采空区遗煤二次氧化特性分析及预防措施*

2018-03-01牛会永李石林

安全 2018年2期

朱豪牛会永李芳李石林

湖南科技大学资源环境与安全工程学院

采空区遗煤自燃因浮煤厚度、松散煤体的孔隙率、采空区的漏风强度、工作面的推进速度等因素的变化而变化，导致采空区遗煤的自燃过程变得更加复杂，危险性更大[1]。目前，对于遗煤二次氧化的研究主要有三个方面：遗煤二次氧化自燃特性的宏观实验研究、微观的实验分析研究、防灭火技术的研究。

1 宏观实验研究

宏观实验研究主要利用程序升温试验系统，把新鲜煤样破碎，筛选，混匀后，通过预氧化阶段，绝氧降温阶段，二次氧化阶段分组进行对比试验。研究比较二次氧化煤样和一次氧化煤样在自燃特性参数方面的不同。

1.1 气体浓度分析

邓军等通过程序升温系统对四种低变质程度煤样二次氧化自燃特性进行实验得出煤样二次氧化过程中释放的C2H4浓度低于一次氧化[2]。石芳研究了煤样在二次氧化过程中的CO气体产生率的变化规律，得出煤样在二次氧化低温阶段产生的CO比初次氧化的高[3]。文虎等通过对高硫煤的一次和二次氧化自燃特性的对比分析，发现高硫煤在二次氧化的低温阶段，煤样所产生的CO量比一次氧化多，当达到临界温度后，二次氧化的CO产生率较一次氧化有所下降[4]。王萌对比初次氧化和二次氧化煤样的特征气体产生浓度，发现在二次氧化的低温阶段，煤样的气体产生浓度和速率比初次氧化的高[5]。

原始煤样和二次氧化煤样在氧化过程中，CO浓度均随温度上升而增大，但在低温氧化初期，二次氧化煤样的释放的CO浓度高于初次氧化煤样，说明二次氧化煤样比原始煤样更容易发生氧化。

1.2 耗氧速率分析

煤自燃耗氧速率是反应煤的氧化特性强弱的特征参数。邓军等发现煤样经过一次氧化后，煤体的孔隙率会变大，与氧气接触的比表面积增大，使得煤样在二次氧化初期的耗氧速率大于一次氧化，由于一次氧化消耗了大量的活性官能团，所以二次氧化后期的耗氧速率低于一次氧化[2]。文虎等发现经过预氧化的煤样二次氧化时的耗氧速率增大，更容易自燃[6]。张辛亥等发现同一种煤样，二次氧化的耗氧速率在某一温度范围内与一次氧化对应的曲线有交叉点，前期二次氧化耗氧速率高于一次氧化，后期低于一次氧化耗氧速率[7]。

上述实验表明：二次氧化煤样的耗氧速率变化规律基本与一次氧化相同，随着温度的升高，煤分子发生一系列的物理化学反应，裂解时产生了大量的耗氧官能团和活性基因，耗氧量增大。

1.3 放热强度分析

煤的放热强度是指单位时间内总的放热量。煤样在一次氧化和二次氧化过程中，放热强度均随温度的升高而增大，达到一定温度后放热强度显著增大，进入快速氧化阶段。

文虎等发现高硫煤达到临界温度后，二次氧化过程中的放热强度较一次氧化有所下降[4]。张辛亥得出二次氧化煤样的放热强度在初期高于一次氧化煤样，但后期低于一次氧化煤样放热强度[7]。邓军发现二次氧化煤样在反应前期的最大和最小放热强度大于一次氧化，反应后期小于一次氧化[2]。

一次氧化破坏了煤体结构，煤质变得疏松，比表面积增大，导致二次氧化初期的放热强度大于一次氧化。由于一次氧化消耗了大量活性官能团，所以二次氧化后期的放热强度低于一次氧化。

1.4 特征温度点分析

文虎采用程序升温实验，对高硫煤的初次和二次氧化自燃特性参数进行对比分析。得出高硫煤在二次氧化的低温阶段，煤样所产生的CO量比初次氧化时多；当达到临界温度后，高硫煤在二次氧化中的耗氧速率、CO产生率、CO2产生率和放热强度均较初次氧化有所下降[4]。邓军等通过对4种低变质程度煤样实验，得出在一次氧化和二次氧化过程中，低变质程度煤样特征温度点均较低，且二次氧化煤样的自燃特征温度均低于一次氧化[2]。

2 微观实验分析

2.1 煤质分析和表面特性分析

煤是非均匀物质，其内部包含了很多孔隙结构，这些孔隙按照孔径的大小可以分为大孔（大于100nm）、中孔（10～100nm）、微孔（小于10nm）[8]。由下表可知，在一次氧化煤样中，中孔占大多数，大孔和微孔只占少数，在二次氧化煤样中，微孔占大多数。说明一次氧化破坏了原煤样的孔径结构，煤质变得疏松，空隙率增大，煤与氧气接触的面积增大，更容易发生氧化自燃。

表孔径分布表[9]

邓军等采用物理吸附分析法和红外线光谱实验法测试煤表面的微观特征，得出二次氧化煤样的C、H、N、S元素的含量均低于一次氧化煤样，O含量却高于一次氧化煤样[10]。董宪伟等通过实验得出煤微观孔隙结构与其自燃倾向性的关系：煤样的变质程度越高，其内部结构越致密、内生裂隙相对较少，发生氧化反应的温度也越高[11]。王彩萍发现不同变质程度煤微观结构的不同是影响低温氧化能力的主要因素[12]。

煤在氧化的过程中受到温度、压力等的影响，煤质逐渐发生变化，分子结构由于脱水、脱羧、脱氧和缩聚反应也会发生变化，使得二次氧化煤样的分子中的C、H、N、S减少，其宏观表现为CO、C2H4等气体浓度和产生率的减少。

2.2 官能团分析

煤分子在氧化过程中，其中的官能团不断与氧发生复合反应，使得官能团种类和数量发生变化。煤样的变质程度不同，煤分子的结构也会不同，分子内含有的官能团种类和数量也不相同。

邓军等通过对比分析一次氧化和二次氧化煤样在不同温度点的红外光谱图及煤分子内官能团的数量变化，得出了二次氧化煤分子结构中羟基、含氧官能团数量增加，芳香烃和脂肪烃数量减少[10]。程根银等发现侏罗纪煤样在低温氧化过程中，羟基和脂肪烃影响较大，含氧官能团影响较小芳香烃无明显影响[13]。张嬿妮得出煤分子中的烷基脂肪族和含氧官能团均具有较高的活性，是导致煤自燃的主要物质[8]。

3 防灭火技术研究

采空区的遗煤经过二次氧化，其自燃危险性更大，目前，遗煤自燃防治普遍采用的方法有灌浆、注胶、注氮、喷洒阻化剂等。许多学者对遗煤自然发火防治做了大量的研究。

王同合提出人工监测与竖管监测手段和均压防灭火与胶体防灭火相结合的防火措施，有效的提高复采工作面的安全性和回采率[14]。张辛亥等发现煤样的预氧化程度越高，越容易发生自然发火[15]。陈晓坤采用井下灌注CO2和灌浆注胶技术，有效的控制了复采工作面的自燃[16]。马砺选用四种阻化剂对原煤样和初次氧化煤样分别进行处理，得出阻化剂对初次氧化煤样的阻化率影响较大，对二次氧化煤样耗氧速率影响较大，对两种煤样的自燃临界温度具有较大提高[17]。邓军得出对于初次和二次氧化的采空区遗煤，在30～103℃时，阻化剂能起到阻化作用，在103～140℃，阻化剂起到促燃作用[18]。

遗煤自燃防治的方法虽然已经比较成熟，但是，由于开采条件的复杂多样性，在很多情况下很难选择一种有针对性的方法。除了需要在防治技术和灭火材料上创新外，提升遗煤防治的总体适用性，也显得尤为重要。