張雙樓煤礦煤炭氧化自燃實驗與分析

李　莉,張人偉,裴曉東,王　亮

(中國礦業大學能源與安全工程學院,江蘇徐州221008)

摘　要:為了找出張雙樓煤礦預測預報煤層自燃的可靠指標,通過對該礦煙煤的升溫氧化試驗,全麵地03manbetx 了煙煤氧化的氣體成分變化規律,得出煙煤氧化存在五級氧化過程。張雙樓煤礦預測預報煤炭自燃應采用以CO為主、C2H6和C2H4為輔的標準氣體指標。

關鍵詞:氧化速率;五級氧化;標誌性氣體

中圖分類號:TD75+2.2　　　文獻標識碼:A　　　文章編號:1003-496X(2006) 02-0008-03

Experiment and Analysis on Coal Spontaneous Combustion in Zhangshuanglou Coal MineLI Li,ZHANG Ren-wei,PEI Xiao-dong,WANG Liang(College of Energy Sources and safety,CUMT, Xuzhou221008,China)Abstract:Through the experiment of the temperature raising oxidize testing to the bituminous coal of Zhangshuanglou coal mine, thisarticle completely analyzed the changing laws of the composition of the gas, and gives the five oxidizing process in the oxidation of bi-tuminous coal ,and propose some reliable index which predicts the coal’s spontaneous combustion in Zhangshuanglou coal mine. Theconclusion is that the Zhangshuanglou coal mine’s spontaneous combustion prediction gas marker should adopt the as the main andandas the assistant.Key words:oxidize speed;five gas oxidizing;gas marker

　　張雙樓礦區位於距徐州市區北約 7.5 km ,新井設計生產能力為120萬t/a。礦井開拓方式為立井3個水平上山開拓,水平標高分別為 -540 m ,- 670m ,- 800 m 。井田內有兩個可采煤層,自上而下為7#、9#煤層。礦井工作麵采用走向長壁采煤法。

張雙樓煤礦各煤層均屬中等變質的煙煤,並由上到下煤質變質程度逐漸增大,硫含量也有所增加。該礦為低瓦斯礦井,煤層有自然發火性,發火期為12~18個月。

1　煤層氧化自燃模擬實驗係統

1.1　煤層氧化自燃模擬實驗裝置該裝置主要由程序控溫爐、煤樣罐、測溫元件、溫度測量和控製係統、氣體質量流量控製器、除濕和降溫裝置、氧氣03manbetx 儀和計算機等構成(見圖1)。

　　其中,程序控溫爐的爐膛為不鏽鋼內膽,外加石棉保溫層。爐中裝有1 200 W的加熱器,其加熱功率由計算機程序控製。內裝1 400 r/min的電扇,以保證爐膛內溫度均勻。爐溫保持在計算機設定的溫度,控溫精度為± 0.1℃ 。煤樣罐采用鑄銅結構,密封材料為聚四氟乙烯,能耐 350℃ 以上的高溫,其內部安裝精密鉑電阻感溫元件。

圖1　煤氧化實驗裝置

　　氣體流量控製采用質量流量控製器,流量範圍為10~4 000 mL/min。

1.2　煤層氧化自燃模擬實驗方法

(1)試樣製備。在新暴露煤壁采集煤樣,並現場封裝,運至實驗室。按一定比例,合理選擇一定量各試點煤塊在常溫下進行破碎,用分子篩選取其中40~60目的煤樣顆粒約 400 g ,作為實驗用煤樣,破碎用時1.5 h。

(2)實驗方法。利用2000型煤炭自燃特性測試儀,在 35℃ 與 70℃ 時定風量和變風量條件下,對煤樣進行煤炭氧化自燃模擬研究及升溫(30~ 180℃ )條件下的煤炭氧化自燃模擬研究;在實驗基礎之上03manbetx 了煤炭自燃的變化規律及原因,並利用下麵的

公式計算CO氣體生成量:

　　Vco=Lair×CcoG

式中　Vco———CO氣體生成量,mL/(min·kg);

　Lair———空氣流量,mL/min;

　Cco———CO氣體濃度,10-6;

　G———煤樣質量,kg。

2　煙煤氧化自燃實驗與03manbetx 實驗條件采用最易於煤炭氧化自燃的通氣量:50 mL/min,相當於風速 0.1 m /min;升溫範圍為30~ 180℃ (最後達到煙煤氧化自燃著火點或CO釋放量急劇增加點),升溫速率 1℃ /min,實驗煤樣粒度40~60目,質量 45 g ,煤炭氧化自燃升溫實驗測定結果如表1、圖2所示。

　　從表1與圖2可以看出,張雙樓煤礦煙煤氧化存在以下規律:

圖2　CO濃度隨溫度變化曲線

　　(1)煙煤在 30℃ 的常溫下,煤樣即可釋放出CO氣體。

(2)在 60℃ 以下時,CO的放出量上升速率較小;到 70℃ 時CO放出量與常溫 30℃ 相比增加5.1

倍,說明氧化速度開始加強;70~ 100℃ 與常溫 30℃ 相比,CO放出量增加19.9倍;100~ 120℃ 時,氧化速度開始平穩向上增加;到130~ 170℃ ,氧化速度急劇增加;達到 180℃ 時,煤樣進入燃燒階段,CO放出量達到正常氧化的1 783倍以上。超過 180℃ 時,CO放出量開始減少。

(3)由表1、圖2分析可知:

①煙煤在初始升溫時氧化緩慢平穩,CO釋放量較小,其濃度為2.3×10-6左右。

②在30~ 70℃ 的升溫過程中,即煤炭氧化自熱前期,氧化速度開始加快,CO濃度也隨之緩慢增

加,由2.3×10-6增至14×10-6,隨溫度上升的速率為0.293×10-6/℃。

③溫度超過 70℃ 即煤炭氧化進入自熱後期,氧化速度較前期明顯加快,CO釋放量出現一個突變,至 100℃ 、CO釋放量增至48×10-6,隨溫度上升速率增大為1.13×10-6/℃,形成煤炭氧化自熱後期的第一級氧化加速過程。

④在100~ 120℃ 升溫過程中,氧化速度又有明顯加快。CO濃度的釋放量增至150×10-6,隨溫度上升速率為5.1×10-6/℃,這是煤炭氧化自熱後期的第二級氧化加速過程。

⑤在120~ 140℃ 升溫過程中,氧化速度進一步加快,CO釋放量增至372×10-6,隨溫度上升速率

達11.1×10-6/℃,形成煤炭氧化自熱後期的第三級氧化加速過程。

⑥至 160℃ 時,氧化速度達到一個高峰,CO釋放量達到950×10-6,隨溫度上升速率增大為28.9

×10-6/℃,這是煤炭氧化自熱後期的第四級氧化加速過程。

⑦在160~ 180℃ 的升溫過程中,氧化速度達到峰值,CO釋放量達到4 100×10-6,隨溫度上升速

率增大為157.5×10-6/℃,這一階段稱為煤炭氧化自熱後期的第五級加速階段。

綜上可知,煙煤在自熱後期存在五級氧化過程,氧化各階段的參數如表2所示。

　　(4)根據煤樣升溫氧化的CO曲線與氧化過程分析可知:

①煙煤在30~ 70℃ 的氧化自熱前期,處於初級氧化階段;說明煤的外在水分影響較為明顯,此階段的氧化速率上升較緩。

②當溫度達到70~ 100℃ 時,煤的外在水分揮發,出現氧化速度加劇,CO釋放量急劇增加,氧化速率迅速上升;這一時期是煤炭自燃預測預報與防治的主要時期。

③當溫度達到100~ 120℃ ,CO放出量進一步增加,煤的內在水分揮發,因此出現煤的新一輪氧化加速。

④當溫度達到140~ 160℃ 時,煤樣氧化速度急劇增加,說明煤樣著火點較低,結晶水的解析對氧化的影響產生了效果。

⑤溫度達 180℃ 後,煤樣進入燃燒階段,氧化速率減緩。

(5)煙煤氧化的烷烴類氣體分析。張雙樓煤礦煙煤氧化的烷烴類氣體實測結果圖3所示。

分析如下:

①煙煤在 180℃ 達到著火點,此時隻有C2H4與C2H6兩種氣體釋放。

②C2H4氣體在溫度為 130℃ 時開始釋放,量較少,僅為0.55×10-6,達 150℃ 迅速增加。

③C2H6氣體在 120℃ 時開始析出,量較少,僅為0.29×10-6,達 140℃ 迅速增加。

3　結　論

根據張雙樓煤礦煙煤在實驗室的氧化自燃實驗結果,結合現場實際分析,可得出以下結論:張雙樓煤礦煙煤存在五級氧化過程,該煤礦預測預報煤炭自燃應采用以CO為主、C2H6和C2H4為輔的標準氣體指標。

(1)在常溫 30℃ 條件下,煤炭即可釋放出CO氣體。

(2)在綜采放頂煤條件下,采空區風速為 0.1m /min左右時,煤炭氧化較強烈,易於自燃。

(3)當溫度達到70~ 100℃ 時,氧化速度加劇,CO釋放量急劇增加,氧化速率迅速上升;這一時期

是煤炭自燃預測預報與防治的主要時期。

(4)當出現C2H6和C2H4氣體時,說明采空區內已存在120~ 130℃ 以上的高溫區域,需立即采取措施,治理煤炭自燃。

　　作者簡介:李　莉(1981-),女,中國礦業大學能源學院安全技術及工程專業2004級研究生,主要進行煤礦安全技術工程方麵的研究。