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摘要：為探究煤礦采空區煤自燃早期氣體釋放規律，預防采空區火災，采用實驗室模擬采空區不同氧濃度下煤氧化升溫過程。實驗設計煤樣在17%、14%、12%、8%氧濃度氣流下進行程序升溫。研究結果表明：在220℃溫度以下，煤體釋放CO、CH4和CO2氣體量與煤溫成正相關，在12%氧濃度與14%氧濃度間煤的自燃能力被明顯抑制；采用CO2/CO比值與煤體溫度關系進行指數函數式擬合采空區煤自燃早期較為準確。
關鍵詞：采空區；程序升溫；煤自燃
0引言
礦井采空區因不是井下開采的重點區域，且其內部情況復雜，多發生煤自燃火災。目前煤礦采空區“三帶”常通過氧濃度分為散熱帶、氧化升溫帶和窒息帶。在氧化升溫帶煤與氧氣充分接觸，發生煤氧復合反應且熱量不易擴散，氧氣含量足以加快煤的燃燒，因此采空區內煤自燃火災多發生在氧化升溫帶。煤礦火災中因煤自燃發生的內因火災時常發生，內因火災不像外因火災一樣可以通過規章制度等管理制度避免，因此研究煤自燃規律，尋找煤自燃前期生成CO、CH4等氣體規律對預防采空區煤自燃火災具有重大意義。
1采空區煤自燃火災原因
目前煤礦井下采空區火災多發生在自燃“三帶”中的氧化升溫帶，主要原因是此處風量不足以帶走煤氧化產生的熱量且氧氣供應較為充足，從而加快了煤的煤氧復合反應并最終導致自燃。而采空區的散熱帶，按照傳統的漏風風速劃分標準，散熱帶即漏風風速在0.24m/min以上，此區域遺煤雖然有充足的氧氣發生氧化反應，但是熱量不能積聚，不易發生煤自燃現象；采空區的窒息帶為氧氣濃度10%以下，氧氣濃度過低，不足以支持煤的氧化反應，一般不會發生自燃。
2實驗設計
通過煤的程序升溫氧化實驗，模擬采空區煤自燃初期生成CO、CH4等氣體的釋放規律。本實驗采用自行設計的程序升溫—氣相色譜聯用裝置進行實驗。程序升溫裝置圖如圖1所示。根據采空區的氧化升溫帶情況，設計了3個氧氣濃度，分別為17%、14%以及12%進行自燃升溫實驗，對于采空區的窒息帶，設計了8%氧氣濃度進行實驗。原煤樣經過破碎，篩分取粒徑為0.18~0.25mm（60~80目）。實驗通入空氣流量為100mL/min，升溫速率為0.3℃/min，每10℃進行1次氣樣采集并用氣象色譜儀進行分析。
3實驗結果
整理分析不同氧濃度下程序升溫過程中生成的CO、CH4釋放情況如圖2、圖3所示。在低溫范圍內氧濃度與CO釋放量成正相關，較高氧濃度14%和17%條件下CO釋放規律較為接近，通過其CO釋放情況可以判斷14%與17%氧濃度條件下，煤樣進入快速氧化階段的溫度較為接近。12%氧濃度與14%氧濃度CO釋放情況有明顯差距，煤樣氧化程度明顯減弱，可以看出在12%氧濃度時煤樣自然氧化能力就有了明顯削弱，甚至CO釋放量接近于窒息帶氧濃度8%。由圖3可知，2組高氧濃度條件中，CH4的釋放規律仍較為接近。12%氧濃度條件下CH4釋放量明顯減少。但在窒息帶氧濃度8%條件下，在120℃之前CH4釋放量高于其他條件，120℃之后也明顯高于12%氧濃度。中間2組氧濃度實驗CO2在實驗前期75℃之前釋放量略高于其他2組，當溫度升高煤氧復合反應加快，氧氣成為反應的重要因素后，高氧濃度組整體CO2釋放量高于低氧濃度組，且在14%與12%氧濃度間出現了CO2釋放量的大幅度減少，可以進一步說明在12%氧濃度時煤的煤氧復合反應就被明顯抑制。高氧濃度組CO與CO2釋放量均在煤溫100℃時明顯增加，說明此溫度下煤氧復合反應加快。低氧濃度組CO與CO2釋放量也有所加快，但是其增長趨勢較為平緩，說明氧氣對氧化反應抑制較為強烈。用可靠性較好的指數函數法對不同煤樣在不同氧氣濃度環境下的CO2/CO數據及對應的溫度進行擬合，得到各個煤樣在不同氧氣濃度環境下的擬合曲線采用CO2/CO比值與煤體溫度關系進行指數函數式擬合得出的煤自燃預測評判模型公式。CO2與CO濃度的比值C=A1e-+y0式中T———溫度，℃；A1———比值系數；c1———溫度系數；y0———常數項。其判定模型如表1所示。采用CO2/CO比值與煤溫的關系做出的不同氧濃度下煤早期自燃指數判定模型擬合相關系數較高，因此可以將此模型用于采空區自燃三帶進行煤自燃早期判定。
4結語
(1)實驗模擬采空區自燃三帶不同氧濃度下煤釋放CO、CO2氣體規律，根據實際情況設計4個不同氧濃度進行程序升溫實驗。在設計的4個氧濃度中高氧濃度組17%和14%氣體釋放規律較為接近，在12%氧濃度時CO、CO2釋放量明顯減少，可知在12%氧濃度下煤的氧化反應已經被明顯的抑制。CO釋放量與氧濃度呈明顯正相關；變氧條件下CH4的釋放規律與CO基本相同，但在120℃之前，8%氧濃度實驗中CH4釋放量多于其他氧濃度。(2)采用指數法建立了變氧濃度下煤自然早期的評判模型。
參考文獻：
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［2］趙歡歡,朱令起,張杉,等.變氧環境下林南倉礦煤自燃早期預測模型［J］.煤炭與化工,2017，40(5):1-5.
作者:侯樹宏 周藝婷 單位:寧夏煤業公司羊場灣煤礦 華北理工大學礦業工程學院
