青岗坪煤矿自然发火标志气体来源研究(3)
3.2 采空区遗煤氧化CO产生规律
为模拟破碎煤体在采空区内的氧化规律,取工作面新鲜煤样,在实验室中研究在空气环境下煤粉碎过程中CO的产生与变化规律。实验工况条件如下:①粒度100目(<0.15 mm);②质量为1 g;③供气流量为100 mL/min;④25~80 ℃时升温速率为0.5 ℃/min,80~200 ℃时升温速率为1.0 ℃/min,200~300 ℃时升温速率为2.0 ℃/min;⑤气样采集间隔时间<20 min/次。
在上述实验条件下测得的4-2号煤层煤样产生CO随煤温的变化情况如图4所示。
图4 煤样升温过程中CO浓度与煤温关系Fig.4 The relationship between CO concentration and coal temperature during heating process of coal sample
由实验结果可知,CO的产生量随着煤温的升高而上升,其产生的临界温度为49 ℃左右,并贯穿于整个自燃氧化过程,169 ℃之前,这种变化表现为单一递增关系,并基本符合指数关系,拟合关系式为y=,拟合优度为0.949。由于青岗坪煤矿4-2号煤属于容易自燃煤层,煤体自然氧化速度快,加之采用放顶煤的采煤工艺,采空区遗煤与顶煤留存较多,这部分煤的氧化过程会在较低温度下产生CO。因此,采空区遗煤与顶煤低温氧化生成的CO是回风隅角及密闭墙内CO的主要来源。
3.3 采煤时高温氧化CO产生规律
采煤机割煤时滚筒与煤体碰撞产生的瞬间高温也会氧化煤体释放CO,该现象也可以通过实验室有氧升温实验进行模拟推演。
有研究表明,采煤机滚筒截齿最高瞬时温度可达600 ℃以上,但时间极短,且采煤机上配有喷雾降尘,可降低其温度。利用手持式红外测温仪在现场测得采煤时落煤实际温度为70 ℃左右,在实验室环境下当温度超过290 ℃后,煤就会出现大量烟雾,甚至出现明火,所以实验温度控制在0~260 ℃,在70 ℃处恒温6 min。在70 ℃左右,CO浓度平均30×10-6。从70 ℃降到25 ℃的过程中,CO平均浓度为10.21×10-6。这说明在空气环境下采煤机滚筒截齿与煤体碰撞中产生高温造成煤体氧化产生CO浓度在10×10-6~30×10-6变化。因为采煤产生的CO主要随着风流流入回风巷,在回风隅角处聚集较少,也不会进入采空区,所以采煤机采煤时产生的CO不是回风隅角及密闭墙内CO的主要来源。
4 结论
(1)利用钻屑法和实验室测试确定了青岗坪煤矿4-2号煤层原生气体中不含有CO、C2H4和C2H2,但含有一定量的烷烃类,其中以C2H6为主,浓度约为300×10-6。
(2)通过施工钻孔取样,确认了青岗坪煤矿4-2号煤层上覆含油砂岩层内的气体成分中烃类组分主要为CH4、C2H6、C3H8等,不含CO、C2H4、C3H6和C2H2等气体。
(3)通过实验室程序升温实验,确定4-2号煤低温氧化时在49 ℃左右开始产生CO,169 ℃之前这种变化表现为单一递增关系,确定采空区遗煤与顶煤低温氧化生成的CO是回风隅角及密闭墙内CO的主要来源。
(4)采煤机采煤时瞬时高温对煤体氧化会产生CO,但生成量较小,不是回风隅角及密闭墙内CO的主要来源,但会干扰对采空区自然发火进程的判断。
(5)通过在煤层和含油砂岩层采集气样进行实验室检测,进一步验证了《青岗坪煤矿4-2号煤层自然发火标志气体及临界值测定》报告中所提及的CO、C2H4、C3H6和C2H2等气体可作为该矿井的自然发火标志性气体,但报告中指出的烯烷比(C2H4/C2H6)与链烷比(C3H8/C2H6)均不适合作为判断青岗坪煤矿自然发火进程的指标。
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文章来源:《油气储运》 网址: http://www.yqcyzz.cn/qikandaodu/2021/0701/484.html
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