风化煤自燃极限参数研究

2018-06-12李银艳

山西煤炭 2018年3期

李银艳, 宋　申

(1.吕梁学院矿业工程系,山西吕梁 033000;2.太原理工大学矿业工程学院,太原 030024)

在矿井实际生产过程中,广泛存在浅埋煤层风化煤开采老空区遗煤复采等现象,这些煤经历了预氧化过程,自燃特性已发生改变[1],煤自燃的发生和发展是一个极其复杂的动态物理化学变化过程。目前,许多学者展开了关于煤自燃极限参数的研究。徐精彩[2]基于热平衡法推导出煤自燃极限参数最小浮煤厚度、下限氧浓度、上限漏风强度;邓军[3]研究了水浸煤体自燃极限参数;张辛亥[4]研究了遗煤二次氧化过程中自燃极限参数变化规律。但关于风化煤自燃极限参数的研究相对较少。因此,笔者采用程序升温试验系统试验测试风化煤氧化自燃特征参数,测定产生的气体浓度，计算CO、CO2生成速率,放热强度,进而计算最小浮煤厚度、下限氧浓度、上限漏风强度,研究风化煤氧化自燃过程中自燃极限参数的变化规律,对露天矿井和浅埋煤层开采过程中风化煤自燃的防治和预防有一定的指导意义,为风化煤自燃的预测预报与防治奠定了基础。

1　实验

1.1　实验煤样

实验选择西山焦煤,现场取刚开采的新鲜煤样,装在真空袋内,运至实验室。煤样的工业分析如表1所示。

表1　煤样的工业分析Table 1　Industrial analysis of coal samples

1.2　实验装置

程序升温实验装置和GC-950N型气相色谱仪。

1.3　实验过程

实验前先剥去煤样表面氧化层,然后对其进行破碎并筛分出不同粒径:0.18 mm～1.00 mm、1.00 mm～2.00 mm、2.00 mm～3.35 mm、3.35 mm～4.00 mm、4.00 mm～4.75 mm共5种粒径的煤样,各粒径取200 g,制成混合煤样1 000 g作为实验煤样。

实验时,通过恒温箱调节煤温使其保持恒定,实验风量先通过预热再通入仪器,设置流量为60 mL/min。实验步骤为:先通过恒温箱调节煤温为30℃,风量通过预热系统预热并调节为60 mL/min,通入风量稳定15 min以后,进行取气,为了减少误差,共取气三次;再分别调节煤温为40℃、50℃、60℃、70℃并保持恒定,然后根据上述步骤的方法再进行实验。实验所取气体通过GC-950型气相色谱仪进行测定。

2　实验结果分析

2.1　放热强度

根据实验过程中计算的煤在不同风量、温度条件下的耗氧速率和CO、CO2产生率,可得出煤体的放热强度q(T),计算公式[5]:

q(T)=ΔHX·[VO2(T)-VCO(T)-VCO2(T)]+

ΔHCO·VCO(T)+ΔHCO2·VCO2(T) .

(1)

式中:ΔHX为煤氧化反应的化学吸附热,为53.2 kJ/mol;VO2(T)、VCO(T)、VCO2(T)分别为耗氧速率和CO、CO2产生率，mol/(cm3·s);ΔHCO、ΔHCO2分别为煤氧复合生成1 mol的CO、CO2放出的平均反应热,ΔHCO=308.5 kJ/mol,ΔHCO2=448.9 kJ/mol。

通过计算,得到煤样放热强度变化曲线,见图1。

2.2　实验结果分析

由图1可知,在不同风量条件下,煤样的放热强度都随煤温的增加而增加,并且呈指数增长趋势。在煤温为50 ℃之前,煤样的放热强度随煤温的增长变化缓慢,在50 ℃之后,煤样的放热强度随煤温的变化急剧增加。并且风化煤的放热强度大于原煤,这是由于风化煤经过预氧化,比表面积有所增大,部分桥键及侧键断裂,化学反应活性位点减少,形成的小分子更容易与氧发生反应[6]。