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第45卷 第3期 2019年3月 工矿自动化 Industry and Mine Automation Vol. 45 No. 3 Mar. 2019 文章编号671-251X201903-0018-06 DOI 10. 13272/j. issn. 1671-251x. 2018090037 采空区内煤自燃气体特征及产生规律分析 周冬1， 刘贞堂1， 钱继发1， 林松1， 刘冠华1 1.中国矿业大学安全工程学院， 江 苏 徐 州 221116 2. Key Laboratory of Gas and Fire Control for Coal Mines’ China University of Mining and Technology’ Xuzhou 221116 ’ China Abstract At present’ there are few researches on coal spontaneous combustion with different metamorphic degree under environment conditions of simulated gradually heated goaf. Taking 4 kinds of metamorphic coal samples’ such as coke lean coal’ gas-fat coal’ anthracite coal and fat coke coal as example’ the experiment of coal spontaneous combustion was carried out by using simulation system of coal spontaneous combustion to study combustion characteristics of coal and generation rules of spontaneous combustion gas under goaf environment. Experiment results show that when coke lean coal’ gas-fat coal’ anthracite and fat coke coal are warmed up’ the temperature will rise “ S“ type. The early temperature will have a slow accumulation process at first and then start to heat up quickly’ and finally tend to balance at 300 C ’ and then slowly rising. Different coal samples produce volatile gases such as hydrocarbons and carbon oxides during the spontaneous combustion process and the rate of ation is affected by temperature’ as well as the maximum and minimum two inflection points are present. The temperature rise curve of anthracite coal is similar to a straight line’ and the gas curve does not fluctuate 收稿日期 2018-09-13;修回日期 2018-12-26;责任编辑 张强。 基金项目 国家自然科学基金资助项目（ 51174200。 作者筒介 周冬（ 1995 ） ， 男 ， 江苏徐州人， 硕士研究生， 研究方向为瓦斯煤尘爆炸及防治， E-mail11214304qq com。 引用格式 周 冬 ， 刘 贞 堂 ， 钱继发， 等 .采 空 区 内 煤 自 燃 气 体 特 征 及 产 生 规 律 分 析 工 矿 自 动 化 ， 2019， 4538-22. ZHOU Dong,LIU Zhentang,QIAN Jifaet al. Analysis of gas characteristics and generation rules of coal spontaneous combustion in goaf[J]. Industry and Mine Automation,2019,453 ； 18-22. 2 0 1 9 年 第 3 期 周 冬 等 采 空 区 内 煤 自 燃 气 体 特 征 及 产 生 规 律 分 析 19 obviously with temperature. Large amounts of CO and CH4 are produced in spontaneous combustion of gas-fat coal and fat coke coal, the rate of CO production of gas-fat coal is the fastest, the maximum volume fraction of CO can reach 8 ; and the rate of CH4 production of fat coke coal is the fastest, the maximum volume fraction of CH4 can reach 14 . The volume fraction of CO and CO2 produced by coke lean coal and anthracite is about 2 and 4 respectively. Keywords goaf; coal spontaneous combustion; coke lean coal; gas-fat coal; anthracite coal; fat coke coal; temperature rise; gas analysis 〇 引言 在我国，煤自燃灾害十分严重[12] ，煤自燃会产 生高温并释放大 气体。过高的温度会造 成热损伤， 引起矿井热害， 甚至会进一步造成煤矿爆 数据米集系统用来 录实验过程中的 温度、 爆炸压力等 。 2实验 2.1 实验样品 采空区内残留的煤体形状不规则， 其尺寸大小 同。 为 分 采 区内 煤 ， 煤 同矿区的新鲜煤岩， 经过 ， 用 实 。 实验选取的煤 较大， 对其进行 工业分析和分类， 煤 样 的 工 业 分 析 结 果 见 表1 。 从 表 1 可看出， 1 号煤样为焦痩煤， 2 号煤样为气肥 煤 ， 3 号煤样为无烟煤， 4 号煤样为肥焦煤。 20 工 矿 自 动 化2 0 1 9 年 第 4 5 卷 表1煤样的工业分析结果 Table 1Industrial analysis results of coal samples 煤样编号挥发分/灰分/水分/固定碳/ 1 7 4. 775. 42 23.7466.07 2号 8. 94 3.9130.7156.44 3号2. 2411.017.7778.98 4号2. 939. 3627.7160. 00 2.2 实验方法 将煤样加入腔体， 使不同尺度的煤样在腔体内 随机全面分布， 并将加热装置完全覆盖， 关闭腔体密 封 盖 。打 开 控 制 系 统 ， 设 置 进 气 装 置 流 量 为 7.6dm3/h。待腔体内流场稳定后， 在控制面板上 设定自动断电温度， 打开加热装置。在加热过程中 按照煤自燃不同阶段用注射器抽取气体， 放入气体 收集袋中， 用气相色谱分析仪检测收集的气体。 3煤自燃气体特征及产生规律分析 3.1 煤体温度随时间变化规律 为了研究煤体温度随时间变化的规律， 搭建了 煤自燃模拟系统， 模拟了不同变质程度的煤在采空 区环境条件下的煤自燃现象， 实验结果如图2 所示。 图2煤自燃温度随时间变化曲线 Fig. 2 Change curve of temperature with time of coal spontaneous combustion 由 图 2 可 知 ， 煤 在 自 燃 时 可 分 为 3 个 阶 段 第 1 个阶段的时间为0〜15 min， 在该阶段温度缓 慢上升， 能量不断累积； 第 2 个阶段的时间为15〜 30 min， 此时能量达到限值， 温度陡增， 能量快速积 累 ， 煤岩内部发生强烈的氧化还原反应， 释放出大量 气体;第3 个阶段的时间为30 min后 ， 该阶段温度 曲线趋于平缓， 直至平衡状态。 不同变质程度的煤在自燃时的温度上升曲线存 在差异。焦痩煤和肥焦煤存在明显的温度积累、 快 速上升、 缓慢上升的3 个过程， 肥焦煤温度曲线滞后 于焦痩煤曲线， 在 45 min时两者温度存在交叉， 之 后肥焦煤自燃温度高于焦痩煤； 无烟煤温度曲线较 为平直， 在 5 min时温度陡增之后与时间几乎成正 比关系增长， 并且在45 min时达到的最高温度比其 他 3 种煤样更低； 气 肥 煤 从 0 时刻开始温度直线上 升 ， 没有明显的能量缓慢累积过程， 至 30 min时出 现拐点， 温度缓慢上升。在 0〜45 m in内，虽然焦 痩煤、 肥 焦 煤 和 气 肥 煤 温 度 上 升 曲 线 不 同 ， 但在 45 min时都达到了最高温度， 无烟煤略低于其他 煤。 3.2 气体体积分数随温度变化规律 为了研究各种挥发性气体的生成速率随温度的 变化规律， 在进行煤自燃实验的过程中收集了不同 阶段的气体并通过气相色谱分析仪进行检测， 实验 结果如图3 所示。 由图3 可知， 气肥煤、 焦痩煤、 肥焦煤和无烟煤 自燃时， 生成的气体种类基本相同。在不同变质程 度的煤自燃过程中， CH4、 C0 、 C0 2 等气体大量析 出， 而〇2氏 工 2氏 工 2氏 、 〇3氏等气体均维持在较 低的水平。气肥煤、 焦痩煤、 肥焦煤的气体曲线均出 现拐点， 在拐点之前， 气体体积分数随着温度上升而 增加， 在拐点处达到最高； 拐点之后， 曲线均出现不 同程度的下降。这是由于煤中的碳在高温下与氧气 发生氧化反应， 导致空气中的氧气大量消耗;在煤自 燃缓慢升温阶段中，CH4、 C0 2、 C0 等附着在煤体内 部的气体在第1 阶段挥发完毕； 在煤自燃快速升温 阶段， 脱气和解聚的过渡阶段， 由于富含气体挥发完 毕 、 解 聚 反 应较弱导致CH4、 C0 2、 C0 等体积分数 和生成速率降低， 气体曲线呈现下降趋势； 当解聚和 分解阶段完全开始之后， 煤分子发生热解， 结构单兀 之间的桥键断裂生成自由基， 脂肪侧链受热裂解形 成气态烃， 含氧官能团（ - C0 0 H裂解形成碳氧化 合物， CH4、 C0 2、 C0 等气体开始大量生成， 其累积 大 消 ， 成 。 3.3 气体成分对比分析 煤自燃过程中涉及到的挥发性气体虽然很多， 但是最主要的气体成分为〇8 4、 02、 〇 02、 〇 0 ， 各气 体成分对比如图4 所示。 由 图 4 可知， 不同变质程度的煤在自燃时均产 生 C 0 ,气肥煤自燃时挥发出大量的C02 和 C 0 ,且 产 生 C 0 的速率最快， 最大体积分数可达8 ， CH4 体积分数略低于C 0 ;焦痩煤变质程度较高， 黏结性 较强， 在自燃时各气体成分的产气量稳定，C 0 和 CH4体积分数保持在2 左 右 ； 肥焦煤自燃产生大 量 的 CH4气体， 且产生速率最快， 最高体积分数可 达 1 4 ， 说明煤体中吸附的大量瓦斯受热解析； 无 烟煤由于其物理特性导致其自燃时产生的烟气量较 少 ， 但依然生成了大量的C0 气 体 ， 达 到 4 左右。 4 种煤样自燃时， 受限空间内的02 体积分数都呈现 2 0 1 9 年 第 3 期 周 冬 等 采 空 区 内 煤 自 燃 气 体 特 征 及 产 生 规 律 分 析 21 焦瘦煤 气肥煤 无烟煤 肥焦煤 焦痩煤 气肥煤 无烟煤 肥焦煤 100 200 300 取气温度/c 500 焦痩煤 气肥煤 无烟煤 肥焦煤 100 200 300 取气温度/c 500 焦瘦煤 气肥煤 无烟煤 肥焦煤 100 200 300 400 500 取气温度/c CH4 ♦ 〇 2 \ C2 H4 C〇 2 c2h6 CO c2h2 一 c3h8 〇 V 1 . - . - - - 1 1丨 零 一 一-----1 50 100 150 200 250 300 350 400 450 500 umrc 100 150 200 250 300 350 400 450 温度/C 100 200 300 400 500 温度AC 50100 150 200 250 300 350 400 温度/ C d 肥焦煤自燃气体生成曲线 图3不同变质程度煤自燃气体生成曲线 Fig. 3 Gas ation curves of coal spontaneous combustion with different metamorphic degree 下降的趋势。 研究表明， 受限空间内c h4、c o、c o2 \ 发生 d 煤自燃产生c o 2 的体积分数 图4煤自燃产生的主要气体对比分析曲线 Fig. 4 Contrastive analysis curves of main gas produced in coal spontaneous combustion 相互作用， 少 量 CO 气体可使空气中c h 的爆炸上 限上升、 所下降， 爆炸范围增加， 增加了 的 [1 4 1 6 ] 无烟煤气体曲线较 为平直， 随温度波动不明显。 “ 气 肥 煤 产 生 C 0 速率最快， 最大体积分数 可 达 8 ; 肥 焦 煤 产 生 CH 速率最快， 最大体积分 数 可 达 14 ;焦瘦煤和无烟煤产生C 0 和 C02 的体 积分数分别在2 和 4 左右。 参 考 文 献 （ References [ 1]王德明.矿井 火 灾 学[ M ].徐 州 中国矿业大学出版 社 ，2008. 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