准东大井矿区主采煤层自燃氧化特性试验研究

曾 强，李根生，金士魁，蒲 燕，娄 芳

(1. 新疆大学干旱生态环境研究所，新疆 乌鲁木齐 830046；2. 新疆大学资源与环境科学学院，新疆 乌鲁木齐 830046；3.新疆自治区煤炭科学研究所，新疆 乌鲁木齐 830091)

准东大井矿区主采煤层自燃氧化特性试验研究

曾 强1,2，李根生1,2，金士魁3，蒲 燕1,2，娄 芳3

(1. 新疆大学干旱生态环境研究所，新疆 乌鲁木齐 830046；2. 新疆大学资源与环境科学学院，新疆 乌鲁木齐 830046；3.新疆自治区煤炭科学研究所，新疆 乌鲁木齐 830091)

采用程序升温氧化试验装置对准东大井矿区主采Bm煤层进行了氧化特性试验。研究了其不同粒径煤样自燃临界温度TC、CO初始温度、格雷哈姆指数及CO、O2随温度的变化和其它CnHm气体初始温度。试验表明：在该试验条件下，CO初始温度随煤样粒径的减小而增加，平均CO初始温度为66.37℃；随煤样粒径减小，临界温度有所增加，平均临界温度为154.73℃；Ta-TCO段平均耗氧速率为0.2454mL/min·℃-1，TCO-Tb段平均耗氧速率为4.0049 mL/min·℃-1；随氧化进程继续(即TCO-Tb段)，80～100目粒径煤样温度耗氧速率高于120～140目、160～180目粒径煤样耗氧速率，表明该阶段其反应活性大于其他粒径实验煤样反应活性；70～100℃范围内实验煤样R3较R1、R2表征作用更明显；根据氧化特性实验数据，可将CO、温度、O2浓度、格雷哈姆指数R3及C2H4、C2H6、C3H8作为矿井防灭火监测指标指导采场煤自燃火灾防治。

准东矿区；自燃氧化特性；临界温度；耗氧速率

新疆地区煤炭资源丰富，主要分布在准噶尔、塔里木、伊犁、吐哈、三塘湖等盆地周缘。在准噶尔盆地周缘分布有准南煤田、准北煤田和准东煤田；在塔里木盆地周缘分布有塔北煤田、塔西煤田和塔东预测区；在吐哈盆地分布有托克逊矿区、鄯善矿区、大南湖煤田；在伊犁盆地分布有伊北煤田和伊南煤田；在三塘湖盆地分布有三塘湖煤田。其中准东煤田东西长约226km，南北宽约126km，矿区面积约28476km2，单一开采煤层厚达90m，预测煤炭资源储量4580亿t，已探明煤炭资源储量1052亿t[1]，属罕见的千亿吨级煤田。受区域气候干燥、煤层埋藏浅、煤易自燃及回采率低等因素影响，新疆地区煤自燃现象十分严重。准东大井矿区主采煤层为中侏罗统西山窑组B组煤层，煤层厚度69.44～83.49m，为单一巨厚煤层。矿区采场煤自燃是威胁矿井安全生产的主要因素，有必要开展其自燃氧化特性研究。针对煤自燃氧化特性，国内外学者开展了大量研究：徐精彩、邓军等[2-6]采用大型煤自燃模拟实验装置开展自然升温条件下煤自燃氧化特性研究；王德明等[7]采用FTIR方法，研究了化学阻燃剂对煤自燃氧化进程的影响；余明高等[8-10]采用程序升温氧化实验装置开展程序升温条件下煤自燃氧化特性研究；陆伟等[11]采用绝热氧化试验装置研究了煤的自燃倾向性；D.S. Nimaje等[12]研究了印度不同煤田煤样自燃倾向性与煤质、自燃敏感指标的关联性；Juwei Zhang等[13]基于煤低温氧化动力学参数实验数据，模拟研究了煤堆高度、风速等对储煤堆自燃的影响；Claudio Avila等[14]通过分析不同煤样氧化前后岩相特征变化研究了煤样自燃倾向性；V. Zubícek等[15]采用改进的绝热氧化实验方法研究了捷克Ostrava-Karvina煤田36个煤样的自燃氧化特性。上述研究成果已广泛应用于生产实践。

本文以准东大井矿区主采Bm煤层为研究对象，尝试采用程序升温氧化实验研究其自燃氧化特性，以期为该矿区煤炭开采采场煤自燃火灾防治提供一定依据。

1 实验方法

如图1所示，程序升温氧化实验系统由气路系统、程序升温控制系统、温度记录系统、绝热升温氧化炉和气相色谱分析仪及附属装置组成。

图1 实验装置示意图

2 实验过程

将现场采集封装的新鲜煤样分别编号，在常温下进行破碎筛分至粒度为80～100目、120～140目、160～180目，密封保存。

取实验煤样100g封装入绝热升温氧化炉内的煤样罐中，接通气路系统，向煤样罐中通入流量80L/min的干空气，同时开启绝热升温试验炉程序升温控制开关。程序升温控制范围为室温～500℃。升温控制常规设置为：室温～50℃，15min；50～75℃，75～100℃，各15min，升温速率1.67℃/min；100℃以上，每15℃为一档，升温时间15min，升温速率1℃/min。当绝热升温氧化炉温度每升到一档程序设定温度值时，保持时间5min，用于取气样，同时温度巡检系统记录炉腔和煤样罐中煤样的温度。用气相色谱分析仪对相应温度气样进行成分和浓度分析，主要分析O2、CO、CnHm等标志性气体。当煤样温度≥炉腔温度(即临界温度)时结束试验。分别对不同粒度实验煤样重复上述过程。

3 实验结果与分析

3.1 实验结果

经实验分析，大井矿区主采煤层为不黏煤，其主要煤质指标见表1。

采用程序升温绝热氧化实验系统主要测试了不同粒径煤样的临界温度、煤样低温氧化阶段O2浓度、CO浓度及CnHm气体浓度随煤样反应温度升高的变化情况。根据试验数据来判定不同粒径煤样自燃发火的相对难易程度，同时根据这些特征参数，预测和判定采空区煤自燃氧化的程度。实验结果见表2。由表2数据绘制不同粒径试验煤样产生的CO及O2随温度的变化趋势，见图2、图3；表3表示了不同粒径试验煤样产生CO的初始温度、临界温度和试验过程的温度耗氧速率。

表1 准东大井矿区主采煤层煤质指标

表2 不同粒径煤样温度、气体组分实验数据

温度耗氧速率计算：温度耗氧速率反映单位时间煤体温度每升高1℃其煤氧反应的耗氧速率，一定程度可表征煤氧反应的强度，计算公式见式(1)。

(1)

式中：VO2为温度耗氧速率，单位mL/min·℃-1；T1、T2分别表征不同反应段的初温度与末温度，单位℃；[O2]1、[O2]2分别表征不同反应段对应初温度、末温度时单位时间供氧量，单位mL/min。不同粒径煤样反应初始-CO初始段、CO初始-临界温度段温度耗氧速率见表3。

3.2 分析

3.2.1 CO初始温度及浓度分析

表3试验结果显示，不同粒径实验煤样临界温度有所不同，随煤样粒径的减小，其CO初始温度有所降低：80～100目粒径煤样CO初始温度最高，为67.4℃；160～180目粒径煤样CO初始温度最低，为64.7℃。其表明该试验条件下，随煤样粒径降低，其煤氧初始反应易于进行，这与粒径降低，参与煤氧反应的表面积增加有关。

由图2，不同粒径煤样CO浓度随温度呈指数趋势增长，其中160～180目粒径煤样CO增长趋势较120～140目粒径、80～100目粒径煤样快。综合不同粒径煤样数据，平均CO初始温度为66.37℃。

图2 CO浓度随温度变化趋势

图3 O2浓度随温度变化趋势

表3 准东大井矿区主采煤层煤样程序升温氧化试验温度耗氧速率

指标煤样CO初始温度(℃)临界温度(℃)O2温度消耗速率(mL/min·℃-1)备注80～100目120～140目160～180目平均67．4067．0064．7066．37151．80154．90157．50154．73Ta⁃TCO段：0．0965；TCO⁃Tb段：4．3705Ta⁃TCO段：0．4291；TCO⁃Tb段：4．2993Ta⁃TCO段：0．2105；TCO⁃Tb段：3．4649Ta⁃TCO段：0．2454；TCO⁃Tb段：4．0049Ta：为室温；TCO：为CO起始温度；Tb：为临界温度前一取样测点温度。

3.2.2 临界温度与温度耗氧速率分析

表3试验结果显示，不同粒径实验煤样临界温度有所不同，随煤样粒径减小，临界温度有所增加。其中可以解释的原因是随着粒径减小，在本实验条件下，煤样反应表面积增加的同时，其散热表面积也有所增加，从而使其达到的临界温度值也有所增加。结合温度耗氧速率数值分析，80～100目煤样虽然CO初始温度最高，但其在后续煤氧反应进程TCO-Tb段温度耗氧速率最高，即煤氧反应强度较其他粒径强烈，也说明其煤氧反应放热强度较其他粒径煤样高，这也是其临界温度低的主要原因之一。综合不同粒径煤样数据，平均临界温度为154.73℃；Ta-TCO段平均耗氧速率为0.2454 mL/min·℃-1，TCO-Tb段平均耗氧速率为4.0049mL/min·℃-1。

3.2.3 O2浓度分析

由图3可知，随试验温度的升高氧浓度逐渐降低，即参与煤氧反应的氧气数量增加。试验表明：120～140目粒径煤样Ta-TCO段温度耗氧速率最大，平均为0.4291mL/min·℃-1；160～180目粒径煤样次之，平均为0.2105mL/min·℃-1；80～100目粒径煤样最小，平均为0.0965mL/min·℃-1。表明120～140目粒径煤样低温段反应活性高于80～100目粒径、160～180目粒径煤样；随氧化进程继续(即TCO-Tb段)，80～100目粒径煤样温度耗氧速率平均为为4.3750mL/min·℃-1，高于120～140目粒径煤样的4.2993mL/min·℃-1和160～180目粒径煤样的3.4649mL/min·℃-1。表明该阶段80～100目粒径煤样的反应活性大于120～140目粒径煤样和160～180目粒径煤样。即氧化进程到达一定温度后，80～100目粒径煤样具有更强的氧化活性。

3.2.4 格雷哈姆指数分析

(2)

(3)

(4)

式中：R1、R2、R3分别为格雷哈姆第一、第二、第三火灾系数；ΔCO2为生成的CO2量；ΔCO为生成的CO量；ΔO2为消耗的O2量。R1、R2与R3计算结果见表4。由表4计算数据，绘制R1、R2与R3曲线，见图4。

表4 格雷哈姆指数计算表

图4 格雷哈姆系数曲线图

由表4、图4可知，70～100℃范围内实验煤样R3较R1、R2表征作用更明显，可作为煤自燃早期预测指标。

3.2.5 其他CnHm气体分析

本试验同时分析了测试煤样产生的CnHm气体组分。分析结果显示各煤层煤样在接近临界温度时可测得C2H4、C2H6、C3H8气体。该试验结果表明，若采场回风流中检测到该类组分气体，表明采空区遗煤已临近燃烧状态或已经燃烧。

4 结语

煤自燃是一个复杂的煤氧复合作用过程。各种内、外在因素，如煤的品级和煤岩组分、煤的粒度和表面积、煤的水分含量、煤的化学组分和矿物质及环境温、湿度条件等，对煤的自热氧化过程产生影响。本文通过程序升温氧化试验系统初次对准东煤田大井矿区主采巨厚煤层开展了氧化试验特性的研究。试验表明：在该试验条件下，CO初始温度随煤样粒径的减小而增加，CO初始温度最低为64.7℃，平均CO初始温度为66.37℃；随煤样粒径减小，临界温度有所增加；实验煤样平均临界温度为154.73℃；Ta-TCO段平均耗氧速率为0.2454mL/min·℃-1，TCO-Tb段平均耗氧速率为4.0049mL/min·℃-1；随氧化进程继续(即TCO-Tb段)，80～100目粒径煤样温度耗氧速率高于120～140目、160～180目粒径煤样耗氧速率，表明该阶段其反应活性大于其他粒径实验煤样反应活性；70～100℃范围内实验煤样R3较R1、R2表征作用更明显；根据氧化特性实验数据，可将CO、温度、O2浓度、格雷哈姆指数R3及C2H4、C2H6、C3H8作为矿井防灭火监测指标指导采场煤自燃火灾防治。

[1] 新疆煤田地质局. 新疆维吾尔自治区煤炭资源潜力评价[R]. 乌鲁木齐，2010.

[2] 徐精彩,文虎,郭兴明.应用自然发火实验研究煤的自燃倾向性指标[J].西安矿业学院学报, 1997,17(2):103-107.

[3] 徐精彩,张辛亥,文虎,等.煤氧复合过程及放热强度测算方法[J].中国矿业大学学报：自然科学版,2000, 29(3):253-257.

[4] 邓军,徐精彩,李莉,等.煤的粒度与耗氧速度关系的实验研究[J].西安交通大学学报, 1999,33(12):106-107.

[5] 邓军,徐精彩,李莉,等.不同氧气浓度煤样耗氧特性实验研究[J].湘潭矿业学院学报, 2001,16(2):12-14.

[6] 邓军,徐精彩,徐通莫,等.煤自燃性参数的测试与应用[J].燃料化学学报,2001,29(6): 553-556.

[7] Deming Wang, Guolan Dou, Xiaoxing Zhong, et al. An experimental approach to selecting chemical inhibitors to retard the spontaneous combustion of coal[J]. Fuel, 2014,117:218-223.

[8] 余明高,王清安,范维澄,等.煤与氧反应动力学数学模型及其求解[J].湘潭矿业学院学报, 2001,16(3):20-23.

[9] 余明高,郑艳敏,路长,等.煤自燃特性的热重-红外光谱实验研究[J].河南理工大学学报:自然科学版,2009,28(5):547-551.

[10] 余明高,郑艳敏,路长.贫烟煤氧化热解反应的动力学分析[J].火灾科学, 2009, 18(3):143-147.

[11] 陆伟,王德明,周福宝,等. 绝热氧化法研究煤的自燃特性[J].中国矿业大学学报:自然科学版, 2005, 34(2):213-217.

[12] Nimaje D S, Tripathy D P. Characterization of some Indian coals to assess their liability to spontaneous combustion[J]. Fuel, 2016,163 : 139-147.

[13] Juwei Zhang, Wonyoung Choi,Takamasa Ito, et al. Modelling and parametric investigations on spontaneous heating in coal pile[J]. Fuel, 2016,176:181-189.

[14] Claudio Avila, Tao Wu, Edward Lester, et al. Petrographic characterization of coals as a tool to detect spontaneous combustion potential[J]. Fuel, 2014,125:17-182.

[16] 王德明. 矿井火灾防治[M]. 北京：煤炭工业出版社, 2010.

Characteristics of oxidation and spontaneous combustion of the major mining coal seam in Dajing area of Easter Junggar coalfield

ZENG Qiang1,2, LI Gensheng1,2, JIN Shikui3, PU Yan1,2, LOU Fang3

(1. School of Resource and Environment Sciences, Xinjiang University, Urumqi 830046, China;2.Institute for Arid Ecology and Environment, Xinjiang University, Urumqi 830046, China; 3.Xinjiang Coal Research Institute, Urumqi 830091, China)

With the application of programmed temperature-rising coal oxidation experimental apparatus, the authors conducted experiments to study the oxidation process of the major mining coal seam of eastern Junggar coalfield with different particle sizes. Some special parameters, such as the critical spontaneous combustion temperature Tc, the initial temperature for producing the CO, the Graham indexes, the change of CO and O2with the increase of temperature, and other CnHmgases, were analyzed in the present paper. Results show that the initial temperature of CO increases with the reducing of particle sizes. The average initial CO temperature is about 66.37℃, and this phenomenon doesnt represent this sample has more intensity of reaction than that of others. It also shows that the critical temperature increases with the reducing of particle sizes, and the average critical temperature is about 154.73℃. At the stage of Ta-TCO, the average oxygen-consumption rate is about 0.2454 mL/min·℃-1, and at the stage of TCO-Tb, the rate is about 4.0049 mL/min·℃-1. With the progress of oxidation, the oxygen-consumption rate of 80～100mesh size sample is higher than that of 120～140mesh size and that of 160～180mesh size, which indicates that the 80～100mesh sample has much more reaction activities than that of both 120～140mesh and 160～180mesh sizes. At the range of 70～100℃, Graham index R3has much ability to indicate the coal spontaneous combustion than that of R1and R2, which can be used to predict the coal spontaneous combustion. From this research, it is probably to choose the CO concentration, the temperature, the O2concentration, the Graham index R3, the C2H4, the C2H6, and the C3H8to indicate the coal spontaneous combustion in coal mine.

eastern Junggar area; characteristics of oxidation and spontaneous combustion; critical temperature; oxygen consumption rate

2016-07-27

国家自然科学基金项目资助(编号：51374182)；国家自然科学基金项目资助(编号：51164032)；新疆自然科学基金项目资助(编号：2014211A051)；中国博士后科学基金项目资助(编号：2013M542411)

曾强(1969-)，男，湖南湘乡人，博士，教授级高工，E-mail:mkszq@263.net。

TD88

A

1004-4051(2017)01-0098-06