煤氧化过程中气体变化计量检测研究

王淑杰（黄骅市质量技术监督局， 河北 黄骅 061100）

煤氧化过程中气体变化计量检测研究

王淑杰（黄骅市质量技术监督局， 河北 黄骅 061100）

为掌握煤氧化动力学特性，采集大柳塔活鸡兔井12煤层煤样，在实验室进行了煤升温氧化产生气体成分及浓度的检测实验，主要测定了不同粒径的煤在氧化过程中气体变化情况。根据实验结果，结合理论分析得出煤升温氧化生成的气体变化规律。为确定煤自然发火标志气体提供了真实可靠的数据基础，提高了煤自然发火预测预报系统的可靠性，丰富了煤矿安全生产检测检验标准体系。

升温氧化；检测；气体变化；标志气体；标准体系

煤矿安全是我国安全生产工作中的一大重要组成部分，煤自燃是矿井火灾的主要形式。据统计，在我国的国有重点煤矿中，56%以上的矿井存在自然发火危险性，由煤自燃引起的火灾占矿井火灾总数的90% 以上［1］。火灾领域计量检测已成为煤矿环境安全生产检测检验标准中的一个重要子系统。

煤自燃是煤氧复合作用的结果，且在煤与氧气发生复杂的物理化学反应的同时，还伴随有气体的生成［2］。本实验是在程序升温箱中，对不同粒度的煤样分别进行加热升温，检测其在不同温度情况下的耗氧特性、CO、CO2、C2H2、C2H4、C2H6等气体产生量等自燃特性参数，科学分析其变化规律，全面掌握煤氧化动力特性，完善矿井防灭火技术体系，指导煤矿安全生产。

1 程序升温系统

煤样装入一直径10cm、长25cm的钢管中，煤量lkg。钢管上下两端均留有2cm左右自由空间，用以保证管内通气均匀，管内采用100目铜丝网托住煤样。把装好煤样的钢管放在程序升温箱内进行加热，升温箱经可控硅控制温度的变化。由SPB-3全自动空气泵提供气体，经三通流量控制阀和浮子流量计，进入控温箱内盘旋2m长的铜管预热，流经煤样。煤样试管中产生的气体排入空气中，由针管取气，经进行气相色谱仪进行气体分析。

2 实验条件

采集大柳塔活鸡兔井12煤层煤样，在空气环境中经破碎机破碎，并筛选出0～0.9mm、0.9～3mm、3～5mm、5～7mm、7～10mm等5种不同粒径的煤样。升温箱初始温度设置成与煤样的初始温度相同，升温速度设为0.3℃/min，空气流量设为120ml/min，煤样每升高10℃进行取气分析。

3 实验结果及分析

（1）CO浓度变化检测分析 在实验初始阶段煤样中检测到含有少量的CO，这表明大柳塔煤矿活鸡兔井12煤层煤样低温氧化现象严重，在较低的温度下即可氧化产生一定浓度的CO，且CO浓度随变化趋势不是特别明显。但当煤温达到65℃时，CO浓度增长趋势开始较明显的表现出来，且随着温度的逐渐上升，这种增长趋势更加明显。说明温度越高，其进行的氧化反应更为激烈。在氧化升温实验过程中，不同粒度的煤样，生成的CO浓度大小各不相同，煤样粒度越小，生成的CO浓度越大。

（2）C2H4和C2H6浓度变化检测分析 煤样在80℃左右时开始生成极少量C2H6，且浓度不超过5ppm。随着温度的升高生成量虽有增加，但在整个实验过程中，C2H6未超过50ppm。C2H4则表现为化学性质不稳定。

（3）耗氧速率变化检测分析 煤样耗氧速度随着煤温的升高而增加，且在整体升温过程中，煤样的耗氧速度随着粒径的减小而逐渐增大，当煤温超过110～130℃之后，耗氧速度维持在较高的水平，并随煤温的继续升高略成上升趋势。

（4）临界温度和干裂温度 临界温度和干裂温度是煤自燃特征温度中的两个重要表现形式。

煤自燃临界温度是指常温下煤温逐渐升高过程中，首次使煤氧复合反应自动加速对应的温度点。

干裂温度宏观上体现为CO浓度出现第二次突增现象。

经试验数据分析，得出大柳塔活鸡兔井12煤层煤样的临界温度范围70～80℃，煤干裂温度范围120～130℃。

（5）实验结论 根据不同粒径下煤自燃氧化升温实验，可以得出以下结论：①大柳塔煤矿活鸡兔井12煤层煤样中低温氧化现象严重，在较低的温度下即可氧化产生CO。②实验数据显示CO产生速率与温度呈指数规律迅速增加，且易于检测，可把CO作为预测大柳塔矿活鸡兔井12煤层煤自然发火的标志气体；在程序升温实验过程中生成的C2H6气体浓度很低、易受风流等其他因素干扰影响，不能作为煤自燃预测预报性指标气体。③粒度对耗氧速度的影响在物理吸附阶段表现不明显；而在化学吸附阶段的影响就较为明显。不同粒度煤样，其CO产生率和耗氧速度均不相同，且与温度成指数关系。在相同的漏风供氧条件下，煤样的粒度越小，其比表面积相对越大，反应强度越激烈，耗氧速率、CO产生率也变大，化学吸附生成的热量就越多，据此认为粒度为影响煤自燃的主要因素。④大柳塔活鸡兔井12煤层煤样临界温度70～80℃，干裂温度为120～130℃。

4 结语

程序升温实验作为一种对煤氧化升温所产生气体的组分及浓度的检测方法，得到的检测结果比较真实的解释矿井煤自燃的反应机理，因此能较好的用于完善矿井火灾预测预报系统，同时也使我国的煤矿安全生产检测检验体系更加的具有科学性、合理性、适用性，对完善我国煤矿安全生产检测检验标准体系工作也有一定的重要意义。

［1］秦波涛，王德明.矿井防灭火技术现状及研究进展［J］.中国安全科学学报，2007，17（12）:80-85.

［2］张嬿妮，李士戎，罗振敏，等.基于油浴程序升温试验系统的煤自燃特性研究［J］.煤炭科学技术，2010，38（8）:85-88.