警目的。

3.4 放热强度计算

煤氧复合作用理论中，常温下煤与氧进行物理吸附、化学吸附和化学反应发生氧化自热的过程中，均会有不同程度的热量释放，但煤体在进行物理吸附时放出的热量很少，可以忽略。因此，在进行煤的放热量的计算时，通入气体中氧气分别被反应生成CO、CO2和化学吸附两部分所消耗。此时得到煤的放热强度[23]计算公式为

Q(t)=QO2(t)+QCO(t)+QCO2(t)

(4)

(5)

(6)

(7)

(8)

(9)

计算各煤层放热强度并绘制放热强度随温度升高变化曲线，如图11所示。

图11 放热强度随温度变化的对比曲线Fig.11 Change curve of heat release intensity with temperature changing

根据各煤层煤样放热强度随温度升高变化曲线得出：

(1) 高家梁矿各煤层煤样放热强度随温度升高而增大。当温度较低时(≤ 40 ℃)，放热强度随温度变化较小，随温度的升高略微增大；当温度在40 ℃～130 ℃时，各煤样放热强度随温度的升高开始加速上升；当温度高于130 ℃以后，耗氧速率随着温度的升高而急剧变大，变化趋势非常明显。阳泉矿煤样放热强度也随温度升高而增大，在120 ℃以后增速加快，但明显低于高家梁各煤层放热强度。

(2) 各煤样放热强度随温度的变化情况与前文各气体产生和消耗规律类似，更加有力地验证了高家梁一号矿各煤层煤样有40 ℃和130 ℃两个临界温度，分别对应加速氧化反应起点和剧烈氧化反应起点，而受煤层埋藏深度增加的影响，阳泉矿只有一个不明显临界温度，相对滞后在100 ℃～120 ℃之间，升温对浅埋煤样的氧化放热促进作用更强。

4 结 论

通过对我国西北部高家梁矿浅埋深2-2中、3-1、4-2中煤层综采面煤样进行升温氧化实验，并辅以阳泉矿深埋煤层15煤层对比分析，可以得出：

(1) 高家梁矿浅埋深各煤层煤样在低温时便消耗了O2，产生了较高体积分数的CO。其中，3-1煤层综采面在40 ℃时CO产生的体积分数达到了1 × 10-4，接近现场监测结果，足以证明采空区内遗煤氧化是导致其综采面回风上隅角CO异常的主要原因。

(2) 煤层埋藏越浅，升温氧化时煤的耗氧速率和CO产生速率越快，升温对浅埋深煤样的氧化放热促进作用更强。高家梁矿浅埋深升温氧化实验过程中的耗氧速率增加速度依次为2-2中>3-1>4-2中煤层，且相同煤温下，其各煤层CO产生量和产生速率、O2的消耗量和消耗速率以及放热强度均明显大于深埋的阳泉矿煤层。

(3) 高家梁矿浅埋深各煤层有40 ℃和130 ℃两个临界温度，分别对应进入加速氧化阶段起点和急剧氧化阶段起点，因此可以根据温度来确定煤的氧化阶段。而阳泉矿深埋煤层只有一个不明显临界温度，相对滞后在100 ℃～120 ℃之间。表明浅埋深煤样比深埋煤层煤样更易升温氧化，更早进入加速氧化阶段，且所需温度更低，在常温下就应对浅埋深的矿井采取预防自然发火措施。