塔山矿3-5煤自然氧化气体生成规律实验研究

范森山

（中煤大同能源有限责任公司 塔山煤矿，山西 大同 037000）

0 引 言

已有研究表明，一般情况下煤的自然发火过程经历3个不同发展阶段，即缓慢氧化发展阶段、加速氧化阶段和激烈氧化阶段，不同氧化阶段煤温度变化范围和气体产物种类与浓度不一样[1-3]。通常可用于预测预报煤自然发火进程的气体产物包括CO、CO2、C1-C4烷烃、C2-C3烯烃及C2H2等。煤自燃气体产物包括煤自身氧化产生的气体和成煤过程中的吸附性气体[4-6]。煤吸附气体主要为CH4和CO2，另有微量其他烷烃类气体，如C2H6、C3H8、C4H10。煤自燃氧化过程除生成上述所有气体外，还生成CO、C2H4、C3H6和C2H2等气体，这几种气体组份可作为煤自燃氧化进程的标志性气体。

中煤塔山矿为近距离煤层群开采，3-5号层在开采过程中出现采空区有毒有害气体异常涌出现象，为加强煤层自然发火预测预报，制定合理的防灭火方案，对30515工作面煤层自燃氧化过程生气规律进行了实验研究。

1 工作面概况及煤自燃倾向性

中煤塔山30515工作面采用单一走向长壁后退式综合机械化低位放顶煤开采方法，全部垮落法管理采空区。工作面主采3-5号煤层，距地表垂高380 m左右。工作面走向长度1 756 m，倾向长度160 m，煤层倾角2°～9°，平均4°，煤厚12.70～18.50 m，平均14.04 m，采高4 m，放煤高度10.04 m。30515工作面北部为矿界，东部为实煤区，南部为1045回风大巷，西部为30501工作面采空区，间隔煤柱10 m，上覆2号煤层10201工作面和10215工作面采空区，层间距4.41～4.85 m，平均4.64 m。工作面布置如图1所示。

图1 3051 5综放工作面Fig.1 30515 comprehensive caving working face

中煤塔山矿为低瓦斯矿井。矿井绝对瓦斯涌出量4.95 m3/min，相对涌出量为0.8 m3/t，工作面最大绝对瓦斯涌出量1.83 m3/min，掘进面最大绝对瓦斯涌出量0.36 m3/min；矿井二氧化碳最大绝对涌出量7.08 m3/min，相对涌出量1.14 m3/t。煤样无灰基挥发分34.75%，煤的吸氧量0.43 cm3/g，为Ⅱ类自燃煤层，煤层最短自然发火期83 d。

2 煤自燃氧化实验

2.1 实验系统

实验采用沈阳煤科院研制的煤自然发火模拟测试系统，该测试系统包括加热系统、温度控制系统、气路系统、色谱分析系统和数据采集系统。煤自然发火模拟测试系统结构简图如图2所示。

图2 煤自然发火模拟测试系统结构图Fig.2 Structure diagram of coal spontaneous combustion simulation test system

2.2 实验步骤

选取30515综放工作面以及后溜槽放顶煤为实验煤样。井下取得煤样后，首先送至实验室采用煤样粉碎机进行破碎，筛分出粒度为100目的煤样50 g，将煤样放入存储罐内，随后置于程序控温箱内。在实验前首先对各气路管道进行气密性检查，校准无误后开始实验。

实验过程中，以100 cm3/min的速度向煤样室充入干空气，控温箱初始温度设置为25℃，升温速度在25～80℃时控制为0.5℃/min，80～200℃时为1.0℃/min，200～300℃时为2.0℃/min，加热过程气体取样间隔时间控制为20 min每次。分别研究了正常供氧环境即O2体积分数为20.9%时的自燃氧化过程，如图3～图5所示，以及O2体积分数为10.0%、7.0%的低氧环境煤的氧化过程，如图6～图7所示。

图5 煤样自然发火过程烯烷比Fig.5 Ratio of ene to alkanes during spontaneous combustion of coal sample

2.3 实验结果

2.3.1 3-5煤自燃氧化气体生成规律

（1）CO、CO2、CH4气体生成规律。

CO是煤氧化过程中出现最早的氧化气体产物，且贯穿于整个煤样氧化过程，如图3所示。研究煤样CO产生的临界温度为49℃。CO气体生成量随煤样温度升高大体呈指数型增加，煤温升至137℃之前，生气量较低，137～191℃时增速加快，191℃后增速进一步增大。CO2生气量随煤样温度升高同样呈指数型增加，煤温升至85℃之前，生气量较低，85℃至191℃时增速加快，191℃后增速急剧增大。CH4生气量随煤样温度升高呈3个阶段，煤温升至159℃之前，生气量较低，159～231℃时增速加快，231℃后增速进一步增大。

图3 煤样升温氧化过程常规气体体积分数变化Fig.3 Changes of conventional gas volume fraction during heating oxidation of coal samples

（2）其他烃类气体生成规律。

煤自燃氧化过程中，烷烃气体C2H6、C3H8、C4H10与烯烃气体C2H4、C3H6生成规律一致，随煤温升高呈缓慢增长—加速增长—降低3个阶段，且各变化阶段临界温度同步；随煤温升高，各烃类气体生成量随C原子数增多而减少；随煤温升高，烷烃类气体生成量＞烯烃类＞炔烃类，如图4所示。由各烃类气体生气规律，可推测除部分CH4为吸附气外，其余CH4及各烃类气体主要是实验煤样自燃氧化过程所生成。C2H2气体生成表明煤氧化进入燃烧阶段，随煤温升高而增多，生气量微少。

图4 煤样升温氧化过程烃类气体体积分数变化Fig.4 Volume fraction change of hydrocarbon gases during heating oxidation of coal samples

结合实验过程O2消耗量及CO、CO2生气量变化，可知实验煤样在自然氧化过程同样遵循3个发展阶段，其中缓慢氧化发展阶段，煤温＜159℃，耗氧量低，CO、CO2生成缓慢；加速氧化阶段，C2H4气体生成，煤温159～231℃，耗氧量开始增大，CO、CO2生气量逐渐增大；激烈氧化阶段，煤温＞231℃，烯烷比达峰值（图5），耗氧量急剧增大，O2体积分数快速下降，CO2生气量陡增，CO生气量也呈现大幅增加。

实验煤样取自低瓦斯矿井煤层，煤吸附CH4、CO2量较低，由图3、图4可知，在煤温较低的缓慢氧化阶段，亦即煤样初始加热阶段，已有CO2和CH4生成，而其他烷烃类、烯类和C2H2气体直到加速氧化阶段后才陆续生成，因此推测初期生成的CO2和CH4气体主要为吸附气，且煤中CO2的吸附量要高于CH4。

2.3.2 不同供氧环境煤自燃氧化气体产物

对实验煤样进行了不同供氧环境自然发火模拟试验，供给的氧气体积分数分别为20.9%、10.0%和7.0%。图6、图7为不同供氧量CO、C2H4、C3H6的生气特征。

图6 不同供氧量煤样升温氧化时CO生气特征Fig.6 Characteristics of COgas generation during heating oxidation of coal samples with different oxygen supply

图7 不同供氧量煤样升温氧化时烯烃生气特征Fig.7 Olefin gas generation characteristics of coal samples with different oxygen supply during heating oxidation

由实验结果可知，实验煤样在不同供氧条件下各气体产物随煤温升高整体变化趋势一致；相同温度条件，各主要气体产物生气量随供氧量降低而减少，即降低氧气体积分数能有效拟制煤的氧化。

3 结 论

（1）中煤塔山矿3-5号煤自燃氧化过程CO、CO2生气量随煤样温度升高呈指数型增加，CO产生的临界温度为49℃。缓慢氧化阶段，煤温＜159℃，吸附性的CO2和CH4气体逸散；加速氧化阶段，煤温159～231℃；激烈氧化阶段，煤温＞231℃，烯烷比达峰值，耗氧量急剧增大，CO2生气量陡增。

（2）3-5号煤自燃氧化过程，烷烃气体C2H6、C3H8、C4H10与烯烃气体C2H4、C3H6生成规律一致，随煤温升高呈缓慢增长—加速增长—降低3个阶段；随煤温升高，各烃类气体生成量随C原子数增多而减少；随煤温升高，烷烃类气体生成量＞烯烃类＞炔烃类。

（3）相同温度条件，各主要气体产物生气量随供氧量降低而减少，表明降低氧气体积分数能有效拟制3-5号煤的氧化。