优选煤自燃预测定量指标研究

2022-01-07朱令起

河北能源职业技术学院学报 2021年4期

李颖，朱令起

（1.华北理工大学，河北唐山 063210；2.河北能源职业技术学院，河北唐山 063004；3.河北省矿业开发与安全技术重点实验室，河北唐山 063210）

前言

煤炭资源作为我国的主要能源之一，对我国的经济发展起着重要的作用，而随着浅部煤炭资源逐渐减少，地下开采的深度越来越大，由于煤层赋存状态和成因复杂、通风安全和遗煤问题突出，煤自然发火事故频繁发生且难以预测，给矿山的安全生产和人员的生命安全造成巨大威胁。

目前，世界上各国煤矿采用的煤自然发火指标气体主要有 CO、CO2、CH4、C2H2、C2H4等等，而不同的煤矿因煤变质程度，煤岩特性、以及煤的粒度、孔隙度等因素导致煤的活性不同，煤炭氧化反应过程中生成指标气体的体积分数、临界温度和随煤体温度的变化规律也不同，本文选取开滦6家煤矿实验煤样进行实验，优选煤自燃定量指标，分析其与煤温的变化关系，对准确预测煤自燃发火有着重要作用。

1 试验系统与流程

（1）试验系统

实验系统是由煤升温氧化系统、气体进样和分析系统、数据处理系统等部分组成。

（2）试验仪器

①程序升温仪

该仪器的优点是结构比较简单，操作相对容易，装载煤样简便，因此维护与保养也较为容易，同时收集的气体容易转移至其他仪器进行下一步分析，完全可以满足实验要求。

②气相色谱仪

GC-4085型气相色谱仪是监测气体成分与体积浓度的实验装置。

（3）实验流程

①煤样的制备

从煤矿上取到新鲜煤样，及时放入密封袋中，带回实验室，尽量降低其被氧化的可能性。实验时抽取煤样，使用颚式破碎机将选取的煤样进行破碎，筛分出60~80目（0.18~0.25mm）的各类煤种250g以上，在密封袋中储存。

②实验方法

连接好程序升温仪的电源，监测其气密性；称取煤样放入煤样罐中；30℃时开始采集气体，每升高20℃收集一次气体，直到煤温增加到260℃停止加温；使用气相色谱仪对其进行数据总结分析。

2 数据整理与定量指标分析

通过煤的程序升温实验，实时记录了实验中CO气体、CO2气体、乙烯（C2H4）以及部分烷烃气体的释放浓度，实验结束后对实验数据进行整理，得到不同煤种CO/△O2、CO2/CO、C2H6/C2H4以及Graham指数相对应的定量指标随煤温变化的数据，并绘制点线图。

图1中CO/△O2的值变化规律显示，样本呈缓速上升的趋势，在55℃左右突破0,CO在55℃之前并没有生成且在80℃之前增加量并不是十分明显，比值的变化是在80℃～300℃的低温阶段里开始明显呈线性上升趋势平稳上升。

图1 CO/△O2随煤温变化趋势图

图2中CO2/CO比值随着温度的升高呈指数下降趋势。在80℃之前，煤自燃的低温阶段主要生成CO2，CO2/CO比值大于40，此时煤自燃处于缓慢氧化过程，同时缓慢产生热量；在80℃之后，CO开始逐渐大量产生，CO浓度的加速生成使得比值呈负指数趋势下降。

图2 CO2/CO随煤温变化趋势图

图3中C2H6/C2H4值呈现先缓慢增长后逐渐下降的趋势，普遍在100℃左右C2H6/C2H4比值突破0，意味着C2H6随着氧气的消耗开始逐渐生成，且以一个比较快的速度迅速释放。由于前期C2H6/C2H4比值的增长幅度并不明显，在300℃之后，比值开始呈线性下降趋势，因此，在100℃～300℃时，可以把C2H6/C2H4作为烟煤自燃早期预测预报的辅助指标。