孤岛面遗煤氧化自燃特性以及“滞后”效应研究

孙 超，李 瑞，姜 维，闫旭斌，刘文永

(1.鄂尔多斯市华兴能源有限责任公司唐家会煤矿，内蒙古 鄂尔多斯 017000；2.准格尔旗煤炭局，内蒙古 鄂尔多斯 017000；3.西安天河矿业科技有限责任公司，陕西 西安 710065；4.西安科技大学安全科学与工程学院，陕西 西安 710054；5.陕西省煤火灾害防治重点实验室，陕西 西安 710054)

0 引言

孤岛工作面的开采过程中存在着地压增大、漏风通道复杂、采空区遗煤自燃、煤柱易破碎氧化等特点，严重威胁着矿井的安全生产。因而研究孤岛面遗煤的自燃特性，对于防治孤岛面煤体初次、二次自燃灾害具有指导意义。

许多的学者对煤炭二次氧化自燃过程使用不同方法进行了研究，邓军[1]使用程序升温实验、物理吸附法和红外光谱对侏罗纪煤的初次、二次氧化过程进行研究，发现二次氧化过程煤分子含氧官能团显著增多，自燃危险性增加；文虎，王萌[2-5]通过程序升温实验研究了煤二次氧化的自燃特征气体产生浓度及耗氧速率的变化规律；戴广龙[6]使用自制氧化装置，研究了褐煤、烟煤和无烟煤的低温氧化实验过程，揭示了气体浓度与温度的变化特征；马砺和邓军[7-8]研究了不同阻化剂对遗煤初次和二次氧化自燃特性的影响，并对阻化剂的效果进行优选；邓军、王凯[9]对复杂条件下孤岛综放面煤自燃的防治技术进行了研究，并对实施效果进行了分析，张玉涛[10]基于突变理论对煤自燃升温和降温过程中非对称现象的原因进行了阐释，并使用程序升温和绝热氧化实验进行了验证；金永飞[11]使用大型煤低温自然发火实验台对煤样初次升温、降温过程进行模拟，分析了指标气体、温度的辩护规律。目前的研究方向主要是对煤初次以及二次自燃过程中升温阶段的氧化自燃特性进行测试，而对氧化升温过后降温过程中自燃特性研究较少，并且对孤岛工作面这种特殊条件下遗煤自燃的升温、降温过程的自燃特性涉及更少。因此，基于孤岛工作面这一特殊条件下，对孤岛面遗留的原煤和浸水煤的初次、二次氧化升降温过程整个的自燃过程进行程序升温实验测试，研究孤岛面遗煤自燃特性以期为孤岛面自燃火灾的预防提供理论基础。

1 实验装置及过程

1.1 实验装置

实验采用西安科技大学自主研发的公斤级程序升温实验装置[12]，该装置主要包含程序升温箱、气路和气样采集分析3部分，如图1所示，将制备好的煤样装入一个直径10 cm，长22 cm的钢罐中，上下两端分别留有2 cm左右自由空间，并放置在程序升温箱中，使用可控硅控制的程序升温箱内部和煤样温度温差始终保持10 ℃，同时送入预热空气流量为120 mL/min，按照设定温度采集气体并使用气相色谱仪分析并记录。

图1 公斤级程序升温实验装置

1.2 实验过程

实验选用唐家会煤矿61102孤岛工作面新鲜块状煤样，使用编织袋密封包裹运送至实验室，并将原煤样在空气中破碎并筛分出粒度为：0～0.9 mm、0.9～3 mm、3～5 mm、5～7 mm和7～10 mm的5种粒径，各粒径取200 g共1 000 g均匀混合配比成混样，共制备2份煤样，其中一份不作任何处理，另一份煤样浸水24 h，之后在空气中阴干48 h保存待用；程序升温箱中进行原煤和浸水煤初次-二次氧化的升温、降温实验。

初次-二次氧化升温：升温速率0.3 ℃/min，空气气体流量120 mL/min，升温温度范围：30～170 ℃，温度每升高5 ℃取一次气体，并使用色谱进行分析。

初次-二次氧化降温：降温速率0.3 ℃/min，空气气体流量120 mL/min，降温温度范围：170～30 ℃，温度每降低5 ℃取一次气体，并使用色谱进行分析。

实验条件：煤样的工业分析和实验条件见表1和表2。

表1 原煤和浸水煤工业分析

2 实验结果及分析

2.1 煤自燃过程CO、CO2的变化规律

图2～图3表示原煤和浸水煤初次-二次氧化升温—降温过程CO气体的变化规律，从中可以看出，原煤和浸水煤初次-二次氧化升温—降温的整个过程中伴随着煤温度的升高，煤样生成的CO浓度也越来越大，在临界温度之前升温和降温过程中CO浓度基本相似，之后随着温度的升高降温过程CO浓度远大于升温过程，说明原煤和浸水煤初次-二次氧化升温和降温过程呈现“非对称”的状态，存在一定的“滞后”现象，即相同实验载气情况下，升温过程相比于降温过程中生成相同的CO浓度时温度发生一定的“滞后”。

表2 程序升温实验条件

图2 原煤升温-降温CO浓度与温度关系

图3 浸水煤升温-降温CO浓度与温度关系

从图4～图5中可以看出，原煤和浸水煤的初次-二次氧化升温过程，在临界温度之前，CO的浓度基本相似，之后初次氧化升温过程浸水煤的CO浓度比原煤的CO浓度较低，而二次氧化升温过程原煤和浸水煤曲线在120～140 ℃之间出现交叉点，交叉点温度之前两者产生的CO浓度基本相似，交叉点温度之后浸水煤的CO浓度要大于原煤的CO浓度；而原煤和浸水煤的降温过程在临界温度之前和升温过程相似，临界温度之后初次氧化降温过程浸水煤和原煤CO浓度随温度升高变化值基本一致，二次氧化降温过程中浸水煤的CO浓度值要大于原煤产生的CO浓度，说明浸水煤二次氧化的自燃危险性比原煤的要大，煤体浸水之后孔隙变大，更有利于与氧气结合发生氧化，自燃性显著增加，需要加强监测和重点预防。

图4 原煤和浸水煤升温CO浓度与温度关系

图5 原煤和浸水煤降温CO浓度与温度关系

图6 原煤升温-降温CO2浓度与温度关系

图7 浸水煤升温-降温CO2浓度与温度关系

图8 原煤和浸水煤升温CO2浓度与温度关系

图9 原煤和浸水煤降温CO2浓度与温度关系

图6～图9表示原煤和浸水煤初次-二次氧化升温-降温过程CO2气体的变化规律，从中可以看出，原煤初次-二次氧化升温-降温的整个过程中伴随着煤温度的升高，煤样生成的CO2浓度也越来越大，且整个降温过程CO2浓度比升温过程要大，而浸水煤的初次-二次氧化升温-降温过程中出现交叉点，且二次氧化出现2个交叉点，对于浸水煤初次氧化交叉点温度120～140 ℃之前，氧化升温过程CO2浓度要大于降温过程CO2浓度，之后降温过程CO2浓度大于升温过程，说明高温阶段产生相同浓度CO2的升温过程相比降温过程出现明显的“滞后”现象，对于浸水煤二次氧化过程临界温度之前CO2浓度基本相似，临界温度至第一个交叉温度点120～140 ℃之间，降温过程的CO2浓度要大于氧化升温过程，之后到第二个交叉温度点150～160 ℃之前，氧化升温过程CO2浓度稍大于降温过程产生的CO2浓度，之后反之，说明浸水煤的二次氧化升温降温过程也存在“滞后”现象。

2.2 煤自燃的耗氧速率分析

耗氧速率是衡量煤体氧化性的指标，能够反应煤体对氧的化学吸附和化学反应能力，依据煤样进出口氧浓度差，测算煤样总的耗氧速率随煤温的变化规律，计算公式如下[13-15]：

(1)

式中：Ci、Ci+1—指试验煤样进口、出气口处的氧浓度；C0—初始氧气浓度，则取C0=21%；L—试验煤样高度，cm；Q—煤样供风量，Q=120 mL/min；S—煤样罐截面积，cm2。根据气相色谱仪测得煤样罐入口和出口的氧浓度，代入公式(1)可得出耗氧速率随煤温的变化规律，如图10～图13所示。

图10 原煤升温-降温耗氧速度与温度关系曲线

图11 浸水煤升温-降温耗氧速度与温度关系曲线

图12 原煤和浸水煤耗氧速度与温度关系曲线

图13 原煤和浸水煤耗氧速度与温度关系曲线

从图10～图13中可以看出，原煤和浸水煤的初次氧化升温降温过程均存在交叉温度点，在临界温度之前耗氧速率基本相似，临界温度至交叉点温度间，初次氧化降温过程耗氧速率要大于升温过程，之后相反；原煤二次氧化过程整体上要比初次氧化过程耗氧速率要大一些，表明二次氧化降温过程的“滞后”现象比较明显，氧化升温过程在100 ℃之前耗氧速率相似，之后耗氧速率要大一些，而降温过程超过临界温度之后二次氧化耗氧速率要比初次氧化大很多，说明二次氧化过程反应速度更快，自燃危险性增大；原煤和浸水煤氧化升温过程在100 ℃之前，耗氧速率基本相似，之后浸水煤的初次和二次氧化升温过程耗氧速率比原煤的耗氧速率要大，表明初次氧化之后，煤体中的含氧官能团的数量和种类增多，二次氧化过程反应过程耗氧量增多，反应加快，同时自燃危险性也增大，而浸水煤的初次和二次氧化降温过程耗氧速率均比原煤的耗氧速率要大。

3 结论

(1)原煤和浸水煤初次-二次氧化升温和降温过程CO、CO2气体浓度曲线呈现“非对称性”，降温过程比升温过程的气体含量相对较大，升温过程相比于降温过程中生成相同的气体浓度时温度发生一定的“滞后”。

(2)原煤和浸水煤经过初次氧化之后，二次氧化过程耗氧速率增大，反应更加剧烈，自燃危险性增大，导致孤岛工作面采空区遗煤更易自燃，需要重点防治。

(3)原煤浸水之后孔隙变大，更有利于与氧气结合发生氧化，自燃性显著增加，需要加强监测和重点预防。