阳泉五矿15#煤层自燃过程中一氧化碳浓度变化规律研究

赵志研

（1.中煤科工集团沈阳研究院有限公司 瓦斯研究分院，辽宁 抚顺 113122；2.煤矿安全技术国家重点试验室，辽宁 抚顺 113122）

1 工程概况

阳泉五矿主要可采煤层8#和15#煤层，现单一开采15#煤层。15#煤层赋存较平稳，均厚6.5 m。煤层结构简单，一般夹1～7 层矸石。15#煤层的地质构造较为复杂，陷落柱较多，直接顶岩层和煤层中均分布有大量的黄铁矿，且含硫量较高，导致其氧化燃烧的温度相对较低，易于氧化并放热。煤自然发火期短，最短仅10 d，煤氧化自燃现象严重。

煤自然发火过程是煤体内在因素和外在因素共同作用的结果，是一个极为复杂的物理和化学作用复合的动态发展过程[1-2]。为确定15#煤层自然发火指标气体进而实现煤自然发火的动态监控，进一步为防治煤自燃提供技术支撑，本文通过测试程序升温过程中煤样产出气体情况，研究阳泉五矿15#煤层自燃过程中一氧化碳浓度变化规律。

2 试验原理与过程

2.1 程序升温试验原理

程序升温分析技术（TPAT）是一种研究固体自燃过程的重要方法，其中程序升温氧化法（TPO）是一种测定固体样品氧化特性的试验手段。煤炭的程序升温氧化试验通过模拟煤体氧化自燃的升温过程，根据煤样产生一氧化碳和生成其他气体的体积来研究其氧化自燃特性。

与传统的大型煤氧化自燃模拟试验相比，程序升温氧化试验具有用时短、耗煤少等特点。大型煤样氧化自燃模拟试验通过高度还原煤在实际生产中的自然环境，来观察煤的氧化自燃特性。但是，这种试验方法耗时长、煤样需求量大、成本高，并不被广泛采用。与其相比，程序升温法可大大缩短试验周期，可把一个煤样的发火周期降低到几个小时以内，同时耗煤量也大量降低，一个试验煤样约在10～100 g 即可（本次试验取每个试验煤样为50 g），在节约时间的同时，也降低了试验成本。

2.2 试验装置

试验装置如图1。该试验装置可分析测试结果并生成色谱图，能够得出氧化反应生成气体中一氧化碳的浓度。

图1 试验装置示意图

2.3 试验流程

粒径小、破碎程度高的煤岩体比表面积大，在氧化升温过程中与空气中氧气的接触面积大，更易氧化自燃。针对这一情况，对煤样做了粒径分选，将其分为0～1 mm、1～3 mm、3～5 mm、5～7.5 mm、7.5～10 mm 和＞10 mm 共6 组，并将1～10 mm 的5组煤样等质量混合后以50 g 为1 组做试验煤样。

（1）首先取约为50 g 的制备好的煤样，将其装入钢管试管中，并在试管的两端各留出大约2 cm的空间，在这些空间内填入石棉。

（2）检查试验设备是否能够正常运行，将设备连接好，接通电源。

（3）将煤样试管放入试验装置，然后向试验煤样内通入空气，速率为60 mL/min。稳定温度到达20 ℃后，启动程序至220 ℃停止，升温速率为1 ℃/min，每升高10 ℃采集并记录数据。

（4）关闭试验设备开关，切断电源，清洁试验设备。

3 煤自燃一氧化碳浓度变化规律

利用程序升温法针对原煤样进行试验，通过改变煤体温度，观察记录煤体在温度升高的过程中，一氧化碳浓度变化趋势和生成的其他气体的浓度变化规律，研究煤体自身的氧化自燃特性，同时也为研究阻化剂抑制煤炭自燃的阻化效果提供了对比参数[3-5]。

随着程序升温试验装置的控温箱内温度不断升高，15#煤层的煤样温度也随之不断提高，煤样氧化反应速率持续增大，耗氧量及氧气消耗速率不断攀升，试验装置中随着氧气浓度逐渐减少，煤样不完全氧化反应生成的一氧化碳气体浓度持续增大。根据碳的氧化还原反应式，一氧化碳气体浓度与耗氧速率成正比，煤样中某一点的一氧化碳产生速率方程式可被表示为式（1）：

则有式（3）：

根据阳泉五矿15#煤层煤样的程序升温试验数据记录，通过对试验中生成一氧化碳浓度的记录，可得到一氧化碳浓度变化规律，如图2。

图2 15#煤层氧化自燃生成一氧化碳浓度变化规律

随着装置内温度的升高，煤样氧化还原反应越来越剧烈，一氧化碳生成的速率越来越快。当煤的温度在90 ℃时，第一次检测到一氧化碳生成，一氧化碳浓度为0.225‰；当煤的温度在120 ℃时，一氧化碳生成速率明显加快，一氧化碳浓度显著增大，一氧化碳随温度升高变化曲线进一步变陡，斜率不断变大；当浓度在200 ℃时，一氧化碳的生成速率开始减缓，但减缓程度不大；当温度达到220℃时，一氧化碳浓度达到试验过程中的最大值，为13.2‰。综上，可以对15#煤层的自燃特性做出预测，其临界温度在80～90 ℃，干裂温度在110～130 ℃。

国际上常用煤自燃相关气体的可检测性、灵敏性和规律性分析确定煤自然发火的指标气体。由于一氧化碳在煤矿生产过程中是必检气体，检测设备充足可靠，具备可检测性。一氧化碳在空气中的含量相对很低，其浓度在实际生产中与煤矿的通风及漏风无直接关系，在程序温升氧化试验前后浓度变化明显，具备灵敏性。此外，一氧化碳浓度随煤的温度变化规律性较高，具备规律性。

综上分析，一氧化碳可作为15#煤层自然发火检测的主要指标气体。在生产过程中，只要检测到一氧化碳存在且浓度在不断上升，就可以判定该监测点可能存在高温点或者自然发火现象。

4 结论

阳泉五矿15#煤层所取煤样自燃氧化的临界温度在90 ℃，干裂温度110～130 ℃，当温度升高至220 ℃时，一氧化碳浓度进一步增加到13.2‰；随着煤温的升高，一氧化碳浓度持续升高，呈正相关性。一氧化碳可作为15#煤层自然发火检测的主要指标气体，为阳泉五矿自然发火防治提供了技术支撑。