不同氧浓度下煤自燃指标优选

Optimization of Coal Spontaneous Combustion Index under Different Oxygen Concentration

摘要: 煤炭自燃常发生在井下采空区，采空区最显著的特点是其“三带”氧浓度的不同。常见的预测预报煤自燃方法主要为指标气体法，为判断氧浓度对指标气体选择的影响，实验设计17%、14%、12%、8%氧浓度环境进行煤的程序升温实验，采用灰色关联度方法进行不同氧浓度下煤自燃指标优选。

Abstract: The spontaneous combustion of coal often occurs in the mined-out area. The most notable feature is the change in oxygen concentration. In order to judge the influence of oxygen concentration on the selection of index gas, the experimental design of 17%, 14%, 12%, 8% oxygen concentration environment was used to conduct the temperature program experiment of coal, optimizing coal spontaneous combustion index under different oxygen concentrations by gray correlation method.

1. 引言

矿井火灾是矿井五大灾害之一，矿井火灾又分为外因火灾和内因火灾，煤炭在外部氧气充足情况下，通过自身的物理化学变化，积聚热量，当热量无法扩散并积聚到一定程度时就会引发煤炭自燃，这是典型的煤矿内因火灾。因此研究煤炭自然发火规律，建立煤自燃发火预测预报体系，优化煤自燃发火指标可以有效预防矿井内因火灾的发生。

目前，国内常用的预报方法主要为指标气体法，其应用简单，只通过检测CO、CH₄、C₂H₄等气体出现温度点或其浓度变化就可进行该煤层的自燃预测预报 [1] [2] [3] [4]。前期主要通过煤的程序升温实验获得各气体释放规律，确定其变化趋势，在实际应用过程中根据气体量判断煤体温度进行预测预报。

对于影响煤氧化升温实验中的气体释放规律的研究主要围绕煤种、粒径、通气气体成分等几个方面。李绪萍 [5] 通过热重实验取得的TG-TSG曲线将煤自燃阶段分为失水、氧化、燃烧三个阶段，将其煤氧化阶段最大表观活化能作为煤自燃倾向性指标。朱建国 [6] 针对浸水煤进行了煤自燃预测预报指标气体研究。陈兴 [7] 研究煤粒径对氧化升温实验进程的影响，煤粒径越小，各气体生成量在干裂温度后涨幅越大。郝宇 [8] 对不同变质程度煤样进行程序升温，探究其CO生成初始温度和生成量与煤样变质程度的关系。张九龄 [9] 对不同含水量煤样分别进行程序升温实验，在增水量1%~7%范围内，煤样CO产量增加。文虎 [10] 对不同粒径煤样通入不同空气流量进行程序升温实验。

前人对煤自燃研究主要围绕煤变质程度等几个方面，对于模拟采空区变氧浓度环境的煤自燃气体释放规律研究较少，因此为探究氧浓度对煤氧化升温过程中气体释放规律的影响与不同氧浓度下煤自燃指标的情况，设计不用氧浓度下的煤的程序升温氧化实验，确定其适用的指标气体。

2. 实验设计及实验过程

本实验采用自行设计的程序升温–气相色谱联用装置进行实验(图1)。程序升温实验前进行煤的元素分析与工业分析，确定其煤种及自燃倾向性。实验受煤样粒径、通入气体流量与升温速率的影响，因此实验过程中确定通气条件。

本实验根据井下常见变氧浓度环境，即采空区常用区分自燃“三带”和窒息带氧浓度设计实验氧浓度分别为17%、14%、12%、8%。原煤样采用具有良好的自燃倾向性的低变质程度烟煤。其基础参数如表1所示。原煤样经过破碎，筛分取粒径为0.18~0.25 mm (60~80目)分为四组200 g煤样，每次实验取80 g。将煤样放置在煤样罐内，煤样罐放入升温氧化箱内，检查气密性后通入气体，流量为100 ml/min，升温速率为0.3℃/min，每10℃进行一次气样采集并用气象色谱仪进行分析。

Figure 1. The program of temperature program

图1. 程序升温装置图

3. 煤样基础参数

氢元素代表着煤的年轻程度，一般在煤的质量分数中占到1%~6%，越是变质程度低的煤，其氢元素含量越多，该煤样氢元素含量较高，变质程度较低。林南仓矿中煤层中氢元素含量都相对较多，说明林南仓的煤层确实比较年轻，属于变质程度低的煤层。该煤样挥发分为35.12%，属于高挥发分烟煤。煤的吸氧量与煤的自燃倾向性有关，煤样干燥无灰基挥发分大于18%时自燃倾向性分类，该煤吸氧量0.40 < Vd ≤ 0.70 cm³/g，煤样自燃倾向性属于自燃，属于II类自燃倾向性。

Table 1. Basic parameter table

表1. 基础参数表

4. 指标气体释放规律

根据煤自燃氧化升温实验中不同气体的出现时间及浓度变化作为依据，确定煤自燃指标气体，并在煤自燃不同阶段采用不同标准，因此为确定指示煤自燃温度关联性最强的指标气体，采用灰色关联度分析法对煤在不同氧浓度条件下的各阶段指标气体进行分析。

不同氧浓度下煤程序升温实验CO、CO₂释放量情况如图2~3所示，高氧浓度煤样更早进入剧烈氧化阶段，CO与CO₂生成速度明显高于低氧浓度。由图2可以看出在前期CO₂释放量呈波动状态，因此CO₂不适宜作为100℃前指标气体。由图4可以看出，f(CO)/f(CO₂)随温升呈现上升趋势，在氧气较为充足的三个组别中，氧浓度越低其比值数值越小。如图5，不同氧浓度下出现C₂H₄的温度分别为95℃、100℃、100℃、120℃，氧浓度越高，C₂H₄出现越早，且随着温度升高释放量增加，高氧浓度组C₂H₄释放速度明显快于低氧浓度组，因此C₂H₄可作为指标气体。如图6，检测到C₃H₈的温度为100℃以上，氧浓度越低，检测温度越高，且高氧浓度煤样实验中C₃H₈释出量更多。因此高氧浓度条件下煤样更易进入剧烈煤氧复合反应阶段，其自燃性明显更强，但17%与14%氧浓度条件下煤样自燃过程区别不明显，因此推断氧浓度过高时，氧浓度对煤自燃影响不大。

Figure 2. CO emissions

图2. CO释放量

Figure 3. CO₂ emissions

图3. CO₂释放量

Figure 4. CO/CO₂ changes with temperature

图4. CO/CO₂随温度变化图

Figure 5. C₂H₄ changes with temperature

图5. C₂H₄随温度变化图

Figure 6. C₃H₈ graph with temperature

图6. C₃H₈随温度变化图

Figure 7. C₃H₈/C₂H₆ curve with temperature

图7. C₃H₈/C₂H₆随温度变化曲线

如图7，在实验温度范围内，各氧浓度煤样链烷比均呈现上升趋势，其中“窒息带”氧浓度链烷比明显低于其他氧浓度组。100℃以后，不同氧浓度组煤样生成气体量明显不同，较高氧浓度条件下指标气体生成量明显多于低氧浓度。

5. 指标气体灰色关联度分析

将煤自燃氧化分为前期与后期，CO、CO/CO₂适用于整个温度范围，C₂H₄、C₃H₈、C₃H₈/C₂H₆适用于煤温110℃后的预测预报。在煤自燃氧化后期，气体指标增多，且各指标之间的增长趋势不同，为确定不同氧浓度下110℃~200℃之间各指标气体关联度是否有变化，采用灰色关联度分析方法计算后期自燃氧化温度与对应指标气体之间的关联度。参考特征序列即为温度(t)，CO(X₁)、CO/CO₂(X₂)、C₂H₄(X₃)、C₃H₈(X₄)、C₃H₈/C₂H₆(X₅)为比较序列。选取温度作为参考特征序列 $t=\left\{110,120,130,140,150,160,170,180,190,200\right\}$。计算中采用初值化法进行无量纲分析，分辨率系数为0.5。最终得出关联度系数表如表2所示。

Table 2. Correlation coefficient table

表2. 关联度系数表

在高氧浓度中，CO、CO/CO₂、C₃H₈/C₂H₆作为煤样在剧烈氧化阶段的煤自燃预测预报指标具有较好的关联性，当氧浓度间少CO/CO₂与C₃H₈/C₂H₆关联性较好，尤其是链烷比在模拟“窒息带”氧浓度组中关联度依旧维持在0.95以上，因此在煤出现C₃H₈与C₂H₆后，以链烷比作为煤自燃预测预报指标较为合适。

6. 结论

煤自燃过程中氧浓度是决定煤自燃速度的关键因素，氧浓度越高，其越易进入煤氧复合阶段，但当氧浓度低到一定程度时，煤自燃极难发生，因此其对煤自燃的影响减弱。在煤的剧烈氧化阶段，高氧浓度条件下各气体生成量更多，其中CO/CO₂与C₃H₈/C₂H₆是煤自燃预测预报优选指标。在本实验条件下，不同氧浓度不会影响煤自燃预测指标的选择。