贫氧条件下煤自燃特性实验研究

张 群，李玉福，姚海飞，徐长富，郑忠亚，王海燕

(1.煤炭科学技术研究院有限公司 安全分院，北京 100013；2.煤炭资源高效开采与洁净利用国家重点实验室(煤炭科学研究总院)，



贫氧条件下煤自燃特性实验研究

张 群1，2，3，李玉福4，姚海飞1，2，3，徐长富1，2，3，郑忠亚1，2，3，王海燕1，2，3

(1.煤炭科学技术研究院有限公司 安全分院，北京 100013；2.煤炭资源高效开采与洁净利用国家重点实验室(煤炭科学研究总院)，

北京 100013；3.北京市煤矿安全工程技术研究中心，北京 100013；4.神华神东煤炭集团 上湾煤矿，内蒙古 鄂尔多斯 017209)

针对煤矿井下采空区等高自燃危险性区域内氧浓度通常较低的情况，选取上湾矿12号煤层煤样作为试验样品，分别开展了供氧浓度5%，8%，11%，14%，17%和21%条件下的程序升温实验，分析了CO，CO2和C2H4的生成规律，测算了不同供氧浓度条件下的自燃临界温度，探讨了自燃临界氧浓度。结果表明：随着供氧浓度的降低，相同煤温条件下氧化产物的生成量减小，C2H4首次出现的温度延迟；根据C2H4首次出现温度和自燃临界温度的变化规律判断上湾矿12号煤层的临界氧浓度为8%。研究结果对采空区自燃“三带”观测时氧浓度下限判定指标的选取和井下贫氧环境中煤自燃火灾的预测预报研究具有一定的指导意义。

贫氧；煤自燃；程序升温；临界温度；临界氧浓度

自燃火灾是制约我国煤矿安全生产的主要灾害之一[1]，严重威胁着井下的生命和财产安全。煤自燃始于缓慢氧化，历经加速氧化和剧烈氧化阶段，不断放热升温最后引起燃烧，煤和氧气这两个基本因素贯穿始终[2]。

多年来，国内外学者在煤自燃过程及其产物的产生规律等方面进行了深入研究。文虎等[3]应用自主研发的大型煤自然发火实验台进行了煤自燃全过程的实验模拟，掌握了煤自燃高温区域发生、发展及其动态演化过程；何启林[4]采用理论分析、实验研究和数值模拟相结合的方法对煤低温氧化特性和自燃过程进行了系统性的研究；谢振华等[5]通过程序升温实验研究了煤自燃特性,测定了粒度对煤样产生CO等气体浓度的影响；戴广龙[6-7]针对不同煤种煤样开展了低温氧化实验，研究了氧化产物与温度的对应关系；Nugroho等[8]对比研究了单一与混合煤种在低温氧化过程中的气体产物产生规律；仲晓星等[9]建立了利用CO产生量与温度的函数关系求解自燃临界温度的计算模型，提出了基于程序升温法测试自燃临界温度的方法；朱红青等[10]以绝热氧化和程序升温实验为基础，研究了多因素下煤低温氧化临界温度指标及其关联性。

以上研究都是在氧浓度为21%的条件下开展的，目前关于贫氧条件下煤自燃特性及其氧化产物产生规律还缺乏全面而深入的讨论。在煤矿井下采空区等高自燃危险性区域内氧浓度通常较低，通过开展上湾矿12号煤层煤样在贫氧条件下的程序升温实验，分析氧化产物的产生规律，计算自燃临界温度，判断临界氧浓度，对采空区、封闭火区、高冒区及高海拔地区煤矿等低氧浓度环境中煤自燃的防治具有一定的指导意义。

1 实验过程

1.1 实验设备

实验采用自主设计可精确控制供氧浓度的煤自然发火模拟系统，主要包括程序升温装置、气体分析装置和供气装置3部分，其结构如图1所示。

图1 煤自然发火模拟装置

程序升温炉内置石棉保温层，通过温度测控系统实现恒温、程序升温等功能；圆柱形煤样罐采用纯铜材质，导热良好；气源通过预热铜管进入煤样罐内与煤体发生反应；气相色谱仪可对常量及微量的O2，CO，CO2，CH4和C2H4等气体进行高精度分析；供气装置由高压氮气瓶和氧气瓶(纯度为99.999%)、稳压阀、质量流量控制器、三通以及管路等构成。与常规实验系统相比，采用2台高精度质量流量控制器，分别控制O2和N2的流量，再通过气体预混器充分混合，配置出不同O2含量的O2-N2混合气体，精度可以达到±0.35%F.S.(<35% F.S.)，±1.0% S.P.(≥35% F.S.)，响应迅速。

1.2 实验煤样

实验煤样取自上湾矿12号煤层12301工作面，主要煤质指标见表1。实验时将新鲜的大块煤样取芯粉碎，筛分出粒径为0～1mm，1～3mm，3～5mm，5～10mm的4种煤粒，配制质量比1∶1∶1∶1的混合煤样1000g。

表1 试验煤样主要煤质指标

1.3 实验过程

为了更加全面地研究贫氧条件下煤自燃特性，根据井下采空区自燃带内的实际氧浓度范围(5%～18%)[11-12]，采取均匀间隔的方法，分别配制氧气体积分数为5%，8%，11%，14%，17%的O2-N2混合气体作为气源。此外，进行空气(氧含量21%)为气源的实验作为对比。

将称量好的煤样缓慢装入煤样罐，放入程序升温炉内；在煤样罐和程序升温炉的几何中心分别布置一个温度传感器；连接好气路后检查整个装置的气密性；打开高压气瓶，将出口压力控制在0.4MPa，根据需要配置的氧浓度，用质量流量控制器按比例调节N2与O2的流量，然后经过气体预混器充分混合，待气流稳定后用气相色谱仪检测出口处氧浓度，达到要求后通入煤样罐中，启动程序升温实验。实验时以130 mL/min的流量向煤样罐内通入配制好的混合气体，升温速率设置为0.5℃/min。实验从室温20℃至180℃，每隔10℃在煤样罐出口用针管取一次气体，立即使用气相色谱仪对其进行分析。

2 实验结果分析

2.1 CO产生规律

CO是煤自燃过程中最重要的氧化气体产物。由图2可以看出，煤样在室温下即发生缓慢氧化反应生成CO，在煤温达到70℃之前，各供氧浓度条件下煤样CO的生成量相差不大,差值范围为(4.89～623)×10-6,说明在缓慢氧化阶段煤体对氧气的消耗量并不大；从煤温70℃起CO产生量开始逐渐拉开差距，同一煤温条件下，供氧浓度大的煤样CO产生量也较大，随着煤体氧化反应的不断加剧，耗氧量不断增大，这种现象在煤温达到150℃之后愈加明显，表现在CO生成量的差距也不断扩大，最大差值可达23093×10-6。

图2 不同氧浓度下CO产生量随煤温的变化规律

2.2 CO2产生规律

由图3可以看出，CO2产生量的变化规律与CO基本相同。在煤温达到70℃之前，各供氧浓度条件下煤样CO2的生成量相差不大，差值范围为(579～5693)×10-6；煤温70℃之后，CO2的产生量也逐渐开始拉开差距，同一煤温条件下，供氧浓度大的煤样CO2产生量也较大，随着煤样氧化反应的不断加剧，耗氧量不断增大，CO2产生量的差距也不断扩大，最大差值达到94930×10-6。

图3 不同氧浓度下CO2产生量随煤温的变化规律

2.3 C2H4产生规律

由图4可以看出，随着供氧浓度的减小，C2H4首次出现的温度表现出不同程度的延迟。供氧浓度从21%降至5%的过程中，C2H4首次出现的温度从80℃升高至120℃。供氧浓度在8%～21%的条件下，在煤温达到130℃之前，各供氧浓度条件下煤样C2H4的产生量相差不大，差值范围为(0.27～12.22)×10-6，当煤温超过130℃之后，C2H4产生量的差值逐渐扩大，最大差值可达91.85×10-6。同一煤温条件下，供氧浓度大的煤样C2H4产生量也较大，供氧浓度5%的C2H4产生量则明显低于其他供氧浓度。

图4 不同氧浓度下C2H4产生量随煤温的变化规律

2.4 自燃临界温度测算

自燃临界温度是煤从缓慢氧化过渡到快速氧化阶段的转折温度点[13]，同时也是煤自燃过程中氧化动力学参数发生突变的点[14-15]，其高低可以判断煤自燃发生发展的难易程度。

2.4.1 基于程序升温的煤自燃临界温度测算模型

煤体在自燃过程中与氧气反应生成CO等氧化产物。由阿伦尼乌斯方程和反应速率公式可得CO的产生速率为：

(1)

在煤氧化过程的模拟中，假设：反应过程中煤体质量不变[16]；反应过程中O2的初始反应浓度不变；风流仅沿煤样罐的轴向流动；煤样罐内温度均匀。基于以上假设，可得沿煤样罐纵轴向dx处煤样的CO标准生成速率为：

Sv(CO)dx=kvgdc

(2)

式中，S为煤样罐的底面积，m2；k为单位换算系数，22.4×109；vg为气体流速，m3/s；c为煤氧化过程中CO产生量，10-6。

将式(2)代入式(1)得：

(3)

对式(3)两端积分得：

(4)

式中，L为煤样罐的高度，m；Cout为煤样罐出口的CO浓度，10-6。

对式(4)两边取自然对数得：

(5)

由式(5)知，当气体流量一定时，lnCout与1/Ti是一条直线。通过计算拟合曲线斜率-E/R，可得煤氧化不同反应阶段的活化能E，活化能E发生突变的温度点即为煤自燃临界温度[17]。

2.4.2 测算结果

不同供氧浓度条件下煤样的lnCout与1/Ti函数变化关系如图5所示。

由图5可以看出，随着煤温的不断升高，lnCout与1/Ti拟合函数的斜率会在某点发生突变，突变点对应的温度即为自燃临界温度。

通过计算不同反应阶段的拟合曲线，选取相关系数(R2)最高的分段拟合方式判断突变点，得出供氧浓度5%，8%，11%，14%，17%和21%条件下煤样的表观活化能发生突变的1/Ti分别为0.002510，0.002714，0.002801，0.002819，0.002852，0.002877，对应的临界温度分别为125.4℃，95.5℃，84.0℃，81.8℃，77.6℃，74.5℃。

图5 不同供氧浓度下的lnCout与1/Ti函数变化关系

3 临界氧浓度判定

煤自燃临界氧浓度是指能够维持煤体自然发火的最低氧浓度值，是采空区自燃“三带”观测氧浓度判定的下限指标，通常由实验测定。我国煤层的自燃临界氧浓度一般在5%～10%之间[18-19]。

C2H4是煤自燃从缓慢氧化进入加速氧化阶段的标志性产物。图6是程序升温过程中C2H4首次出现的温度随供氧浓度的变化趋势。由图6可以看出，随着供氧浓度的减小，C2H4首次出现的温度整体呈现出不断延迟的趋势。供氧浓度从21%降至8%的过程中，C2H4首次出现的温度从80℃推迟至100℃，变化趋势平缓；当供氧浓度降至8%以下时，C2H4首次出现的温度骤然升高，供氧浓度5%时达到120℃，该现象表明当供氧浓度小于8%时，煤的加速氧化阶段已很难发生。

图6 C2H4首次出现温度随供氧浓度的变化规律

图7是煤自燃临界温度随供氧浓度的变化趋势。由图7可以看出，贫氧条件对煤自燃加速氧化阶段的发生发展起着抑制作用。煤自燃临界温度在供氧浓度由21%降至8%的过程中缓慢升高，从74.5℃上升至95.5℃，在13%的氧浓度间隔中升高了21℃；供氧浓度降至8%以下时曲线斜率发生突变，此后便迅速升高。结合上述C2H4首次出现的温度随供氧浓度的变化趋势，表明氧浓度8%是上湾矿12号煤层发生自燃的极限值，即临界氧浓度。

图7 煤自燃临界温度随供氧浓度的变化规律

4 结 论

(1)针对煤矿井下采空区、高冒区等高自燃危险区域内氧浓度通常低于井下大气中氧浓度的实际情况，设计并搭建了能够精确控制供氧浓度的煤自然发火模拟装置，开展了上湾矿12号煤层贫氧条件下煤自燃特性实验。

(2)分析不同供氧浓度条件下CO，CO2和C2H4产生规律得出，煤自燃缓慢氧化阶段对氧气的需求量不大，氧浓度高低造成的差异在煤样进入加速氧化阶段后开始凸显，表现在同一煤温条件下，供氧浓度大的煤样氧化产物的生成量也相对较大，随着反应的不断加剧，不同供氧浓度条件下的氧化产物生成量差距不断扩大。供氧浓度的降低造成C2H4首次出现温度的延迟，表明贫氧环境会抑制煤加速氧化阶段的进程。

(3)应用基于程序升温的煤自燃临界温度测算模型，分析煤样的自燃临界温度随供氧浓度的变化规律，结合C2H4首次出现温度随氧浓度的变化规律，综合判定上湾矿12号煤层的自燃临界氧浓度为8%，在上湾矿12号煤层工作面采空区自燃“三带”观测过程中，建议将氧浓度8%作为自燃带判定下限指标。

(4)根据井下具体区域的实际氧含量，开展贫氧条件下的程序升温实验研究煤自燃特性，能够更加准确地掌握煤自燃进程，有效避免预测预报延迟甚至误报的情况。

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[责任编辑：施红霞]

Self-igniting Experimental Studying of Coal under Oxygen-lean Condition

ZHANG Qun1,2,3,LI Yu-fu4，YAO Hai-fei1,2,3，XU Chang-fu1,2,3，ZHENG Zhong-ya1,2,3,WANG Hai-yan1,2,3

(1.Mine Safety Technology Branch of China Coal Research Institute，Beijing 100013，China; 2.State Key Laboratory of Coal Resource High Effective Mining & Clean Utilization (China Coal Research Institute)，Beijing 100013，China; 3.Beijing Coal Mine Safety Engineering Technology Research Center，Beijing 100013，China； 4.Shangwan Coal Mine，Shenhua Shendong Coal Group，Erdos 017209，China)

Oxygen concentration is low in some high self-igniting dangerous area like goaf area of coal mine，it taking coal sample of No.12 coal seam of Shangwan coal mine，temperature programming experiment was done under different oxygen concentration，such as 5%，8%，11%，14%，17% and 21%，the formation rule of CO，CO2and C2H4was analyzed，self-igniting critical temperature under different oxygen concentration was calculated，then self-igniting oxygen critical temperature was discussed.The results showed that oxidation products production decreased at the same coal temperature with oxygen concentration decreased,C2H4appeared temperature delay for the first time，the critical oxygen concentration was 8% for No.12 coal seam of Shangwan coal mine according the change law of the first temperature and self-igniting critical temperature of C2H4.The studying results could referenced for the oxygen concentration lower limit index selected of goaf self igniting ‘three zones’observation andcoal self igniting fire forecast under oxygen-lean in mine.

oxygen-lean；coal self-igniting;temperature programming;critical temperature；critical oxygen concentration

2016-03-28

10.13532/j.cnki.cn11-3677/td.2016.06.027

国家国际科技合作专项项目(2015DFR70900)；中国煤炭科工集团有限公司科技项目青年基金项目(2016QN002)；煤炭科学技术研究院科技发展基金项目(2014JC06)

张 群(1988-)，男，陕西咸阳人，助理工程师，从事矿井火灾防治理论与技术方面的研究。

张 群，李玉福，姚海飞，等.贫氧条件下煤自燃特性实验研究[J].煤矿开采，2016，21(6)：96-100.

TD75

A

1006-6225(2016)06-0096-05