虎峰煤业煤层自燃宏观特性实验研究

2014-04-20邬剑明周春山王新宇

中国煤炭 2014年10期

刘通邬剑明周春山王新宇

（1.太原理工大学矿业工程学院，山西省太原市，030024；2.忻州市煤矿安全监察局，山西省忻州市，034000）

煤炭自燃是低温条件下煤与氧气发生一系列复杂的物理化学反应，产生的热量得以积聚，最终导致自燃的结果。煤自燃过程中随着煤温逐渐升高会释放出一系列气体，其中有些气体的出现和浓度随着煤温的上升发生规律性变化，根据这些指标气体的变化规律用来预报煤炭自然发火的情况是目前国内外煤自燃预测预报应用最广泛的方法。热重分析技术是在程序温度控制下测量物质的质量与温度关系的一种技术，已广泛应用于研究煤自燃倾向性、煤氧化放热量等研究领域，通过分析煤样氧化过程的失重（TG）和失重速率（DTG）曲线，确定煤自燃过程中特征温度的范围。将特征温度与指标气体进行关联分析，掌握煤自燃过程中多个参数的变化情况，确定了煤层自然发火宏观特性，对指导现场煤自燃防治工作有重要意义。

1 煤层概况

虎峰煤业现采2＃煤层，煤层厚度4.60～6.30m，平均5.60m，结构简单-较简单，煤种为贫瘦煤。经鉴定2＃煤层自燃倾向性等级为II级，属自燃煤层，水分含量1.41%，含硫量0.60%，挥发分18.01%，灰分12.37%，发热量31.69 MJ／kg。

2 试验过程

2.1 煤样制备

在虎峰煤业2＃煤层2111 综采工作面按照《GB482-2008 煤层煤样采取方法》进行现场采样，采集足量煤样密封好及时送到实验室进行测试，在实验室将现场采集的煤样剥去表面氧化层，进行粉碎，筛选出0.18～0.25 mm （60～80 目）的煤样作为试验煤样。

2.2 热重试验

为研究煤从低温氧化到燃烧过程中的质量随温度变化，使之与现场实际情况相符合，本次试验在流量为50ml／min的空气中进行，采用低温慢、高温快的变升温速率对煤样进行加热，即20～200℃，升温速率为1.5 ℃／min；200～700℃，升温速率为5℃／min，称得煤样样品质量10.30mg。

2.3 程序升温氧化试验

试验系统由程序控温箱、气路通道、气相色谱仪及计算机等组成。试验所用气体为空气，由气瓶供给，试验前将50g制备好的新鲜煤样置于铜质反应器内，将其置于程序控温箱内，连接好通气气路与温度探头，保证气路的气密性后开始试验。试验时向反应器内通入流量为100ml／min的干空气，将升温速率设置为1℃／min，从常温开始对煤样进行加热，温度升高直至260℃，期间每隔10℃采集气样，当达到指定温度时取气样利用气相色谱仪进行分析。

3 试验结果分析

3.1 热重结果分析

图1为煤样热重曲线变化图，可以看出煤整个氧化过程中，煤样质量变化情况是先减小后增重，然后燃烧导致质量急剧下降最后趋于稳定。图1中，根据TG 和DTG 曲线随温度变化的关系，将煤氧化过程进行分阶段研究，确定出氧化过程中具有特征性的温度点。

温度点T1（75.2℃）为临界温度点，是DTG曲线上的第一个失重速率最大温度点，也是升温过程中引起煤氧复合自动加速的第一个温度点，是煤从缓慢氧化到加速氧化的过渡点。煤低温氧化初期阶段，煤样中水分由于温度升高出现脱水现象，同时伴随着煤对氧的物理吸附和化学吸附，由于在此过程中煤质量减少，可知此阶段煤受脱水影响较大。温度点T2（103.5℃）对应为水分蒸发完成温度，随着温度升高煤氧化学反应加剧，促进了煤分子对氧气的吸附作用，致使煤重增加。对应温度点T3（243.8℃）为增速温度，是煤样增重速率最大点的温度。温度点T4（285.3℃）对应为煤样吸氧增重，质量达到最大时的温度点，之后煤发生氧化热解反应，质量有所减小。当温度达到着火点温度T5（371.2℃）时，煤样开始燃烧，煤样质量减少，随之产生大量有机气体，放出大量热量。温度点T6（480.5℃）为最大失重速率点温度，表明煤样发生剧烈燃烧，煤样质量减少速率达到最大。温度点T7（545.6℃）为煤样燃尽温度，煤样燃烧过程结束，质量趋于稳定。

图1 虎峰煤业2＃煤样热重曲线图

根据煤氧化自燃过程中质量随温度的变化情况，可将氧化过程划分为水分蒸发阶段、吸氧增重阶段、氧化热解阶段、燃烧阶段4个阶段，直至煤燃尽。水分蒸发阶段的温度为30～103.5℃；吸氧增重阶段的温度为103.5～285.3℃，增重速率最大温度243.8℃；氧化热解阶段的温度为285.3～371.2℃；燃烧阶段的温度为371.2～545.6℃，最大失重速率点温度480.5℃。

3.2 程序升温氧化试验结果分析

2＃煤样程序升温氧化试验过程中各气体最低产生温度分别为：H2为160℃、CO 为30℃、CO2为30℃、CH4为30℃、C2H4为160℃、C2H6为30℃、C2H2为240℃。不同气体随温度变化趋势如图2所示。

由图2 可以看出，2＃煤层煤样在起始温度30℃时就产生CO，CO 的生成贯穿于整个升温氧化过程中，在低温氧化阶段CO 生成量较小，而后其生产量随着煤温的升高而上升，基本符合指数关系，当温度达到80℃时，CO 生成量稳定增加，此时认为煤已进入快速氧化阶段。当煤温达到160℃时生成了C2H4和H2，它们的出现表明煤已进入加速氧化阶段。当温度上升到240℃时，检测出C2H2出现，表明煤样此时已进入激烈氧化阶段。由于CO2及烷烃气体在原始煤体中有一部分以吸附形式存在，本次试验在30℃检测出CO2、CH4和C2H6，之后温度升高它们也稳定存在，不能确定它们是煤样自身赋存或是氧化生成，故它们不能用来进行煤自然发火预测预报。

通过研究虎峰煤业2＃煤层煤样不同温度下氧化气体产物的生成变化规律，并结合煤自燃标志气体优选原则，确定了虎峰煤业2＃煤层煤自然发火标志气体应以CO 为主，辅以H2、C2H4和C2H2进行预测预报。当井下检测到CO 气体，说明此时煤已发生低温氧化，此时应加强观测其变化趋势，当CO 气体呈稳定增加趋势，煤体温度达到80℃，说明此时煤已进入快速氧化阶段，应发出预警，采取相应的防治措施；在出现高浓度的CO 前提下，检测到H2或C2H4，表明煤的氧化已确实进入加速氧化阶段，此时煤温超过160℃，应及时作出煤已自然发火的预报，必须落实切实有效地治理措施，防治灾害发生进一步扩大；而一旦井下检测到C2H2，表明煤的氧化已进入激烈氧化阶段，此时煤温已超过240℃，并可能引发明火，此时制定和采取防灭火措施时一定要谨慎，防止引燃引爆瓦斯、煤尘等使事故扩大。