煤破碎过程中CO产生量变化规律实验研究

杜 楠

（山西凌志达煤业有限公司，山西 长治 046606）

1 实验研究方案

CO是煤矿井下的有毒有害气体，对井下煤炭开采与产生CO之间关系进行研究，可为合理通风提供理论依据。

本次实验研究主要包括两方面内容：一是分别在氮气和空气全封闭式煤样粉碎测试装置中将煤样粉碎成不同粒径的样品，然后抽取测试装置中的气体进行定量分析；二是测定不同粒径的煤样的比表面积，分析煤样比表面积与CO产生量之间的关系，结合气相色谱仪定量分析数据，反演井下现场煤炭开采破碎过程当中，空气同破碎煤体接触之后，通过快速氧化作用引起CO产生量快速增大的变化情况。

2 氮气环境下煤比表面积对CO产生量影响

实验的主要目的是研究在氮气、空气环境下，CO生成量随着采集的新鲜煤样破碎过程的变化情况，煤样的比表面积变化同CO产生量之间的关系。

2.1 实验仪器

（1）煤科集团沈阳研究院有限公司研制的全封闭式煤样粉碎测试装置；

（2）美国Inficon公的MicroGC3000气相色谱仪；

（3）北京金埃谱公司V-Sorb2800P型比面积/孔径测量仪。

2.2 煤样选取

采集凌志达矿15号煤新鲜大块煤样，用保鲜膜将其密封后送实验室； 将全封闭式煤样粉碎测试装置中注满氮气，煤样放入该装置中，再通过安装于其中的砂轮机，从煤样中心位置截取正方体形状的煤样实验品，并称取其重量，选取煤样25 g，随后将实验煤样放入液氮中冷却10 min，然后将煤样从液氮中取出，放入全封闭式煤样粉碎装置中开始实验。

2.3 实验过程

首先，将加工好的实验煤样放入充满氮气的全封闭式煤样粉碎装置中放置5 min，然后采集装置中的气体，用气相色谱仪对气体进行定量测定，记录CO的浓度，再启动全封闭式煤样粉碎装置，并将粉碎时间设定为1 min。煤样被粉碎1 min之后，装置自动停止。采集装置中的气体，用气相色谱仪对气体进行定量测定，记录CO的浓度。然后将粉碎后的煤样取出，测量该煤样的比表面积。而后把粉碎煤样从器皿内倒出，并将器皿洗净准备下一组煤样实验。

同样，将煤样粉碎时间分别设定为3 min、5 min和7 min，重复以上实验操作步骤，并分别分析CO浓度及其实验煤样的比表面积。

此外在实验时，在粉碎实验煤样大于7 min时，其比表面积增大幅度较小，此时实验煤样出现高温发热现象，对实验数据的精确度影响较大，因此本次实验将实验煤样的最大粉碎时间设定为7 min。

2.4 实验数据

氮气环境下煤样粉碎前后比表面积及CO浓度数据变化见表1。

表1 氮气环境下煤样粉碎前后比表面积及CO浓度数据

对表1进行分析，粉碎实验煤样之前，其比表面积都为2.29×10-5m2/g附近，其CO浓度均为0；粉碎实验煤样之后，在1 min、3 min、5 min和7 min四种不同的粉碎时间之下，其比表面积的增幅约为8.5×103倍、8.6×104倍、1.26×105倍和1.33×105倍；CO浓度分别为2 ppm、3 ppm、3 ppm和3 ppm，其绝对增长量均不大。

3 有氧环境煤比表面积对CO产生量影响

实验的主要目的是研究在空气环境下，CO生成量随着采集的新鲜煤样破碎过程的变化情况，和此条件下煤样的比表面积同CO产生量之间的变化关系。借此反演井下现场煤炭开采破碎过程当中，空气同破碎煤体接触之后，通过快速氧化作用引起CO产生量快速增大的变化情况。

2.1 实验仪器

实验仪器与氮气环境下实验仪器相同。

2.2 煤样选取

煤样选取与氮气环境下煤样选取相同。

2.3 实验过程

实验过程与氮气环境下实验过程相似，不同的是全封闭式煤样粉碎装置中充满的气体换为空气，其余过程全部相同。

2.4 实验数据

空气环境下煤样粉碎前后比表面积及CO浓度数据见表2。

表2 空气环境下煤样粉碎前后比表面积及CO浓度数据

对表2进行分析，粉碎实验煤样之前，其比表面积都为2.29×10-5m2/g附近，各组CO浓度分别为1 ppm、2 ppm、2 ppm、1 ppm和1 ppm；粉碎实验煤样之后，在1 min、3 min、5 min和7 min四种不同的粉碎时间之下，其比表面积的增幅约为8.6×103倍、8.7×104倍、1.34×105倍和1.36×105倍，并且其CO生成量也有大幅度地增加。

4 两种气体环境下实验结果分析

图1到图3为氮气和空气两个环境下煤样粉碎时间、CO产生量、煤样比表面积三者之间的关系。

图1 煤样粉碎时间与CO产生量曲线

图2 煤样粉碎时间与煤样比表面积曲线

从图1到图3可以看出，在氮气环境下粉碎实验煤样后，CO的生成量很小。其原因为此环境下的实验煤样在粉碎时没有高温产生，较低浓度的CO生成一定程度上是由于吸附于实验煤样的CO气体在实验煤体破碎时被释放出来，抑或是由于吸附于实验煤体的O2在实验煤体破碎时同其某些官能团具有氧化反应而产生的。从图3中可以看出，随着煤样比表面积的增加，尽管CO的产生量有一定量的增长，然而其总量保持在很低的水平。综上所述，氮气环境下，煤样破碎后其比表面积的增大对CO浓度异常增大的作用是微乎其微的。

图3 煤样比表面积与CO产生量曲线

在空气环境下，对比实验煤样粉碎前后CO产生量的情况，其CO浓度增幅均很大。实验煤体的比表面积逐渐增大，其CO浓度也有随之增大的规律。其原因为此环境下的实验煤样在粉碎时比表面积增大，同空气中的氧气接触后发生快速氧化，其CO产生量也随之大幅增加。综上所述，空气环境下，煤样破碎后其比表面积的增大同CO浓度异常增大之间具有联系。

5 实验数据拟合

利用Matlab软件对图3中空气环境下煤样比表面积与CO产生量曲线进行拟合，得到了拟合公式和拟合曲线，见图4。

图4 空气环境下煤样比表面积与CO产生量拟合曲线

从图4中可以看出，实验煤样比表面积同CO浓度之间的变化关系可以拟合为二次抛物线。并且在起始范围内，煤的比表面积的增长速率大于CO产生量的增长速率，而后尽管实验煤体破碎后的比表面积继续增大，但其CO浓度增大幅度较小并保持在一定的稳定范围内。

由此可以得出CO产生量与煤比表面积的推导公式：

式中：a、b、c均为非负常数；Y为CO浓度，ppm；X为煤样比表面积，m2/g。

对于本次试验煤样，得出煤层CO产生量与煤比表面积的推导公式为：

其相关性系数R=0.980 3。通过公式（2）能够对在井下现场开采时，开采后煤体的破碎程度引起CO浓度异常增大的影响程度进行预评估。

6 结语

1）在氮气环境下，煤样破碎后其比表面积的增大对CO浓度异常增大的作用是微乎其微的。

2）在空气环境下，实验煤样在粉碎时比表面积增大，同空气中的氧气接触后发生快速氧化，其CO产生量也随之大幅增加。实验煤样比表面积同CO浓度之间的变化关系可以拟合为二次抛物线。

由于实验条件所限，实验过程中没有测定煤样在粉碎时温度变化情况以及对CO产生量的影响，有待于今后进一步研究。