张双楼煤矿煤炭氧化自燃试验与分析

1、张双楼煤矿煤炭氧化自燃实验与分析李 莉,张人伟 ,裴晓东 ,王 亮(中国矿业大学能源与安全工程学院 ,江苏徐州 221008)摘 要 :为了找出张双楼煤矿预测预报煤层自燃的可靠指标,通过对该矿烟煤的升温氧化试验 ,全面地分析了烟煤氧化的气体成分变化规律,得出烟煤氧化存在五级氧化过程。张双楼煤矿预测预报煤炭自燃应采 用以CO为主、C2H6和C2H4为辅的标准气体指标。关键词:氧化速率 ;五级氧化 ;标志性气体中 图 分 类 号 :TD75+2.2文 献 标 识 码 :A文 章 编号:1003-496X(2006)02-0008-03ExperimentandAnalysisonCoalSpont

2、aneousCombustioninZhangshuanglou CoalMineLILi,ZHANGRen-wei,PEIXiao-dong,WANGLiang(CollegeofEnergySo urcesandsafety,CUMT,Xuzhou221008,China)Abstract:Throughtheexperime ntofthetemperatureraisingoxidizetestingtothebituminouscoalofZhangshua ngloucoalmine,thisarticlecompletelyanalyzedthechanginglawsofthe

3、compo sitionofthegas,andgivesthefiveoxidizingprocessintheoxidationofbi-tuminou scoal,andproposesomereliableindexwhichpredictsthecoal ' sspontaneousco mbustioninZhangshuangloucoalmine.TheconclusionisthattheZhangshuangl oucoalmine ' sspontaneouscombustionpredictiongasmarkershouldadoptthe asthe

4、mainandandastheassistant.Keywords:oxidizespeed;fivegasoxidizing;g asmarker张双楼矿区位于距徐州市区北约7.5km,新井设计生产能力为120万t/a。矿井开拓方式为立井3个水平上山开拓，水平标高分别为-540m,-670m,-800m。井田换行内有两个可采煤层，自上而下为7#、9# 煤层。矿井工作面采用走向长壁采煤法。张双楼煤矿各煤层均属中等变质的烟煤 ,并由上到下煤质变质程度逐渐 增大,硫含量也有所增加。 该矿为低瓦斯矿井 ,煤层有自然发火性 ,发火期 为 1218 个月。1 煤层氧化自燃模拟实验系统1.1 煤层氧化自燃

5、模拟实验装置该装置主要由程序控温炉、煤样罐、 测温元件、温度测量和控制系统、气体质量流量控制器、除湿和降温 装置、氧气分析仪和计算机等构成 （见图 1）。其中,程序控温炉的炉膛为不锈钢内胆 ,外加石棉保温层。 炉中装有 1200W 的加热器 ,其加热功率由计算机程序控制。内装 1400r/min 的电 扇,以保证炉膛内温度均匀。 炉温保持在计算机设定的温度 ,控温精度为 士 0.1。煤样罐采用铸铜结构，密封材料为聚四氟乙烯，能耐350C以上 的高温,其内部安装精密铂电阻感温元件。图 1 煤氧化实验装置气体流量控制采用质量流量控制器 ,流量范围为 104000mL/min。1.2 煤层氧化自燃模

6、拟实验方法(1)试样制备。在新暴露煤壁采集煤样 ,并现场封装 ,运至实验室。按一定 比例 ,合理选择一定量各试点煤块在常温下进行破碎,用分子筛选取其中4060目的煤样颗粒约400g作为实验用煤样，破碎用时1.5h。(2)实验方法。利用2000型煤炭自燃特性测试仪，在35C与70C时定风 量和变风量条件下,对煤样进行煤炭氧化自 燃模拟研究及升温 (30180C)条件下的煤炭氧化自燃模拟研究；在实验基础之上分析了煤 炭自燃的变化规律及原因 ,并利用下面的公式计算CO气体生成量：Vco二Lair x CcoG式中 VcoCO气体生成量，mL/(min kg);Lair空气流量,mL/min;CcoO

7、气体浓度,10-6;G样质量，kg。2 烟煤氧化自燃实验与 换行分析实验条件采用最易于煤炭氧化自燃的通气量:50mL/min,相当于风速0.1m/min;升温范围为30180C (最后 达到烟煤氧化自燃着火点或 CO释放量急剧增加点)，升温速率1C/min, 实验煤样粒度4060目，质量45g煤炭氧化自燃升温实验测定结果如表1 、图 2 所示。从表 1 与图 2可以看出 ,张双楼煤矿烟煤氧化存在以下规律图2 CO浓度随温度变化曲线(1)烟煤在30C的常温下，煤样即可释放出CO气体。(2) 在60C以下时,CO的放出量上升速率较小；到70C时CO放出量与常温30 C相比增加5.1倍，说明氧化速度

8、开始加强；70100C与常温30C相比,CO放出量增加19.9倍;100120C时，氧化速度开始平稳向上增加；到130170C，氧化速 度急剧增加；达到180C时，煤样进入燃烧阶段,CO放出量达到正常氧化 的1783倍以上。超过180C时,CO放出量开始减少。(3) 由表 1、图 2分析可知:烟煤在初始升温时氧化缓慢平稳,CO释放量较小，其浓度为2.3 X 10-6 左右。换行在3070C的升温过程中，即煤炭氧化自热前期，氧化速 度开始加快,CO浓度也随之缓慢增加，由2.3 X 10-增至14X 10-6随温度上升的速率为 0.293 X 10-6/。 温度超过70 C即煤炭氧化进入自热后期，

9、氧化速度较前期明显加快,CO释放量出现一个突变，至100C、CO释放量增至48X10-6随温度上升速率增大为1.13 X 10-6/，形成煤炭氧化自热后期的第一级氧化加 速过程。 在100120C升温过程中，氧化速度又有明显加快。CO浓度的释放量 增至150X 10-6随温度上升速率为5.1 X 10-6/,这是煤炭氧化自热后期 的第二级氧化加速过程。 在 120140/升温过程中 ,氧化速度进一步加快 ,CO 释放量增至372 X 10-随温度上升速率达11.1 X10-6C，形成煤炭氧化自热后期的第三级氧化加速过程。 至160C时,氧化速度达到一个高峰,CO释放量达到950 X 10-随温

10、度 上升速率增大为 28.9X 10-6C，这是煤炭氧化自热后期的第四级氧化加速过程。 在160180C的升温过程中，氧化速度达到峰值,CO释放量达到4100 X 10-随温度上升速率增大为157.5 X 10-6C，这一阶段称为煤炭氧化自热后期的第五级加速 阶段。综上可知 ,烟煤在自热后期存在五级氧化过程 ,氧化各阶段的参数如表 2 所示。(4)根据煤样升温氧化的CO曲线与氧化过程分析可知： 烟煤在3070C的氧化自热前期，处于初级氧化阶段；说明煤的外在 水分影响较为明显 ,此阶段的氧化速率上升较缓。 当温度达到70100C时,煤的外在水分挥发，出现氧化速度加剧，CO 释放量急剧增加 ,氧化

11、速率迅速上升 ；这一时期是煤炭自燃预测预报与 防治的主要时期。换行当温度达到100120C ,CO放出量进一步增 加,煤的内在水分挥发 ,因此出现煤的新一轮氧化加速。 当温度达到140160C时，煤样氧化速度急剧增加，说明煤样着火点 较低,结晶水的解析对氧化的影响产生了效果。 温度达180C后,煤样进入燃烧阶段，氧化速率减缓。(5)烟煤氧化的烷烃类气体分析。张双楼煤矿烟煤氧化的烷烃类气体实测结果图 3 所示分析如下: 烟煤在180C达到着火点，此时只有C2H4与C2H6两种气体释放。 C2H4气体在温度为130C时开始释放，量较少,仅为0.55 X 10达150C 迅速增加。 C2H6气体在120C时开始析出，量较少，仅为0.29 X 10达,140C迅速 增加。3结论 根据张双楼煤矿烟煤在实验室的氧化自燃实验结果,结合现场实际分析 ,可得出以下结论 :张双楼煤矿烟煤存在五级氧化过程,该煤矿预测预报煤炭自燃应采用以CO为主、C2H6和C2H4为辅的标准气体指标。(1) 在常温30C条件下，煤炭即可释放出CO气体。(2) 在综采放顶煤条件下 ,采空区风速为 换行0 . 1 m/min 左右时,煤炭氧化 较强烈 , 易于自燃。当温度达到70100C时