高庄煤矿3上煤层指标气体研究.pdf

1、高庄煤矿3 上煤层指标气体研究张盛（枣庄矿业集团高庄煤业有限公司，山东济宁2 7 7 6 0 5）摘要：本文利用煤的氧化升温实验对高庄煤矿3 上煤层煤样在2 5 4 0 0 范围内的氧化特性和指标气体参数的规律进行了测试。结果发现：煤层自燃的风险较高，煤样氧化升温范围在3 0 3 7 6，且随着煤体温度的增加会逐渐产生煤氧化气体产物,经过对比分析可以得出，CO可以作为指标气体进行煤炭自燃的发火预报。同时,对煤炭自燃的检测由乙烷、乙烯、丙烷、乙炔等进行辅助。关键词：氧化升温；煤自燃；指标气体；气体产物中图分类号：F406.3;TD752.2煤炭和氧气接触时会发生氧化，散发的热量会一直积累,热量达

2、到一定程度会引发火灾。国内外研究的重点方向 1-6 1 是科学准确地评估煤自然发火的危险性。据统计，矿山火灾造成的财产损失，每年高达2 0 0 多亿元人民币。煤矿火灾的发生,将对煤矿造成难以挽回的严重损失：造成煤炭资源的大量浪费，对正常煤炭的开采造成影响，对采煤工作面和矿井的安全生产造成威胁。本文对高庄煤矿3 煤层的煤样进行了氧化升温实验，测定了不同温度条件下产生的气体浓度，确定煤炭自燃的指标气体，为预测该煤层自燃阶段提供指导，为高庄煤矿3 煤层安全、高效开采提供保障。1热效应影响1.1温度与煤的氧化放热性关系同一种煤，在不同的温度条件下，同时保证其他实验条件不变时,消耗1 mol 的氧所释放

3、的热量H(T)会有所不同。这是由于煤体表面分子结构的活泼性会随煤体温度的改变而发生变化。所以,H(T)除了与煤种有关，还与温度有关。(V(T,C)=C.:k(T)q(T,C)=C.k2(T)H(T)=9(T:C)-h(T)V(T,C)k;(T)式中:k(T),kz（T)一常数,可由实验测定;C一氧气浓度。由于煤炭在低温条件下发生的反应少，即氧化放热少,所以难以测量精确。在温度不同的条件下，不同煤种的氧化反应速率及放热量，可以通过低温自燃发火模拟实验计算得出。1.2氧气浓度与氧化放热强度关系煤炭的氧化过程非常繁琐,但是在一定条件下，只28文献标识码：B会发生一种化学反应。因此，可以利用简单的反应

4、规律对化学反应参数进行估算。假定煤和氧发生的反应是一级反应,那么煤消耗氧气的速率和氧气浓度是正相关的关系：V(T)=C K,V(T)=那么煤体的氧化放热的强度和消耗氧气速率同样是正相关的关系：q放=C:B式中：K一耗氧速度常数;B一放热强度常数。由上式可知,在温度不变的情况下，煤体放热和氧气浓度成正比，另外，只要有氧气就会产生热量。因此，只需有氧气，在大量的遗煤堆积区，由于遗煤堆积后的绝热性能好，其释放的热量能够保证遗煤堆积区的高温。1.3粒度与氧化放热强度关系煤体表面与氧气接触后会发生化学（物理)吸附、氧化反应。所以，煤体表面与氧气的接触面积越多，其进行氧化反应的概率就越大。表征煤氧接触面积

5、的量为煤的比表面积。设想煤样颗粒是球形时,1 L煤样的(1)内表面积s为：式中：s一煤样比表面积,1/m;dso一平均当量粒径,m;n一孔隙率。煤体被破坏越严重，煤体的粒径就越小，比表面积越大，煤体与氧气接触的面积就越大，氧化反应释放的热量越多。所以，煤体的粒径和煤进行氧化反应的速率密切相关,煤体里颗粒直径小于某一确定值的煤体颗粒占总数的50%，此时，松散煤体的粒径是有效粒文章编号：1 0 0 8-0 1 55(2 0 2 3)1 2-0 0 2 8-0 3V(T)C6(1-n)S=d.o(2)(3)(4)径，记作dso，则实际氧气浓度下任意粒度煤样的耗氧速度及放热强度可表示为：va.=(d)

6、%.e(7)C。Cq(T)=(dso)o(T)式中:Vo、V o.一耗氧速度;9（T)、q（T)一放热强度;山（dso）一粒度影响函数。煤体氧化耗氧速率与放热强度受粒度的影响，依据大量煤样的实验数据分析，可以对其进行对数规律拟合，即：(7)式中：drer一粒径设定1 cm;a,b一煤粒粗糙度、孔隙率有关的常数。2高庄煤矿3 上煤层煤样氧化升温实验2.1煤样升温氧化实验方案2.1.1实验装置实验装置由管路系统、程序控温箱、数据收集系统、煤样罐和气体测试系统五个部分组成。2.1.2实验煤样的制备分上、中、下三个高度，在高庄煤矿1 1 3 上0 5综采工作面刚露出的煤壁上采集新鲜煤样，当场用密封袋装

7、好，送往化验室。先剥去样品表面的氧化层，之后按表1高庄煤矿煤样实验的气体数据（供氧浓度：2 0.9%）温度02CO()(%)(ppm)(5)2920.803920.785120.750.42(6)6320.680.897520.632.908720.606.459920.5612.1611220.5123.3413820.3684.6515619.75256.231134.295.210.421.160.580.4719518.13871.6124712.814044.5210411.0725.9813.366.134.9011.6927910.327634.9820176.8362.1330

8、.5812.678.6219.843414.7115228.7748737.94108.5361.1016.5413.2537.6803763.1320745.4071089.60207.2044.2529.3621.4720.521.024012.9923791.8672927.25356.5022.9369.2529.828.37 0.632.2.1CO气体产生规律在煤氧化的过程中，CO是最早出现并一直存在的氧化产物；煤温未达到2 4 7 时，一氧化碳气体的生成浓度随煤温的升高呈上升趋势，在煤温超过2 4 7 时，CO浓度的生成速率随煤温的升高呈迅速上升的变化趋势，如图1 所示。51 是煤

9、样生成CO气体的临界温度值，对于生产矿并来说，可能经常会检测到有CO存在,支架后部、采空区、工作面上隅角，以及钻探摩擦作业中均能检测到CO,因此可以利用CO的变化趋势，判断自然发火的发生过程,达到预报预测的效果。25000CO2CH4C2H4C2H5C3H:8C3HC2H2(ppm)(ppm)(ppm)(ppm)(ppm)(ppm)(ppm)0435.460441.291.12445.371.16451.381.18457.761.23464.231.27482.571.40516.721.86694.972.570.130.300.170.112668.3513.441.91 3.172.6

10、61.92CO1.0800000000000.18000000000000000000000000000000000020000比例抽取各点一定量的煤样，在常温条件下将煤样进行破碎,将粒度范围为4 0 8 0（0.1 8 0.3 8 mm）的样15000品碎筛出来，作为实验用样品，需要迅速将样品粉碎，5000以防止样品在空气中停留时间过长，增加样品的氧气吸收量。在密闭容器中放人过筛样品的一部分，用干燥剂覆盖。保证烘干剂不接触煤样，烘干时间为3 5h。2.1.3实验步骤取适量煤样放人煤样罐内，用电子秤称好，盖上盖子,拧紧螺丝即可。在恒温箱内放人煤样罐，将煤气供应和出气及其温度探针连接起来，并关闭

11、恒温箱门。打开实验仪器各电源开关。打开气瓶，对泄压阀进行调节，使其气流达到设定的流量。按操作步骤依次打开试验装置。启动试验仪器，输人参数实验所需的温度，运转约0.5h。待各参数稳定后，开始实验，检测此时的CO气体浓度。CO气体的生成量根据实验资料进行计算。2.2煤样氧化升温实验结果高庄煤矿3 上煤层煤样实验氧化气体的产生规律为：随着煤温的升高，氧化气体的含量逐渐增加，但在量值和生成序列上，不同的氧化气体组分所表现出来的生成规律的差异比较大，见表1。15050100图1 CO与煤温的关系图2.2.2烯烃气体产生规律烯烃组分在煤炭自燃氧化气体中有C,H和C,H。两种,其浓度的总体趋势是随着煤样温度

12、的增加而逐渐上升，升至浓度最大值后开始迅速下降，图2 为3 上煤层氧化过程中C,H4气体浓度与煤温的关系曲线。1 3 8 是煤样产生C,H气体的临界温度。通过分析烯烃气体组分产生浓度趋势的变化可知，当温度大于2 4 7 时，高庄煤矿3 上煤层煤样浓度的增加速度呈加快趋势。7060F210F0图2 烯烃气体与煤温的关系图250300350煤/400CH+CH50100150煤温/200250 30 350 400292.2.3烷烃类气体（CH4、C,H。、C,H。)产生规律烷烃类气体CH4、C,H。、C,H。浓度的总体变化趋势为随着煤温的增加而逐渐上升，升至浓度最大值后开始慢慢下降,其中 CH4

13、 相对于 C,H。、C,H。的产生速率和浓度而言，其在产生速率和浓度上更为显著。如图3 所示，烷烃类气体CH4、C,H。、C,H。在氧化过程中浓度与煤温的关系。400350H300add/250200100F50F图3 烷烃类气体与煤温关系图3不同氧气浓度下的氧化升温实验3.1不同氧气浓度下的气体产物特性通过图4、图5可以得出，各气体产物在同一温度下的生产浓度规律：所有气体产物在相同的温度条件下，绝对浓度随着氧浓度的下降而呈现出一定范围的下降趋势。在氧气浓度为2 0.9%时，煤样在1 3 8 出现C,H4气体后,CO和C,H4的浓度上升极快；在氧气浓度为1 0.0%时，可抑制CO和C,H4的上

14、升速率，表明煤在氧气浓度为1 0.0%时自燃受到一定程度的抑制。实验条件下第一次测出主要气体产物时的煤体温度同样可以得出上述结论，见表2。70CH60F502010F图4 气体产物（2 0.9%氧气浓度）40mCHCH30F10图5气体产物(1 0.0%氧气浓度）30表2 第一次测出主要气体产物时的煤体温度()气体组分CO氧气浓度ppmppm20.9%510.421380.131380.113761.0210.0%500.351490.181490.123.2不同氧气浓度下的氧化热力学特性由图6 可以得出，氧气浓度为2 0.9%时：煤氧化过程发生剧烈的氧化；氧气浓度为1 0.0%时：煤氧化过品

15、程受到抑制，氧化作用已不明显。-CHCHCH煤温/C5010015050100150200250300350400煤温/10008000200050100150200250300350煤温/C2H4400F=10.0%煤温20.9%煤温350F护温300F250150F100F250300350 4002500020000150001000085000C3H6ppmppm50F50图6 煤自然发火过程中温度曲线4结语约51 时，CO开始产生，其可作为预报煤发生自燃的指标气体,在2 4 7 以前具备预报功能。同时,应依据CO的波动趋势预报煤的自然发火。约1 3 8 时,C,H4、C,H。开始产生

16、,C,H可以看作是煤氧化进人加速氧化阶段的标志；C,H。可以看作是煤氧化进人剧烈氧化阶段的征兆。约3 7 0 时，C,H，开始产生，激烈氧化阶段可用C,H,进行预报，C,H,的出现说明煤已发生明火或阴燃，应谨慎采取措施。参考文献：1虎晓龙，朱德清，张海洋，等.灵新煤矿煤自然发火规律及指标气体研究 J.煤,2 0 2 3,3 2（0 2）：1-5+1 0.2贾晓亮.不同氧气浓度环境下的煤自然发火指标气体试验分析 J.煤化工,2 0 2 2,50（0 6）：8 4-8 9.3汪瑞，石必明.朱集西煤矿指标气体确定及自燃“三带”划分研究 J.煤炭技术,2 0 2 2,4 1（0 9）：9 9-1 0 2.4何溢聪.华胜矿3 号煤的自燃指标气体确定 J.煤矿现代化,2 0 2 2,3 1(0 3）：3 8-4 0+4 5.5蔡新胜，毛金峰，张崇礼，等.塔什店煤矿自燃发火实验及指标气体优选 J.黑龙江科学,2 0 2 2,1 3（0 8）：2 9-3 1.6李景涛，张闯，赵鑫，等.煤自然发火的指标气体分析及临界判定 J.能源技术与管理,2 0 2 2,4 7(0 2)：1 1 4-1 1 6.作者简介：张盛（1 9 8 2-），男，山东青岛人，本科，工程师，从事煤矿“一通三防”工作。C2H2100150时间/min200250300350