基于煤自燃标志性气体的阻化剂优选研究

张 燕

(山西潞安化工集团 余吾煤业有限责任公司，山西 长治 046100)

矿井火灾一直都是制约我国煤矿安全高效开采的重要影响因素之一[1]。矿井火灾是复杂的物理化学反应，多发于采空区遗煤自燃。采空区特殊的位置环境，导致采空区遗煤自燃具有隐匿性，难发现、难预防、难治理、危险性大[2-3]，因此防治采空区遗煤自燃的工作尤为重要。根据采空区的实际情况，防治遗煤自燃的方法一般有喷洒阻化剂、注浆、注惰性气体、均压等[4-5]。其中喷洒阻化剂是非常重要的手段，阻化剂种类和复配的选择性多，需要对不同阻化剂的阻化效果进行研究[6-8]。通过分析阻化前后对指标气体的影响来优选合适的阻化剂。

鉴于此，笔者对沙坪煤矿8号煤层煤样和13号煤层煤样添加NaHCO3、CaCl2和水玻璃以及两两组合6种阻化剂进行处理后，利用程序升温实验装置，以阻化剂对煤指标气体产量和产气温度的影响大小为指标，得到表征不同阻化剂阻燃性能的参数，以期筛选出性能优良的阻化剂，为建立相应的预防预测体系，有效地预防矿井采空区遗煤自燃提供了理论指导。

1 煤自燃氧化程序升温试验

1.1 试验装置系统及原理

试验装置系统主要由程序升温氧化实验装置、气相色谱仪等组成。程序升温氧化实验装置由煤样氧化室、加热炉、温度控制箱、气路系统组成，与气相色谱仪配合使用，完成自然发火标志气体及其指标测试工作。程序升温箱内部反应器为导热性良好的铜制罐体，罐体上、中、下分别开孔用于连接出气管路、热电偶、进气管路；箱内风扇可使箱体内部的温度均匀分布，从而使反应器更加均匀地受热；进气管路盘绕于反应器底部，可将进入反应器内的气体提前预热至与箱体内部同样温度，保证反应器内部与外部温度相同。指标气体数据采集装置为气相色谱分析仪，可以实时检测程序升温过程中反应器内煤各种指标性气体的含量，通过对采集到的数据进行分析，计算出程序升温过程中煤样生成指标气体浓度的变化。煤自燃危险特性测试系统如图1所示。

图1 煤自燃危险特性测试系统图

1.2 试验条件及过程

采集沙坪煤矿8号和13号煤层新鲜煤样。首先分别将各种煤样破碎筛选为20～40目、40～60目、60～80目和80～100目各10 g。每种煤样按照每份40.0 g的剂量取样，将样品放置于煤样反应罐中备用。在相同实验条件下，分别进行程序升温氧化实验，通过控制流量计保证流入反应罐的空气流量为恒定的100 mL/min，并检查气路密闭性；之后通过程序升温箱控温系统，将煤样以1 ℃/min的温升速率，从室温升温至250 ℃，每升温10 ℃利用气相色谱仪测定煤自燃过程中指标气体的浓度变化。煤自燃程序升温试验条件如表1所示。

表1 煤样程序升温试验条件

1.3 试验结果与分析

在模拟沙坪煤矿2种煤样自然发火过程中，测得试验产物有O2、N2、CO、CO2、C2H4、C2H6、H2，通过绘制各气体产物浓度随温度升高的变化曲线图，分析气体浓度和温度关系的变化规律，可以发现CO、C2H4、H2的浓度变化规律与温度的关联度比较有特征性，具体如图2、图3所示。

图2 8号煤层煤样气体产物浓度与温度关系图

由图2可知，8号煤样在试验过程中，产物CO浓度随煤温升高整体呈上升趋势。煤样在30～70 ℃时，CO气体浓度较小且基本不变；在煤温升至70～80 ℃时，CO浓度以小速率开始增大，说明煤样已经开始发生缓慢氧化；当煤温升至100 ℃

由图3可知，13号煤样在试验过程中，产物CO浓度随煤温升高整体呈上升趋势。煤样在30～60 ℃时CO气体浓度较小且基本不变；在煤温升至60～70 ℃时，CO浓度以小速率开始增大，说明煤样已经开始发生缓慢氧化；当煤温升至90 ℃

图3 13号煤层煤样气体产物浓度与温度关系图

2 阻化前后指标气体起始温度变化及阻化剂优选

2.1 煤样制作及试验过程

为了分析、对比不同阻化剂的阻化效果，分别对相同条件下的原煤样和不同阻化浸润过的煤样进行自燃氧化试验，试验条件和上述指标气体优选相同。其中补添加任何阻化剂的原煤组作为对照组，试验组是在原煤样的基础上分别添加NaHCO3、CaCl2、水玻璃、NaHCO3+CaCl2、NaHCO3+水玻璃和CaCl2+水玻璃，充分搅拌后放在温度设定为30 ℃的真空干燥箱中，静置48 h，试验组的阻化剂添加情况如表2所示。

表2 阻化剂的添加情况

2.2 试验结果与分析

试验得到煤样指标气体在阻化前后的浓度变化，由于CO的变化作为阻化剂前后的影响指标难以给出有效的分析，故选取了规律性好的C2H4和H2浓度与温度的关系曲线图，如图4、图5所示。

图4 8号煤层煤样指标气体浓度与温度关系图

由图4可知，添加阻化剂的煤样和原煤样在同样试验条件下，产生的C2H4和H2浓度在整体变化趋势相同的基础上，产量都有不同程度的下降，且产生的起始温度也都有不同程度的升高。其中当温度超过110 ℃时，NaHCO3、CaCl2和水玻璃阻化煤样几乎同时产生C2H4，但随着温度的升高，水玻璃阻化煤样的增加速率最慢；当温度超过150 ℃时，NaHCO3+CaCl2、水玻璃+CaCl2和水玻璃+NaHCO33组混合阻化煤样几乎同时产生C2H4，但随着温度的升高，水玻璃+NaHCO3混合阻化煤样的增加速率最慢。

当温度超过110 ℃时，NaHCO3、CaCl2和水玻璃阻化煤样与原煤几乎同时产生H2，但随着温度的升高，原煤样的产生H2速率最大；当温度超过130 ℃时，NaHCO3+CaCl2和水玻璃+CaCl2两组混合阻化煤样几乎同时产生H2，而水玻璃+NaHCO3混合阻化煤样在温度超过150 ℃时，才开始产生H2，且增加速率最慢。

综上分析，针对8号煤层煤样，水玻璃+NaHCO3、水玻璃+CaCl2、NaHCO3+CaCl2、水玻璃、CaCl2、NaHCO3的阻化效果依次递减。

由图5可知，添加阻化剂的煤样和原煤样在同样试验条件下，产生的C2H4和H2浓度同样在整体变化趋势相同的基础上，产量都有所下降，且起始温度也都有所升高。其中当温度超过110 ℃时，NaHCO3、CaCl2和水玻璃阻化煤样几乎同时产生C2H4，水玻璃阻化煤样的产气速率最慢；当温度超过130 ℃时，NaHCO3+CaCl2混合阻化煤样开始产生C2H4；当温度超过150 ℃时，水玻璃+CaCl2混合阻化煤样开始产生C2H4；温度超过170 ℃时，水玻璃+NaHCO3混合阻化煤样开始产生C2H4。

图5 13号煤层煤样指标气体浓度与温度关系图

当温度超过110 ℃时，NaHCO3阻化煤样与原煤几乎同时产生H2，但随着温度的升高，原煤样的产H2速率大；当温度超过130 ℃时，CaCl2和水玻璃两组阻化煤样几乎同时产生H2，但随着温度的升高，水玻璃阻化煤样产气速率较慢；当温度超过150 ℃时，NaHCO3+CaCl2和水玻璃+CaCl2两组混合阻化煤样几乎同时产生H2，而水玻璃+NaHCO3混合阻化煤样在温度超过170 ℃时，才开始产生H2，且增加速率最慢。

综上分析，针对13号煤层煤样，水玻璃+NaHCO3、水玻璃+CaCl2、NaHCO3+CaCl2、水玻璃、CaCl2、NaHCO3的阻化效果依次递减。

3 结 语

1) 根据试验结果建立了以CO、C2H4和H2为指标气体的8号和13号煤层预测预报煤自燃体系。

2) 提出了以指标气体产量和起始温度值相结合的评判阻化效果指标。

3) 不同阻化剂处理8号和13号煤样的阻化效果由高到低依次为水玻璃+NaHCO3、水玻璃+CaCl2、NaHCO3+CaCl2、水玻璃、CaCl2、NaHCO3。