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摘要：为探究煤矿采空区煤自燃早期气体释放规律，预防采空区火灾，采用实验室模拟采空区不同氧浓度下煤氧化升温过程。实验设计煤样在17%、14%、12%、8%氧浓度气流下进行程序升温。研究结果表明：在220℃温度以下，煤体释放CO、CH4和CO2气体量与煤温成正相关，在12%氧浓度与14%氧浓度间煤的自燃能力被明显抑制；采用CO2/CO比值与煤体温度关系进行指数函数式拟合采空区煤自燃早期较为准确。
关键词：采空区；程序升温；煤自燃
0引言
矿井采空区因不是井下开采的重点区域，且其内部情况复杂，多发生煤自燃火灾。目前煤矿采空区“三带”常通过氧浓度分为散热带、氧化升温带和窒息带。在氧化升温带煤与氧气充分接触，发生煤氧复合反应且热量不易扩散，氧气含量足以加快煤的燃烧，因此采空区内煤自燃火灾多发生在氧化升温带。煤矿火灾中因煤自燃发生的内因火灾时常发生，内因火灾不像外因火灾一样可以通过规章制度等管理制度避免，因此研究煤自燃规律，寻找煤自燃前期生成CO、CH4等气体规律对预防采空区煤自燃火灾具有重大意义。
1采空区煤自燃火灾原因
目前煤矿井下采空区火灾多发生在自燃“三带”中的氧化升温带，主要原因是此处风量不足以带走煤氧化产生的热量且氧气供应较为充足，从而加快了煤的煤氧复合反应并最终导致自燃。而采空区的散热带，按照传统的漏风风速划分标准，散热带即漏风风速在0.24m/min以上，此区域遗煤虽然有充足的氧气发生氧化反应，但是热量不能积聚，不易发生煤自燃现象；采空区的窒息带为氧气浓度10%以下，氧气浓度过低，不足以支持煤的氧化反应，一般不会发生自燃。
2实验设计
通过煤的程序升温氧化实验，模拟采空区煤自燃初期生成CO、CH4等气体的释放规律。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。程序升温装置图如图1所示。根据采空区的氧化升温带情况，设计了3个氧气浓度，分别为17%、14%以及12%进行自燃升温实验，对于采空区的窒息带，设计了8%氧气浓度进行实验。原煤样经过破碎，筛分取粒径为0.18~0.25mm（60~80目）。实验通入空气流量为100mL/min，升温速率为0.3℃/min，每10℃进行1次气样采集并用气象色谱仪进行分析。
3实验结果
整理分析不同氧浓度下程序升温过程中生成的CO、CH4释放情况如图2、图3所示。在低温范围内氧浓度与CO释放量成正相关，较高氧浓度14%和17%条件下CO释放规律较为接近，通过其CO释放情况可以判断14%与17%氧浓度条件下，煤样进入快速氧化阶段的温度较为接近。12%氧浓度与14%氧浓度CO释放情况有明显差距，煤样氧化程度明显减弱，可以看出在12%氧浓度时煤样自然氧化能力就有了明显削弱，甚至CO释放量接近于窒息带氧浓度8%。由图3可知，2组高氧浓度条件中，CH4的释放规律仍较为接近。12%氧浓度条件下CH4释放量明显减少。但在窒息带氧浓度8%条件下，在120℃之前CH4释放量高于其他条件，120℃之后也明显高于12%氧浓度。中间2组氧浓度实验CO2在实验前期75℃之前释放量略高于其他2组，当温度升高煤氧复合反应加快，氧气成为反应的重要因素后，高氧浓度组整体CO2释放量高于低氧浓度组，且在14%与12%氧浓度间出现了CO2释放量的大幅度减少，可以进一步说明在12%氧浓度时煤的煤氧复合反应就被明显抑制。高氧浓度组CO与CO2释放量均在煤温100℃时明显增加，说明此温度下煤氧复合反应加快。低氧浓度组CO与CO2释放量也有所加快，但是其增长趋势较为平缓，说明氧气对氧化反应抑制较为强烈。用可靠性较好的指数函数法对不同煤样在不同氧气浓度环境下的CO2/CO数据及对应的温度进行拟合，得到各个煤样在不同氧气浓度环境下的拟合曲线采用CO2/CO比值与煤体温度关系进行指数函数式拟合得出的煤自燃预测评判模型公式。CO2与CO浓度的比值C=A1e-+y0式中T———温度，℃；A1———比值系数；c1———温度系数；y0———常数项。其判定模型如表1所示。采用CO2/CO比值与煤温的关系做出的不同氧浓度下煤早期自燃指数判定模型拟合相关系数较高，因此可以将此模型用于采空区自燃三带进行煤自燃早期判定。
4结语
(1)实验模拟采空区自燃三带不同氧浓度下煤释放CO、CO2气体规律，根据实际情况设计4个不同氧浓度进行程序升温实验。在设计的4个氧浓度中高氧浓度组17%和14%气体释放规律较为接近，在12%氧浓度时CO、CO2释放量明显减少，可知在12%氧浓度下煤的氧化反应已经被明显的抑制。CO释放量与氧浓度呈明显正相关；变氧条件下CH4的释放规律与CO基本相同，但在120℃之前，8%氧浓度实验中CH4释放量多于其他氧浓度。(2)采用指数法建立了变氧浓度下煤自然早期的评判模型。
参考文献：
［1］刘继勇.综放面采空区“三带”规律及自燃危险性研究［J］.陕西煤炭,2005(4):7-9.
［2］赵欢欢,朱令起,张杉,等.变氧环境下林南仓矿煤自燃早期预测模型［J］.煤炭与化工,2017，40(5):1-5.
作者:侯树宏 周艺婷 单位:宁夏煤业公司羊场湾煤矿 华北理工大学矿业工程学院
