煤层自然发火指标气体的选择实验分析研究①

武丕俭 张景钢 康怀宇

(1.汾西矿业集团新峪煤业公司,山西 032300;2.华北科技学院安全工程学院,北京东燕郊 101601)

煤层自然发火指标气体的选择实验分析研究①

武丕俭1②张景钢2康怀宇2

(1.汾西矿业集团新峪煤业公司,山西 032300;2.华北科技学院安全工程学院,北京东燕郊 101601)

通过对煤样进行热解实验,研究了新峪煤业公司 5110工作面主采 10#、11#煤层自然发火特性,测定了煤样在不同热解温度下 CO、CO2、CH4、C2H4、C2H6等气体的浓度,确定了这些气体的检出温度。在实验研究的基础上,结合指标气体优选原则,分析了自然发火指标气体随温度变化的规律性,选出了适合本矿煤层自然发火预测预报的指标气体,对提高煤炭自燃早期预测预报的准确度和矿井防火有重要指导意义。

自然发火;指标气体;预测预报;矿井防灭火

0 引言

煤炭自然发火标志性气体的优选与应用是进行矿井煤炭自然发火预测预报的主要技术手段。它的主要原理是煤在热解时要产生多种气体,并且各种气体生成量与煤温之间具有一定的对应关系。利用这种对应关系可以在矿井中通过检测各种气体的浓度来预报矿井自燃状况。不同煤种在不同温度时热解时生成的各种气体浓度也不相同,针对特定的煤层就需要通过在实验室进行煤升温氧化实验来找出适合本煤层自燃预测预报的标志性气体。

新峪煤业公司 5110工作面主采 10#、11#煤层,工作面东为 5112采空区,南为五采区大巷,西为 5308采空区,北为井田边界。工作面煤层易自燃,最短发火期 6个月。该工作面相对瓦斯涌出量 0.50m3/t,绝对涌出量 0.489m3/min,煤尘有爆炸危险,爆炸指数 20%。

1 实验装置与测试

1.1 实验系统

实验装置示意图如图 1所示,实验试管为钢质试管,内装煤样 750g(10/11#煤层煤样)。试管水平放于程序控温实验箱内,其底部有进气管,由空气压缩机向试管供空气,由转子流量计测控进气流量;试管顶部有出气管,流出的气体采用气相色谱仪分析;试管中心有测温传感器,测试煤样核心温度,另一个温度传感器布置在煤罐壁,用来检测罐壁的温度。

图 1 实验装置结构示意图

1.2 实验条件

(1)加热炉

样品质量——750g(10/11#煤层煤样),升温速率 ——1℃/min。

(2)气相色谱仪

柱箱温度 ——60℃,热导温度 ——100℃,汽化温度 ——150℃,转化温度 ——360℃,桥丝温度 ——130℃,TCD——载气 H2纯度 99.99%,F ID——N2纯度 99.99%;H2纯度 99.99%

1.3 煤样的采取与制备

煤样采自 5110工作面新暴露的顶部煤层,采样后立即放入塑料袋中并加以密封,运至实验室。试验时打开密封袋,将大块煤进行粉碎,装入加热炉内进行加热。

实验的特点如下:

1)实验的煤样量不同。目前国内同类实验过程中使用的煤样为 1g、2g或 1t,本次实验使用煤样为 500g。

2)除大块的煤做人工粉碎外,其余基本上是原采取的煤样,与采空区遗煤在物理化学性质方面比较接近,因此实验结果与实际情况较相符。

1.4 实验方法及实验过程

实验煤样样品特点如下:样品均为块状,粒径大于 20mm;样品外观干燥,无大气降水影响的迹象;样品大多为暗黑色。首先将样品在空气中破碎,并将破碎煤样筛分,取粒度为 <0.9mm、0.9～3mm、3～5mm、5～7mm、7～10mm部分各 20%混合,共取 750g,作为试验样品,密封于塑料袋中备用作为实验一;然后将样品在空气中破碎,并将破碎煤样筛分,取粒度为 <0.9mm,也是 750g,作为试验样品,密封于塑料袋中备用作为实验二。

在实验过程中,将的煤样粉碎后装入煤样罐,煤样罐两端留有 2cm左右自由空间,用不锈钢网与煤样隔开。煤样罐垂直放入加热炉,其底部有进气管,由空气压缩机向煤样罐供空气,由转子流量计控制进气流量,煤样罐顶部有出气管,流出的气体由集气装置进行收集,然后注入气相色谱仪进行分析。煤样罐中心布置有温度传感器,以测试煤样的核心温度,煤样罐罐壁布置温度传感器,以测试罐壁的温度。

实验的温度范围为室温到 200℃,进气流量为 60ml/min。具体升温过程如下:先以约 1℃/min的升温速率将煤温升高到 25℃,从出气口取气样进行分析,并保持煤温恒定 20min左右后,再以约 1℃/min的速度将煤温升高 15℃,再取气样分析,并保持煤温恒定 20min左右,依次类推,直到温度升高到 200℃时停止实验。由于 10#煤层和 11#煤层煤样是混在一起,所以将它们看作一个煤样进行实验处理。

1.5 水分的测定

(1)设定烘干温度,将卤素水分测定仪的温度调节到 130℃,此温度下效果较好。(2)设定烘干时间,此实验选择定时烘干,一般选取 30分钟即可。(3)准备煤样,称取煤样品 4～5g,放入到MB35卤素水分测定仪中。10/11#煤层煤样4.615g测得湿度为 2.96%。

2 实验数据分析

以煤体温度为横坐标,以生成气体的浓度为纵坐标作图,可以得到各气体浓度与温度变化关系曲线。通过曲线可以直观看到气体与温度的对应关系,易于进行标志性气体的选择。

2.1 一氧化碳与煤温的变化关系

一氧化碳的实验结果如图 2所示,由图可见:

图 2 一氧化碳浓度随温度的变化曲线

(1)一氧化碳的产生量随着温度的升高而升高;(2)实验一从 130℃到 160℃之间,一氧化碳浓度随温度的升高而增加的幅度变大,表示煤已经进入了加速氧化阶段;(3)实验一和实验二的一氧化碳的产生与温度的关系和趋势基本相同;(4)实验二的临界温度比实验一的低,从 120℃到 160℃之间,一氧化碳浓度随温度的升高而增加的幅度变大,表示煤已经进入了加速氧化阶段;(5)实验二在临界温度之后的一氧化碳浓度比实验一的高。

由以上分析可知,煤样从低温开始,经过缓慢氧化、加速氧化阶段均有一氧化碳的释放,并且随温度变化出现了一定的规律性。可见,一氧化碳是检测煤炭早期自燃发火非常灵敏的指标,可以用来作为预测煤自燃发火的指标气体,特别是粒径小的更为有效。

2.2 二氧化碳与煤温的变化关系

二氧化碳的实验结果如图 3所示,

从图中可以发现:(1)二氧化碳从升温实验刚开始 (25℃)就开始出现;(2)在 130℃以前,二氧化碳的浓度呈现出起伏变化,规律性不明显;(3)130℃以后,二氧化碳的产生量随温度升高而升高;(4)实验二 130℃之前 CO2的浓度低于实验一,在 130℃之后实验二高于实验一。

图 3 二氧化碳浓度随温度的变化曲线

由上可知,二氧化碳易受井下外界环境的影响和煤样含有水分,可能导致二氧化碳产生量频繁起伏变化的原因,而且二氧化碳产生量的规律性不明显,所以二氧化碳不宜作为预测煤自燃发火的指标气体。

2.3 甲烷与煤温的变化关系

甲烷的实验结果如图 4所示,由此可得:

(1)整个升温过程中甲烷的产生量相对较小,100℃以前甲烷的增长幅度较小,130℃之后其浓度增加的幅度较大;(2)140℃之前实验二比实验一的甲烷浓度低,之后实验二高于实验一;(3)实验一和实验二实验产生的 CH4浓度都较低。

由以上可知,甲烷随温度的变化有一定的规律性但不太明显且甲烷浓度较低,所以甲烷不宜作为预测煤自燃发火的指标气体。

图 4 甲烷 CH4浓度随温度的变化曲线

2.4 乙烷与煤温的变化关系

乙烷的实验结果如图 5所示,由图可得:

实验一和实验二乙烷浓度值比较小,而且实验一的乙烷浓度呈起伏变化,所以不适宜做指标气体。

图 5 乙烷 C2H6浓度随温度的变化曲线

2.5 乙烯与煤温的变化关系

乙烯的实验结果如图 6所示,从图中可得:

(1)乙烯从升温实验刚开始 (25℃)就开始出现;(2)实验一、二 115℃以后,乙烯的浓度总体呈现上升变化,有一定的规律性;(3)实验一、二从 115℃到 160℃之间,乙烯浓度随温度的升高而增加的幅度变大,表示煤已经进入了加速氧化阶段;(4)最后阶段实验二所产乙烯量大于实验一。

在具体展开小学班级管理工作时，常常会存在潜在的民主问题，因为小学生太小，身体和心志都不成熟，自然不懂什么是民主意识等，可这并不代表班主任就能够实行专制，不管好或是坏的决定，让学生绝对服从。事实上，如果班主任在具体展开小学生班级管理时，意识到民主的重要性，并有意实施民主化管理，不仅实现了班级事项的民主性表决，而且还培育了小学生的民主意识。再者，随着小学生慢慢长大，自我意识逐步增强，通过民主化的决策管理，促进师生沟通，如此便可搭建出友好和谐的师生关系。

可见,虽然乙烯量少,但规律性强,只要运用灵敏的检测仪器还是可以用来作为预测煤自燃发火的指标气体。

图 6 乙烯 C2H4浓度随温度的变化曲线

2.6 烯烷比(C2H4/C2H6)与煤温的变化关系

低温氧化实验结果如图 7所示,由此可得:

(1)对于实验一,烯烷比随温度的升高基本呈现出先升高后降低的趋势,在 145℃的时候烯烷比先大幅度的升高然后大幅度的降低;(2)对于实验二,在 100℃之前烯烷比大幅的降低,且在此中间还有小幅度的波动,在 100℃之后基本趋于 0.2,在 145℃到 175℃又小幅上升;

由此可知,无论对于单个实验还是两个实验烯烷比都无明显的规律性,所以烯烷比 (C2H4/C2H6)不宜作为预测煤自燃发火的指标气体。

图 7 烯烷比(C2H4/C2H6)随温度的变化曲线

3 标志性气体优选与应用

3.1 标志性气体的确定与使用

根据以上标志性气体选择原则及对煤样的升温氧化实验过程中指标气体出现规律的分析,标志性气体选择如下:

2)乙烯的灵敏度较高,准确性较好,只要检测到乙烯,便可以判定煤炭自燃进入了加速氧化阶段,预报温度为 115℃～200℃。

3)在 115℃～200℃这段温度范围内用一氧化碳和乙烯同时作为指标气体,旨在保证预测的准确性,因此在检测到一氧化碳的同时,需同时检测到乙烯的含量。一旦发现一氧化碳含量持续增加,而乙烯同时出现,表明煤自燃已进入加速氧化阶段。

3.2 标志性气体预测自燃注意事项

在应用一氧化碳、乙烯或乙烷作为预测预报的标志性气体时,由于实验室的试验条件和热环境与现场环境毕竟有所区别,而采空区中自燃源发热煤的数量及其生成一氧化碳气体的多少、漏风 (稀释气体)的风量大小,对生成和被检测的一氧化碳气体浓度都有一定影响,因此在现场检测到的气体浓度与图中对应的温度不一定完全一致,一般情况下要高于图中对应的温度。但是只要发现井下一氧化碳持续存在并且浓度是不断增加的,就是煤炭自燃的征兆。

4 结论

1)煤炭自燃过程中产生的气体和煤温之间存在密切的关系,通过热解实验可分析煤炭自燃特性,并优选出煤层自然发火的指标气体。

2)通过煤样的升温氧化实验数据分析,可以把一氧化碳和乙烯作为新峪煤业公司预测煤自燃发火的指标气体。

3)一氧化碳是首选指标,只要发现井下一氧化碳持续存在,并且是不断增加的,就是煤炭自燃的可靠象征,一氧化碳作为预报的温度为 30℃～200℃。乙烯的灵敏度较高,准确性较好,只要检测到乙烯,便可以判定煤炭自燃进入了加速氧化阶段,预报温度为 115℃～200℃。

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Research and Analysis on Index Gas of Spontaneous Combustion of Coal Seam

WU Pijian1,ZHANG Jinggang2,KANG Huaiyu2

(1.xinyu Coal-mine of FenxiMine group,Shanxi 235000;2.College of Safety Engineering,North China Institute of Science&Technology,Yanjiao Beijing-East 101601)

This paper investigates the properties of the spontaneous combustion and firing of the 10#、11#coal seam of 5110 workface in xinyu Coal-mine through some hydrogenation experiments on coal samples,measures the concentration of some gases under different temperature,such asCO,CO2,CH4,C2H4,C2H6gas,and confirms the arisen temperature of those gases.On the basis of the experimental study and with the principles of the opt imal selection of index gases,this paper also analyzes the concentration variation trait according to different temperature on index gases and selects the index gases to predict and forecast the coal spontaneous combustion in this coalmine.It is significant to improve the accuracy of coal spontaneous combustion prediction and prevention ofmine fire.

spontaneous combustion;index gas;forecast and prediction;preventing and extinguishing fire technologies

TD75+2.1

A

1672-7169(2010)04-0025-05

2010-10-04

武丕俭(1975-),男,山西人,太原理工大学采矿专业,安全工程硕士,汾西矿业集团新峪煤业公司通风区区长,助理工程师。