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无烟煤在无氧程序升温过程中 CO生成规律研究
2019-05-20
为给煤矿井下火灾监测和预警提供依据,需要监测引起火灾的标志性气体浓度等。 通过热重和红外实验分析了无烟煤在无氧程序升温过程中 CO的产生与变化规律。结果表明,实 验中无烟煤有 2个阶段失重较快,第一阶段温度为 30~200℃,该阶段无 CO生成;第二阶段温度 为 400~700℃,是产生 CO的主要阶段,最高浓度约 26.9×10-6 。实际生产中,采煤机滚筒截齿与 煤体碰撞的瞬间产生高温,导致煤分子中的某些共价键断裂,从而产生 CO,说明高速运转的滚筒截 齿与煤体碰撞过程可以产生 CO,从而引起火灾危险性,需引起注意
Serial No. 600 April. 2019 现ꢀ 代ꢀ 矿ꢀ 业 MODERN MINING 总第 600期 2019 年 4 月第 4 期 无烟煤在无氧程序升温过程中 CO 生成规律研究 1 何俊忠 ꢀ 韩ꢀ 兵 2,3 ( 1. 离柳集团宏岩煤矿;2. 煤科集团沈阳研究院有限公司;3. 煤矿安全技术国家重点实验室) ꢀ ꢀ 摘ꢀ 要ꢀ 为给煤矿井下火灾监测和预警提供依据,需要监测引起火灾的标志性气体浓度等。 通过热重和红外实验分析了无烟煤在无氧程序升温过程中 CO 的产生与变化规律。 结果表明,实 验中无烟煤有 2 个阶段失重较快,第一阶段温度为 30 ~ 200 ℃,该阶段无 CO 生成;第二阶段温度 - 6 为 400 ~ 700 ℃,是产生 CO 的主要阶段,最高浓度约 26. 9×10 。 实际生产中,采煤机滚筒截齿与 煤体碰撞的瞬间产生高温,导致煤分子中的某些共价键断裂,从而产生 CO,说明高速运转的滚筒截 齿与煤体碰撞过程可以产生 CO,从而引起火灾危险性,需引起注意。 关键词ꢀ 一氧化碳ꢀ 无氧环境ꢀ 程序升温ꢀ 无烟煤 DOI:10. 3969 / j. issn. 1674ꢁ6082. 2019. 04. 063 ꢀ ꢀ 火灾是煤矿的 5 大灾害之一,具有极强的破坏 此来探究采煤机截齿与煤碰撞时 CO 的产生和变化 规律。 实验仪器主要有 STA6000 综合热分析仪(美 国 Perkin Elmer 公司生产)、Spectrum 100 傅里叶变 换红外光谱仪(美国 Perkin Elmer 公司生产)等,利 用综合热分析仪在无氧(惰性气体环境下) 条件下 对无烟煤进行升温控制,并对升温过程中 CO 气体 产生进行监测,定量分析无烟煤在无氧环境下不同 温度时的 CO 气体产生规律。 性和危害性,是煤矿生产和工人人身安全的重大威 [ 1ꢁ3] 。 煤矿火灾隐蔽性强,其中内因火灾主要是由 胁 于煤层在自然堆积条件下经不断氧化造成的,防治 工作难度很大。 一般通过监测井下气体成分、浓度 变化来判断发生火灾的可能性,要求所选择的标志 [ 4ꢁ6] 。 在 性气体具有代表性、准确性、灵敏度等特点 标志性气体选择过程中,要充分考虑到煤矿生产中 [ 7ꢁ8] 。 比如采煤机截齿 各个环节产生的气体的干扰 3ꢀ 煤样的选取 与煤接触过程中瞬间高温产生的气体与采空区缓慢 升温过程产生的气体存在差异性。 以晋城矿区某煤 矿 15 号煤层为研究对象,探究无烟煤在无氧条件下 升温过程中 CO 气体的产生是规律,以期为矿井火 灾监测与预警提供理论依据。 实验煤样采自某矿 153501 回采工作面,在工作 面切眼处采用刻槽法采取煤样,混合后,采用半分法 选取 2 kg 煤样,装入煤样袋中,密封保存,送实验 室。 在充满氮气的密封箱内选取 20 g 代表性煤样 放入综合热分析仪,进行密封待用。 1 ꢀ 矿井概况 4ꢀ 实验与结果分析 晋城矿区某煤矿生产能力为 1. 80 Mt/ a,矿井采 4. 1ꢀ 热重实验 用综合机械化采煤,一次采全高,全部自然垮落法管 理顶板。 掘进采用综掘工艺,顶板支护采用锚杆、锚 索联合支护。 矿井现开采 9 号、15 号煤层,其中 15 号煤层平均厚度 2. 66 m,无煤尘爆炸危险性,为二 类自燃煤层。 利用综合热分析仪进行热重实验,按以下程序 对无烟煤煤样进行升温:①按升温速率 20 ℃ / min 从 30 ℃升到 200 ℃;②在 200 ℃ 恒温 35 min;③继 续按升温速率 20 ℃ / min 升至 800 ℃;④在 800 ℃ 恒温 20 min。 2 ꢀ 实验原理与仪器 实验目的是研究无烟煤在无氧环境中,通过系 实验环境气体为氦气, 纯度 99. 999% , 以 50 mL/ min 流速通过实验仪器。 煤样失重率随温度变 化规律见图 1。 统程序升温,分析煤样中 CO 的产生与变化规律,以 从图 1 可以看出,热重实验中无烟煤热解过程 中有 2 个阶段的失重速率较快:①第 1 阶段为温度 从 30 ℃升至 200 ℃,该阶段的主要反应为煤样脱 水、吸附气体脱除和活性官能团脱除,失重率达 ꢀ ꢀ 何俊忠(1970—),男,矿长,工程师,033402 山西省吕梁市中阳 县张子山乡。 通信作者ꢀ 韩ꢀ 兵(1985—),男,工程师,110000 辽宁省沈阳市 沈河区东滨河路 108 号。 2 12 ꢀ ꢀ 何俊忠ꢀ 韩ꢀ 兵:无烟煤在无氧程序升温过程中 CO 生成规律研究ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ 2019 年 4 月第 4 期 至 96 min 时,红外光谱图中 CO 吸收峰消失,之后 CO 浓度基本为零,此时实验温度为 700 ℃。 因此 CO 产生温度在 400 ~ 700 ℃。 在矿井采煤过程中, 采煤机滚筒截齿与煤体激烈碰撞的瞬间,在煤体接 触面生成大量的热量。 当接触面温度达到 400 ℃以 上时,煤体中的共价键将断裂,随之产生 CO。 5 ꢀ 结ꢀ 论 ( 1)无烟煤热解实验中失重较快的第一阶段温 图 1ꢀ 煤样失重率随温度变化曲线 度为 30 ~ 200 ℃,该阶段主要是干燥脱水、吸附气体 的 脱 除 及 部 分 活 性 官 能 团 的 脱 除, 失 重 率 为 1 1. 28% 。 ②第 2 阶段为温度从 400 ℃升至 700 ℃, 该阶段煤样内部发生了较强烈的反应,此时煤的大 分子结构中的桥键和侧链发生断裂并开始脱除,释 放出大量的气体和焦油,同时发生开环和脱氢等二 次反应,失重率为 25. 43% 。 1 1. 28% ,无 CO 生成,说明煤样本身并未吸附 CO。 2)无烟煤热解实验中失重较快的第二阶段温 ( 度为 400 ~ 700 ℃,该阶段煤样内部发生了较强烈的 反应,煤的大分子结构中的桥键和侧链发生断裂并 开始脱除,该阶段释放出大量的气体和焦油,同时发 生开环和脱氢等二次反应,失重率 25. 43% ,该阶段 是 CO 产生的主要阶段,说明在升温过程中,煤分子 中的某些共价键发生断裂,产生了一定量的 CO,最 4 . 2ꢀ 红外实验 实验目的是监测并定量分析热重实验中产生的 CO 气体,无氧环境下程序升温过程中 CO 的产生及 变化情况。 产生的 CO 气体经综合热分析仪通过导 管进入 Spectrum 100 傅里叶变换红外光谱仪,通过 采集 CO 数据、生成光谱谱图,进行定量分析,从而 分析无烟煤在无氧升温实验中 CO 的产生规律。 CO 产生量达到高峰时的红外光谱见图 2,无烟煤在无 氧升温实验中 CO 浓度变化见图 3。 - 6 大浓度为 26. 9×10 。 ( 3)在矿井采煤过程中,采煤机滚筒截齿与煤 体激烈碰撞的瞬间在煤体接触面生成大量的热量, 当接触面温度达到 400 ℃ 以上时,煤体中的共价键 将断裂,随之产生 CO。 当煤矿井下 CO 达到一定浓 度时,就存在火灾发生的可能性。 监测 CO 浓度,并 在浓度限值前进行预警,有利于预防煤矿井下火灾, 保证安全生产。 参ꢀ 考ꢀ 文ꢀ 献 [ [ [ 1]ꢀ 肖ꢀ 旸,王振平,马ꢀ 砺,等. 煤自燃标志性气体与特征温度的 对应关[J]. 煤炭科学技术,2008(6):47ꢁ51. 2]ꢀ 胡新成,杨胜强,周秀红. 煤层自然发火标志性气体研究[ J]. 煤炭技术,2012(5):94 ꢁ96. 图 2ꢀ CO 产生量达到高峰时的红外光谱 3]ꢀ 罗海珠,钱国胤. 各煤种自燃发火标志气体指标研究[J]. 煤矿 安全,2003(1):5ꢁ10. [ [ 4]ꢀ 张国枢. 通风安全学[M]. 徐州:中国矿业大学出版社,2007. 5]ꢀ 谢振华,金龙哲,任宝宏. 煤炭自燃特性与标志性气体的优选 [ J]. 煤矿安全,2004(2):10ꢁ12. [ [ [ [ [ 6]ꢀ 刘志强. 采空区煤自燃预测指标及其预警指标的研究[J]. 煤 矿开采,2013(2):99ꢁ102. 7]ꢀ 唐明云. 采空区煤炭自燃预测预报方法及探讨[J]. 煤炭技术, 2 004(10):104ꢁ106. 8]ꢀ 王新宇,邬剑明,吴玉国. 神东矿区工作面 CO 来源分析及超限 控制措施[J]. 煤矿安全,2014(8):132ꢁ134. 图 3ꢀ 无烟煤在无氧升温过程中 CO 浓度变化曲线 图 2、图 3 表明,煤样升温 54 min 时开始产生 CO,此时煤样失重速率加快,实验温度约 400 ℃;之 前未检测到 CO,表明产生 CO 并非煤样吸附气体。 当升温实验进行至 74 min 时,CO 浓度达到峰值 9]ꢀ 贾海林,余明高,潘荣琨,等. 煤吸附流态氧特性的测定及其自 燃原因分析[J]. 安全与环境学报,2005(2):112ꢁ114. 10]ꢀ 郭庆凯,彭担任. 徐州矿区煤自燃标志性气体的研究[ J]. 矿 业快讯, 2007(10):48ꢁ50. ( 收稿日期 2018ꢁ12ꢁ16ꢀ 责任编辑ꢀ 罗主平) - 6 6. 9×10 ,此时实验温度为 600 ℃。 升温实验进行 2 2 13
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