风量影响下的煤自燃定量预测预报指标试验研究

2022-03-14和运中

西安科技大学学报 2022年1期

王凯，韩涛，和运中

(1.西安科技大学安全科学与工程学院，陕西西安 710054；2.西安科技大学陕西省煤火灾害防治重点实验室，陕西西安 710054)

0 引言

煤自燃是煤炭开采与利用过程中面临的主要灾害之一，产生的有毒有害气体威胁着作业人员的生命安全，甚至可能引起火灾、爆炸等重特大事故，制约煤炭行业的健康发展[1]。前期研究表明，煤的氧化自燃是一个非常复杂的物理化学过程，在这个过程中气体产物会随温度的变化表现出一定的规律性[2]。因此，通过建立煤自燃过程气体产物与煤温之间的对应关系，能够有效利用气体成分预测煤自然发火的程度[3-5]。

目前，用于预测煤自燃程度的气体指标可分为单一气体指标与复合气体指标。其中单一气体指标如CO，C2H4等；复合气体指标如CO/ΔO2、格雷哈姆系数、C2H4/C2H6等[6-9]。王德明等利用程序升温实验确定了表征煤自燃程度的临界温度，通过对3种不同变质程度的煤样进行测试，发现程序升温与绝热氧化方法的测试结果一致[10]。邓军等利用程序升温实验装置，测试分析不同风量下CO绝对产生量的变化规律，发现CO绝对产生量随风量的增加而增多，煤温越高，煤自燃所需当量风量就越大[11]。白刚、周西华等对平庄瑞安煤矿褐煤研究发现，随着供风量的增加，CO2/ΔO2、CO/ΔO2、C2H4与煤温的关联程度高，可作为该矿预测预报的指标气体[12-13]。吕志金等通过对5种不同粒径煤样的低温氧化实验研究发现，CO浓度与煤温、风量的曲线呈指数变化关系[14]。郭文杰、王凯、肖旸等研究了粒径、氧浓度及风量对煤自燃过程的影响，发现粒径介于0.18～0.38 mm，空气流量为100 mL/min时，反应产生的气体最多[15-17]。王念鑫、费金彪等在恒温条件下，分析了不同风量对煤自燃过程释放气体浓度和产生率的影响，得出CO、CO2气体浓度随供风量的减小而增大，CO、CO2气体产生率随风量的增加先升高后降低[18-19]。

本研究基于风量对煤自燃指标气体的影响，分析不同供风量下煤氧化过程气体产生与温度的对应关系，确定定量的煤自燃预测预报指标体系。

1 实验煤样

选用的煤样采自山西潞宁矿区2号煤层，变质程度为气肥煤，实验前将采集的新鲜煤样在氮气环境下破碎碾磨，筛分选取5种粒径范围煤样(0～0.9，0.9～3，3～5，5～7，7～10 mm)，并各取200 g组成混合粒度煤样1 kg用于实验。

2 实验方法

2.1 实验装置

实验利用西安科技大学研发的煤自燃程序升温装置，该装置主要由供气装置、控温装置及气体采集与分析装置组成，实验装置如图1所示。

图1 程序升温实验测试原理示意

2.2 实验条件

开始时，将混合煤样装入煤样罐中，连接好气路，通入压缩空气，空气流量恒定，将程序升温箱升温速率设定为0.3 ℃/min，当煤样温度达到30 ℃时开始测定，每隔10 ℃采集一次气体进行色谱分析，直至煤样温度达到170 ℃，结束本组实验，待程序升温箱冷却，取出煤样。共进行5组样品测试，供风量分别为80，100，120，140，160 mL/min。

3 结果与讨论

3.1 单一气体指标

3.1.1 CO气体

作为常用煤自燃指标气体，CO产生量随煤温呈一定的规律性[20-22]，文中CO气体与温度对应关系如图2所示。从图2可以看出，5种供风量条件下，实验煤样升温过程中CO浓度均随煤温的升高不断增加，且前期产生量低，后期产生速率加快。

图2 CO随温度变化

在5种供风量条件下，实验煤样氧化产生CO浓度从高到低关系为：120,100,80,140,160 mL/min。结果表明，供风量与CO产生量不成正比，当供风量为160 mL/min时，虽然提供了大量的氧气，但也带走了更多热量，同时供风量增加也相对降低了CO在产物中的占比。而供风量为80 mL/min时，煤氧化产生的热量散失少，但提供的氧气相对不足，煤氧反应不充分，CO产生量较低。供风量为120 mL/min时，为煤氧化自燃提供了一个较好的供氧和蓄热条件，煤氧化反应较为充分，CO产生速率较快。因此，供风量对煤氧化过程CO浓度有一定的影响，单一CO气体浓度值无法定量预测煤自燃程度。

3.1.2 C2H4与C2H6气体

实验中C2H4与C2H6气体与煤温的对应关系如图3和图4所示。煤温达到90 ℃时，C2H4气体开始出现，煤温越高，C2H4气体产生量越大。C2H4气体浓度与供风量有关，当流量为120 mL/min时，氧化反应过程释放C2H4的浓度最高。

图3 C2H4气体随温度变化

图4 C2H6气体随温度变化

C2H6气体在常温下可以检测到，这表明实验煤样中赋存有C2H6气体，在低温阶段C2H6气体的产生与脱附有关，煤样在120 mL/min时氧化程度高于其他风量条件，煤样脱附量大，同时提前进入裂解温度产生C2H6。因此，C2H4气体的出现可以作为煤体达到90 ℃的重要判识指标，而C2H6并不能作为指标气体。

3.2 复合气体指标

矿井实际开采条件下，供风量的改变会对单一气体产生较大的影响，因此，通常采用气体的比值(如CO/O2，CO/CO2等)作为判定煤自燃程度的复合指标[23-25]。

3.2.1 CO/O2

图5是CO/O2随煤温的变化曲线，在煤温达到90 ℃之前，CO气体产生量较小且氧气消耗少，CO/O2值偏低，100 ℃之后煤样的氧化反应加快，CO/O2值随煤温的升高逐渐增大。

图5 CO/O2随温度变化

该数值发生突变的阶段与CO指标是一致的，也符合供风量为120 mL/min时CO产生量大于其它供风量条件下的规律。在氧化升温初期，CO/O2比值变化幅度较小，几乎呈直线变化规律，不能定量反映煤氧化的温度。当煤温达到90℃之后，CO/O2比值开始迅速增大，但在不同供风量下CO/O2比值差距较大。从总体数值上看，若检测到CO/O2超过0.005，说明煤自燃开始进入高温阶段，此时煤温高于90 ℃。因此CO/O2比值可以作为本煤样达到90 ℃的辅助指标。

3.2.2 第1火灾系数R1

格氏火灾系数于1914年由英国学者格雷哈姆提出，其中第1火灾系数的表达式为

(1)

式中 +ΔCO2表示煤升温过程中CO2浓度的增加量，×10-6；-ΔO2表示O2浓度的减少量，%。

从图6可以看出，不同风量下R1值随温度的升高呈类“W”型变化趋势，在90～100 ℃达到最大值。对比不同供风量下的R1值，在低温阶段R1受风量影响较大，表现出较大波动，无法定量判别煤自燃程度。

图6 R1值随温度变化

3.2.3 CO/CO2

图7表示CO/CO2随煤温的变化曲线。

图7 CO/CO2值随温度变化

从图7可以看出，90 ℃之前，CO/CO2值随煤温的升高逐渐增大，不同供风量下CO/CO2值差距较小，说明在90 ℃之前供风量对CO/CO2影响较小。在90～120 ℃之间，CO/CO2呈缓慢下降趋势。120 ℃之后，CO/CO2值逐渐增大，不同供风量下CO/CO2值产生差距，规律性不强。因此，CO/CO2值可以作为本煤层90 ℃之前的主要判别指标，初始温度至90 ℃的区间值为0.03～0.3。

3.2.4 C2H6/C2H4

图8表示C2H6/C2H4随煤温变化规律，90 ℃之前由于C2H4未产生，故讨论90 ℃以上C2H6/C2H4随温度的变化规律。C2H6/C2H4的比值随温度的升高呈逐渐减小的规律，供风量对C2H6/C2H4值的影响较小，C2H6/C2H4值可以作为本煤层自燃90 ℃以后的主要判别指标，90～170 ℃的区间值为100～1 000。