班鸿榆， 程 静
（安徽理工大学 能源与安全学院， 安徽 淮南 232000）
通过对朱集西三个不同工作面的煤样在氧浓度为21%的空气中进行低温氧化实验，分析了三个煤样在21%氧浓度下的氧气消耗量和一氧化碳、二氧化碳的产生量，计算得出不同煤样的耗氧速率、CO 和CO2气体产生速率、最大及最小放热强度等参数并绘制其与温度的关系曲线图，确定了朱集西煤的自燃特性，对朱集西煤矿煤层自燃的预测预报具有重要的指导意义[1-4]。
煤自燃气体分析试验系统主要由GC-4175 型自燃测定仪与GC-4085 型矿井气相色谱仪构成。煤样选取朱集西煤矿11502 综采工作面、11401 综采工作面、13501 轨道顺槽掘进工作面煤（下面用1 号、2 号、3 号表示）。将原煤粉碎、研磨、筛选，得到的50 克粒径为60～110 目的煤粒装入煤样罐中，设置流量为100 mL/min，温度为30～200 ℃，从刚开始的30 ℃起，温度每上升10 ℃，用密闭性容器抽取一定量的气体对其进行色谱分析。
2.1 一氧化碳生成量
图1 为朱集西煤矿三个工作面煤样的CO 浓度随温度变化的曲线图，由图可知煤样在初始阶段没有CO 产生，从整体上看煤样在低温氧化阶段产生的CO会随温度的上升而增大。1 号和2 号工作面煤样中的CO 浓度在70 ℃时开始升高，120 ℃后进一步增加，160～170 ℃之后急剧增加；
3 号工作面煤样中CO 含量在70 ℃时开始升高，110 ℃后进一步增加，140 ℃之后急剧增加。由此可知朱集西煤矿三个煤层的临界温度为70 ℃，1 号、2 号煤层的干裂温度为120 ℃，3号煤层的干裂温度为110 ℃。煤样在温度到达70℃之前煤氧反应是物理化学吸附，但当煤温到达110～120 ℃时煤样进入加速氧化阶段，煤中的许多相对稳定的侧链断裂，参加反应的活性结构增多，CO 浓度显著增加。干裂温度越高煤的变质程度越高，可以看出朱集西煤矿1 号、2 号工作面的煤层变质程度高于3 号工作面的煤层。
2.2 耗氧速率
由试验装置所设定的试验条件可知，影响炉内氧浓度变化的因素中，仅考虑随温度变化煤与氧气发生反应过程中对氧气的消耗作用。耗氧速率可以反映煤与氧的化学吸附和化学反应能力，是衡量煤的氧化性的重要指标[5]。绘制耗氧速率与温度的关系曲线（见图2）。
由图2 可知在30 ℃时三个煤样耗氧速率相互之间相差不大，3 号煤样在90～100 ℃时耗氧速率出现明显增加，1 号、2 号煤样在100～110 ℃时耗氧速率增长变快，在此时间段内煤氧反应加剧。140 ℃后各煤层耗氧速率开始分散，此时1 号工作面的耗氧速率比2 号工作面低642.43 mol/（cm3·s），比3 号工作面低711.17 mol/（cm3·s），当温度到达200 ℃时，2 号煤样耗氧速率是1 号煤层的1.2 倍，3 号煤样耗氧速率则是1 号煤样的1.5 倍，煤样整体呈指数形式升高。煤的耗氧速率越大，氧化性就越强，由此可知朱集西煤矿三个工作面煤样的氧化性强弱为3 号工作面煤样＞2 号工作面煤样＞1 号工作面煤样。
2.3 煤放热强度分析
煤氧化放热强度反映了煤在氧化反应时不同时间的放热量，计算朱集西煤矿煤样最大放热强度和煤的最小放热强度[6]。
从图3、4 中可以看出朱集西煤矿三个工作面煤样最大放热强度与煤温的变化趋势同它的耗氧速率与温度的变化趋势基本相同，两者呈正相关。在煤温到70 ℃之前，三个煤层的放热强度很小，相差不大，这是因为初期的煤氧反应以物理化学吸附为主。当温度到达110～120 ℃时，三个煤层煤样的放热强度曲线开始分散，煤氧反应以化学反应为主，放出热量变大[10]。3 号煤样在160 ℃时放热强度超过其他两个煤样，160～200 ℃煤体中参与反应的侧链断裂量大于其他两个煤层，当温度为200 ℃时，2 号煤样最大放热强度是1 号煤样的1.2 倍，3 号煤样最大放热强度比1号煤样大8.48 kJ/（cm3·s）。煤的氧化程度越高放热强度越大。所以，朱集西煤矿煤样的自燃危险性大小为：
3 号工作面煤样＞2 号工作面煤样＞1 号工作面煤样。
1）3 号工作面煤样产出的CO2浓度最多，其次是1 号工作面，最少的是2 号工作面，变质程度越低的煤比变质程度高的煤更容易充分燃烧，产生更多的CO2气体，1 号、2 号工作面煤样的变质程度基本相同，3 号工作面煤样的变质程度低于前两者。
2）煤在氧化过程中的放热强度、耗氧速率随温度的升高而增加。朱集西煤矿煤样的氧化性强弱为：3号工作面煤样＞2 号工作面煤样＞1 号工作面煤样。
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