雅店煤矿煤自燃标志气体试验研究

杜亚刚，杨程帆，李德仁

(1.陕西华彬雅店煤业有限公司，陕西 咸阳 712000；2.西安天河矿业科技有限责任公司，陕西 西安 710054)

0 引言

矿井自燃火灾是全世界煤矿五大灾害之一，煤炭自燃火灾情况非常严重，严重威胁着矿井的安全生产和矿工的人身安全，对自然环境产生了极大污染，同时也带来了巨大的资源损失[1-4]。煤自燃早期预报的方法主要为标志气体分析法[5]，是判断自然发火标志气体最重要的方法，通常是利用程序升温试验，测量不同温度下各种产气速率，找出温度与气体各组分之间的对应关系，从而分析气体结果反推煤氧化进程[6]。

近年来，众多学者针对煤自燃开展了试验研究。其中，张嬿妮等[7]采用程序升温试验，通过积分法算出煤样的特征温度和煤氧复合反应的活化能和指前因子；黄振源[8]测试了4种不同变质程度煤样在程序升温条件下的交叉点温度；邓军等[9]采用煤自燃程序升温试验，研究了两次氧化过程中的耗氧速率、CO产生率等自燃特性参数；伊龙[10]利用程序升温试验，测定了C2H4、CO、CH4、C2H6以及CO2等气体的耗氧速度和产生率；屈丽娜[11]通过对10个不同变质程度的煤进行程序升温试验，研究了不同变质程度对煤自燃过程中特征参数的影响；费金彪[12]通过煤自燃程序升温试验，建立了煤自燃发火过程中温度与气体之间的对应关系。余明高等[13]利用氧化升温试验，确定了乌达矿区煤自燃预测预报的标志气体。罗海珠等[14]通过分析不同煤种在自燃过程中的气体浓度及变化规律，确定了煤自燃标志气体与温度的定量关系。朱令起等[15]通过对东欢坨煤矿4个典型煤样进行自然发火试验，对指标气体进行了优选。

为此，利用程序升温试验台，开展雅店煤矿4号煤层1417工作面煤样程序升温试验测定，以期得到该矿煤样的氧化自燃升温特性参数、气体产物随煤温的变化关系，为雅店煤矿4号煤层1417工作面煤自燃防治工作提供科学数据支撑。

1 试验装置及条件

1.1 试验装置

将1 kg煤样装入程序加热升温试验装置中开展试验，该装置主要包括3部分，具体如图1所示。

图1 程序加热升温试验装置结构示意Fig.1 Structure of programmed heating test device

1.2 试验条件

试验煤样取自雅店煤矿4号煤层1417工作面。将原煤样在空气中破碎后，筛选出5种粒径各200 g组成混合煤样，装入程序升温箱中进行程序升温试验，试验条件见表1。

表1 程序升温箱煤样加热升温试验条件Table 1 Heating test conditions of coal samples in programmed temperature box

2 试验结果分析

2.1 指标气体选取分析

试验过程中，采集不同煤温时的气体，不断进行气相色谱分析。当煤样温度小于70 ℃时，其温度上升速度较慢，当煤样温度大于80 ℃时，其温度上升速度开始加快。试验结果表明，当煤样温度上升到80 ℃以上时，其氧化放出热量开始明显增加，这进一步加速了煤体温度的上升。综合分析试验结果，可以得出雅店煤矿4号煤层1417工作面煤样在不同环境温度影响下，其温度与气体之间的对应关系如图2所示。

图2 气体浓度与煤温变化关系Fig.2 Relationship between gas concentration and coal temperature

观察图2可以得出，试验开始时，煤样中就含有微量的CO气体，说明煤样在低温下与氧气发生低温氧化。随着温度不断升高，CO浓度也呈现出不断增加的趋势，在低温阶段增加趋势相对温和，当温度超过80 ℃时，CO浓度的上升趋势线更加明显，特别是在煤温超过干裂温度后，愈发加速，呈现近似指数函数的形式。CH4气体在室温阶段也有少量存在，之后随着温度的上升，CH4气体受到分子间范得华力的约束逐渐减弱，CH4的生成量不断增加。而在试验初始阶段，不存在C2H6和C2H4，但当温度达到90 ℃时，C2H6气体开始出现，并随着温度升高逐渐增大。同时，C2H4气体也在煤温达到90 ℃才产生，同样随着温度升高而逐渐增大。因此，根据指标气体优选原则，可以选取C2H6作为雅店煤矿的主要指标气体，C2H4作为辅助指标气体。

2.2 CO、CO2产生率与耗氧速度分析

结合相关知识，可知耗氧气速度和氧气浓度成正比关系，因此当温度一定时，可以得到耗氧速度计算公式为

(1)

式中，V0(T)为标准氧气浓度时的煤体耗氧速度，mol/(cm3·s)；Q为供风量，m3/s；S为炉体供风面积，m2；z为任意点到入口的距离，m；C0为标准氧气浓度，9.375×10-6mol/cm3；C为任意点实测氧气浓度，%。

利用公式及试验数据计算得到，在新鲜空气中，混合煤样在不同温度下，其耗氧速度与煤温之间的函数曲线如图3所示。可以看出，雅店煤矿煤样耗氧速度整体上随煤温升高，呈现出不断上升的趋势，且上升趋势在不断增大，当温度升高至临界温度以后，耗氧速度突然加速，逐渐呈现出指数增长趋势。其原因是在煤温增加的同时，煤样本身的化学性质也在发生变化，其相应的活性官能团得以激活，进而导致煤样与氧气反应随煤温升高呈现出不断加快的结果。

图3 耗氧速度与煤温的关系曲线Fig.3 Relationship between oxygen consumption rate and coal temperature

在试验台中，由于煤体遇氧发生氧化反应，氧化过程在不断地消耗氧气，因此在沿着风流的方向上，氧气浓度会逐渐减少，但是根据物质守恒定律，氧化产生的CO、CO2等氧化产物却在不断地增加。故而，在试验装置内任意一点，煤体CO、CO2产生率与耗氧速度成正比关系，即CO、CO2产生率满足以下关系

(2)

(3)

将试验数据带入公式可计算得到CO、CO2产生率与煤温的关系曲线，如图4、5所示。

图4 CO产生率与煤温关系曲线Fig.4 Relationship between CO production rate and coal temperature

从图4和图5可以较为直观地看到，CO、CO2产生率在试验初始阶段变化并不明显，而当煤温达到70 ℃以后，其增幅呈增长趋势，随着温度进一步升高，单位温度的CO、CO2产生率增幅也越来越大，关系曲线趋势变得愈加陡峭。而当煤温升高到100 ℃以后，CO、CO2产生率与煤温的曲线关系几乎呈现出指数函数增长趋势。

图5 CO2产生率与煤温关系曲线Fig.5 Relationship between CO2 production rate and coal temperature

2.3 临界温度与干裂温度

通过分析试验过程，在CO、CO2产生率与煤温的函数关系曲线中，可以明显地观察到，在70～80 ℃时，曲线增长趋势发生了明显地突变，由原先斜率较小突变为斜率接近1的一次函数，增长幅度显著增加，此刻的起点温度即为临界温度。同理，继续观察CO、CO2产生率与煤温的函数关系曲线，在100～120 ℃时，曲线增长趋势再次发生突变，由原先斜率为1的一次函数突变为近似指数函数，则可判断此刻的起点温度即为干裂温度。

因此根据试验数据分析可以判断出，雅店煤矿4号煤层1417工作面煤样的CO、CO2产生率的第1次突变温度范围为70～80 ℃，这个温度范围即为雅店煤矿4号煤层1417工作面临界温度，同理判断得到再次突变的温度，即干裂温度范围为100～120 ℃。

2.4 试验最短自然发火期

在预防煤自燃的过程中，自然发火期作为最重要的预测条件之一。通常情况下，煤自然发火期会被众多因素所影响，如煤体的初始温度、煤体的破碎程度以及采空区漏风强度等。但是在煤矿实际开采过程中，现场受到采煤工艺、设备以及技术等一些实际问题，在采空区往往会遗留一部分破碎煤体，而当这些遗煤厚度积累到一定程度时，再加上良好的蓄热供氧条件，采空区遗煤会逐渐发生自燃。煤从常温到着火温度的时间就称为煤最短自然发火期。其计算公式[16]为

(4)

式中，ΔTi为煤温由Ti升到Ti+1所需时间，min；Cpi，Cpi+1分别为煤在Ti，Ti+1温度时测得的比热，J/(g·℃)；Kqi，Kqi+1分别为温度Ti，Ti+1时煤的吸氧速度，mL/(g·min)；Qs为煤吸附单位氧量放出的吸附热，按氧的平均吸附热计，取Qs=16.8 J/mL；cqi，cqi+1分别为温度Ti，Ti+1时煤所吸氧的氧浓度值；Wpi为温度段Ti～Ti+1煤中水分蒸发量；λ为水分蒸发及解吸热，取平均值2.26 kJ/g；μi为煤氧化升温瓦斯析出量；Q′为瓦斯解吸热，取平均值12.6 J/mL；ΔqDi为热流速度，J/(g·min)。

根据公式可以计算得到雅店煤矿4号煤层煤样试验最短自然发火期为36.01 d。考虑到现场环境的复杂性，在氧气充裕的前提下，从160 ℃达到着火点时间不到1 d，即可推测试验煤样最短自然发火期为37 d左右。

3 结论

(1)针对雅店煤矿煤样耗氧速度、CO和CO2产生率3个煤自燃特性参数进行了分析，为该矿煤自燃防治提供了基础数据。

(2)根据试验数据得到雅店煤矿煤样临界温度为70～80 ℃，干裂温度为100～120 ℃。

(3)分析了雅店煤矿煤样在程序升温试验中各指标气体的变化情况，依托试验结果，优选了C2H6气体作为该矿煤自燃的预报性指标气体，C2H4气体作为辅助指标气体。

(4)通过试验数据，计算得到雅店煤矿4号煤层试验煤样最短自然发火期为37 d。