煤自燃临界氧浓度指标的实验研究
周西华’王继仁１梁栋２刘连直３
（１辽宁工程技术大学资环学院，辽宁阜新，１２３０００．２中山大学工学院，广东广州，５１０００３
３煤科总院抚顺分院，辽宁抚顺，１１３００８）
’
摘要本文采用煤自燃的模拟试验装置，对兖州东滩矿３撑煤层煤样在不同的氧浓度条件
下（分别为２１％、１
３％、１
Ｏ％、７％和５％）进行了煤样自燃过程的实验研究，分别得到了两煤
样的一氧化碳浓度与煤温关系曲线、自燃氧化中氧浓度的变化曲线、不同氧浓度下的热力学特性曲线、煤样ｃｏ增率与煤温关系曲线和煤样耗氧速度与煤温关系曲线。经过分析研
究得出，不同温度下反应生成的指标气体成分不同，以一氧化碳、乙烯和乙炔作为标志气体比较合适，能准确反映出煤的不同的自燃阶段。通过对数据的分析对比研究，得出了东滩煤矿３拱煤层的自燃临界氧浓度指标为１０％。关键词
自燃，临界氧浓度，标志气体
基金项目国家自然科学基金资助项目（５０４７４０１０），辽宁省教育厅基金资助项目（０５Ｌ１７４）
０引言‘
５、６进行分析，最后由数据处理机９进行处理打
在煤矿采掘生产过程中，原生煤体不断被揭印。
露，暴露丁．空气中的煤体接触氧气后开始氧化。煤样为山尔兖州东滩煤矿３撑煤层煤样。其中煤氧化后产生热量，如果产生的热始不能够被及１捍煤样为东滩煤矿１４３０５综放面３。煤，２拌煤样为时带走，便会导致煤体升温，进而加剧煤的氧化，尔滩煤矿１４３０８（两）综放面３Ｆ煤。取煤样量１９，煤体氧化升温到一定程度就会导致煤的臼燃。煤粒皮＜ｌｏｏ目，供气姑为ｌＯＯｍｌ／ｍｉｎ，升温速率：在不同氧浓度条件．卜．及不同的氧化阶段，其氧化室温至８０℃时为０．５℃／ｍｉｎ，８０℃￣２００℃时为过程中的耗氧量、生成的气体产物及其含量均不１℃确ｉｎ，２００℃一３００℃时为２℃／ｒａｉｎ，在此条件下。同。利用煤白然发火模拟装置，给煤样通以不同分别对煤样通以２１％、１３％、１０％、７％和５％的不浓度的氧气进行升温氧化试验、测量煤样在不同同浓度的氧气进行实验。
条件下的氧化过程中的气体产物，在一定程度上能够反映煤的白燃特性。研究煤在不同的氧气浓度。卜．的氧化特性，确定煤氧化臼燃的临界氧浓度，对丁防治煤炭臼燃，保证安全生产具有极其重要的意义。１．实验条件
幽ｌ媒白然发火模拟裟冒幽
为了研究煤在不同氧浓度卜．臼然发火特性，Ｆｉｇ．１Ｃｏａｌｓｐｏｎｔａｎｅｏｕｓｃｏｍｂｕｓｔｉｏｎｓｉｍｕｌａｔｉｏｎｄｅｖｉｃｅ
必须利川煤臼然发火模拟实验装置进行实验。煤ｌ—柠温仪，２一温度记录仪，３一加热炉、样品管，
自然发火模拟装置如图¨行示。３为煤样的样・铺管４一Ｅｊ幼进样器，５－－Ｇ２８００１’包晰仪．６－－Ｇ３８００Ｆ也讲仪，
及加热炉，加热炉的温度由控温仪１米控制，煤７—ＣＨ。转换炉，８一时问延时器，９一数据处理机
样的温度由温度记录仪２来记录，煤样氧化反应过程中的气体产物由自动进样器４分送至色谱仪
３．Ｉ
●Ｌ
３．５３３６．４
７１．Ｏ４
，ｆ３４‘０．３６．１
１
炔
３●Ｏ
可以看出，随着供氧浓度的降低，ＣＯ首次被检测到时的煤温逐渐升高，如ｌ｝｝煤样在氧气为
布瓮
１３％的条件卜．，首次检测到ＣＯ时的煤温为８６℃，ＣＯ的浓度为２．４３×１０‘６；而氧气浓度为７％时，首次检测剑ＣＯ浓度的煤温为９４℃，其ＣＯ浓度为２．５６×１０。６。同样２拱煤样在氧气浓皮为１３％条件’卜．
幽２煤样反心管为÷意图
Ｆｉｇ．２Ｔｈｅｓｋｅｔｃｈｍａｐｉｎｒｅｓｐｏｎｓｅｔｕｂｅｏｆｃｏａｌｓａｍｐｌｅ
首次检测剑ＣＯ的浓度为１１．７７×１０。６，其相应的煤温为６２．６℃，而氧气浓度降为１０％时在煤温为８７．Ｉ℃时，才开始检测剑ＣＯ，其浓度为】．１４ｘ１０由。
乙烯首次被检测剑时的煤温与ＣＯ相比要高，如ｌｆｆ煤样在氧浓度２Ｉ％时首次检测剑乙烯时的煤温为１３４℃，乙烯浓度为０．０８ｘ１０曲；而氧浓度为１０％时，煤温剑１５２．４℃时才检测剑乙烯，相应的浓度为０．１３×１０－６。而２拌煤样在氧气浓度为１３％时首次检测纠乙烯时的煤温为１０８．ＴＣ，相应乙烯浓度为０．０９×１０’６，在１０％氧浓度‘卜．，煤温达１３４．３℃时才首次检测剑乙烯，其浓度为０．０７×１０由。’ｊ．
乙炔首次被检测剑时的煤温较高，１撑、２撑煤样在氧气浓度人丁．１３％条件Ｆ首次检测到时煤温超过３００℃，而氧气浓度低丁．１０％时，，乙炔根本没有出现。
。
ｌ一进气管，２～进气预热导管，３一反Ｊ避管，仁煤样，
５一玻璃棉，６一瓷Ｉ碉，７一热ＩＵ偶，８一…气管
２．实验结果分析
２．１煤自燃氧化的气体产物特性
表ｌ为不同氧浓度Ｉ－氧化气体产物首次被检测剑时的煤温与相席的气体浓度。可得山，煤臼燃氧化所生成的气体产物的规律是：ＣＯ出现得最早，其次是以乙烯为代表的烯烃类气体，最后是以乙炔为代表的炔烃类气体。
表Ｉ
Ｔａｂ．Ｉ
４ｉｆｒｄ氧浓度下氧化气体产物首次榆测到的浓度
ｔｈｅｃｏｎｃｅｎｔｒａｔｉｏｎｏｆｔｈｅｇａｓｒｅｓｕｌｔｍｅａｓｕｒｅｄ
ｆｏｒｔｈｅ
ｆｉｒｓｔｔｉｍｅｕｎｄｅｒｄｉｆｆｅｒｅｎｔｏｘｙｇｅｎｃｏｎｃｅｎｔｒａｔｉｏｎ
一般来说，标志气体ｃｏ的出现，标志着煤样已进入缓慢氧化阶段，随着煤温的继续升高出现了乙烯，说明煤样已进入加速氧化阶段，即只要检测剑０．１×１０由的乙烯气体，说明煤温已超过１００℃。从乙烯的出现到乙炔的出现有一个明显的时间差，当检测到０．１×ｌＯ’６以上的乙快气体时，表明煤温己超过３００℃，即煤已发生强烈的白燃氧化反应。
。
一
冈此以ＣＯ、乙烯、乙炔作为标志气体，其出现的顺序．－ｊｇｊ米表征煤分别进入缓慢氧化、：加速氧化和剧烈氧化阶段，其相应的指标气体浓度可定为５×１０由，０．Ｉ×１０由、０．１
ｘｌＯ由。
’
实验过群中，环境温度是按一定速率上升的。～般米说，煤样的温度是随反应管中的环境温度上升而升高的，并且在不同温度‘卜产生不同的气体产物，但当煤样进入剧烈氧化时，其反应放出人越的热量，使煤样的温度高丁．环境温度。从图７和图８可以看山，两个煤样均在２１％氧浓度下表现出煤样温度住达剑一定温度斤与环境温度之间存在较人的差异，而氧气浓度小丁１３％时，煤样
４０８０
１２０
１６０２００２４０２８０３２０３６０４００
温度基本上是随环境温度变化而变化。剧烈氧化燃濉Ｔ／℃
幽３
ｌ＃煤样ＣＯ浓度’ｊ煤温关系ｆｆｎ线幽
的迹象不明显。
Ｆｉｇ．３
ｔｈｅｒｅｌａｔｉｏｎｃｕｒｖｅ
ｏｆｔｈｅｃａｒｂｏｎｍｏｎｏｘｉｄｅ
ａｎｄｃｏａｌ
两个煤样在不同氧浓度。卜．升温氧化过程中ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅｏｆ１＃ｃｏａｌｓａｍｐｌｅ
ＣＯ的增率曲线如图９、幽１０所示。实验结果分析得出，煤样温度在１２０℃～１４０℃之前，ＣＯ的增卜率很小，曲线较为平缓；煤温超过１６０℃～１８０℃口
时，曲线开始上升，ＣＯ的增字变人，温度再继续琴ｎ
、升高，曲线发生明显的变化，表现为：氧浓度在ｏＵ’
１３％以上时，ＣＯ增率继续明显上升，曲线斜率更ｎ
人，顽氧浓度小丁ｌｏ％ｎ，－ｔ，ＣＯ的增率上升剑一定１＂４
值历明显出现拐点井开始卜－降，说明当煤样的供氧浓度为１０％时，煤的氧化进科受剑了抑制。
４０８０１２０１６０２００２４０２８０３２０３６０４００
煤的氧化狴皮另一个明显的标忠是氧化过程烘泓Ｔ，℃
幽４
２＃煤样ＣＯ浓度１ｊ煤温关系ｆｆｎ线
中的耗氧速度。将每克煤样在每分钟时间内温度每升高１℃所消耗的氧气颦与相戍点煤温绘制成
Ｆｉｇ．４
ｔｈｅｒｅｌａｔｉｏｎｃｕｒｖｅ
ｏｆｔｈｅｃａｒｂｏｎｍｏｎｏｘｉｄｅａｎｄｃｏａｌ
如幽１１、幽１２的曲线。可以看出在煤样温度低了ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅｏｆ２＃ｃｏａｌｓａｍｐｌｅ
１５０℃～１６０℃时，各曲线的变化不人，而煤温超过幽３、图４是煤样在升温氧化过程中ＣＯ浓度
１８０。Ｃ时，曲线开始变陡。温度继续升高，同样表与煤温之间的关系，可以看出当煤温超过一定温现为氧气浓度往１３％以上时，耗氧速度明显加快，度后，氧气含量人丁１３％时，其氧化过程中ＣＯ达到相当高的峰值，而氧浓度往１０％以．卜．时，曲的浓度增加幅度变人，而氧气含鬣在１０％左矗时，线上升较缓，峰值也较低，同样表明氧气浓度在ＣＯ浓度的增加幅度变小。
１０％以。卜．时，煤的氧化反应受到了抑制。
煤在氧化白燃过科中，氧气浓度随着煤温的通过对试验结果的分析，可以确定东滩煤矿上升而逐渐降低。氧浓度为２ｌ％时，在缓慢氧化３群煤层的白然发火的临界氧浓皮为ｌＯ％。
阶段，消耗的氧气很少，同时供气源有人量的氧补给，因此气体产物中氧浓度基本保持不变。当煤温超过１００℃时，氧化反应开始加快，氧气浓度爨明显＊现‘卜．降趋势，当煤温超过２００＂（２后，煤的氧、ｏ
化反应进一步加快，氧气的消耗更快。当氧气浓度在１３％时，２群煤样的氧化反麻则趋丁．平缓。
图５、幽６是两个煤样在不同氧浓度下白燃氧化气体产物中氧浓度的变化曲线。对比两幽相应曲线米看，２舟煤样在升温氧化过程中氧气浓皮随煤漏变化波动较人，说明１４３０８０托ｉ）。Ｉ：作面３幽５ｌ撑煤样白燃瓴化气休产物中钮浓度的变化ｍ线
Ｆ
ｔｈｅｃｈａｎｇｅ
ｃｕｒ、７ｅ
煤比１４３０５．Ｊ：作而３。煤具有更强的臼燃氧化能
Ｆｉｇ．５ｏｒｏ秘’ｇｅｎ
ｃｏｎｃｅｎｔｒａｔｉｏｎｉｎ
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ｒｅｓｕｌｔｏｆｓｐｏｎｔａｎｅｏｕｓｃｏｍｂｕｓｔｉｏｎ．ａｎｄｏｘｉｄｉｚｉｎｇｏｆｌ撑ｃｏａｌ２．２煤样自燃氧化的熟力学特性
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煤温Ｔ，℃
幽６
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２莓煤样臼燃毓化气体产物中钒浓度的变化曲线
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幽ＩＯ２岸煤样ＣＯ浓度增率Ｊｊ煤温关系腑线
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Ｉ群煤样拍：／ｆｉＩ川氧浓度下的热力学特性曲线图
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３．结论
根据对尔滩煤矿３ｊ！ｉ｝煤层煤样实验结果的分析，得出以＋卜．结论：
（１）Ｈ｛ＣＯ、乙烯平¨乙炔作为指标气体可以
．．ｐ鼯磐ｏ媛漏Ｗ℃
图９
表征煤的氧化进程。本试验条什卜．ＣＯ的出现，表明煤温已超过６０。Ｃ，煤已进入缓慢氧化阶段：乙烯的出现表明煤温已超过１００℃，煤样已进入到加速氧化阶段；而乙炔的出现，表明煤澡已超过３００℃，煤样已进入剧烈氧化即燃烧阶段。冈此，
ｊ舟ｊ３ｌｌ样ＣＯ增牢Ｉｉ燥湓关系ｆ｝ｆｌ线陶
煤白燃临界钒浓度指标的实验研究
．ＩＪｊ一氧化碳、乙烯和乙炔作为标忠气体能准确反映３挣煤的氧化进科，各标忠气体的检定指标可定为ＣＯ为５ｘ１０由，乙烯为０．１×１０由，乙炔为０．｜×１０击。
（２）问一煤样在不同氧浓度条件’Ｆ，其标忠气体随氧浓度的降低出现的时间越晚，而标．＆气体ｉｕ现时的煤温是随氧浓度的降低而升高，实验分析得出，乃：滩煤矿３撑煤往氧浓度为１０％左矗时可以抑制煤的氧化白燃，冈此该煤层臼燃的临界氧浓度为１０％。参考文献：
【ｌｌ刘连直，等。综放无媒桂开采滓氮防灭火Ｔ艺研究搬告【Ｒ１．山东究州：究州矿业集团公・ｄ、ｊ！Ｉｌ科总院抚顺分院、辽‘ｊ。Ｔ程技术人学，１９９８．
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‘蠢１１．２０１）Ｉ．１６）：１５．１７．５８
１３Ｊ文虎．综放下作断采窄区煤臼燃过程的数值模拟［Ｊ１．２００２（１）：５４－５８
ｆ４ｌ李崇山．矿ＪＩ：煤层自然发火的臼燃临界性条ｆ，－／：ｌＪｌ．山东煤炭｝：｝披．２０００增刊：１１５．１１７
．
［５］划弧ｏ＃．双高矿Ｊｌ：采场自燃‘ｉ爆炸特批及防治｛支术研究［Ｍ］．宁．新．博Ｉ：论义．２００６年６月
煤白燃ｌ临界瓴浓度指标的实验研究
作者简介周西华（１９６８－），男，副教授，博士，１９９２年毕业于辽宁工程技术大学安全工程专业，留校任教，多年来一直从事煤矿通风安全的教学科研工作，发表论文３０余篇。中国煤炭工业劳保学会瓦斯防治专业委员会委员，高等学校安全工程专业教学指导委员会
委员。
Ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔｓｔｕｄｙ
Ｏｎ
ｃｒｉｔｉｃａｌｏｘｙｇｅｎｃｏｎｃｅｎｔｒａｔｉｏｎｉｎｄｅｘｏｆｃｏａｌｃｏｍｂｕｓｔｉｏｎ
煤自燃临界氧浓度指标的实验研究
ＺＨＯＵＸｉｈｕａ‘ＷＡＮＧＪｉｒｅｎ‘ＬＩＡＮＧＤｏｎ９２
ＬＩＵＬｉａｎｚｈｉ３
（１ＣｏｌｌｅｇｅｏｆＲｅｓｏｕｒｃｅｓ＆ＥｎｖｉｒｏｍｎｅｎｔＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，Ｌｉａｏｎｉｎｇｔｅｃｈｎｉｃａｌｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｌｉａｏｎｉｎｇ。Ｆｕｘｉｎ
１２３０００；２Ｃｏｌｌｅｇｅｏｆｉｎｄｕｓｔｒｙ，Ｇｕａｎｇｚｈｏｕｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｇｕａｎｇｄｏｎｇ，Ｇｕａｎｇｚｈｏｕ，５１０００３；３ＦｕｓｈｕｎＢｒａｎｃｈｏｆ
ＣｈｉｎａＣｏａｌＲｅｓｅａｒｃｈＩｎｓｔｉｔｕｔｅ，Ｌｉａｏｎｉｎｇ，Ｆｕｓｈｕｎ，ｉＩ３００８）
Ａｂｓｔｒａｃｔ：ｌｎｔｈｉｓｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ，ｔｈｅ
ｐａｐｅｒｇｅｔ
ＣＨｉＶｅ
ｏｆｔｈｅｒｅｌａｔｉｏｎ
ｃｕｒｖｅ
ｏｆｔｈｅｃａｒｂｏｎｉｎ
ｍｏｎｏｘｉｄｅｃｏｎｃｅｎｔｒａｔｉｏｎａｎｄｃｏａｌｃｏｍｂｕｓｔｉｏｎａｎｄ
ｏｘｉｄｉｚｉｎｇ，ｔｈｅ
ｃｈａｎｇｅ
ｏｆｏｘｙｇｅｎ
ｃｏｎｃｅｎｔｒａｔｉｏｎ
ｓｐｏｎｔａｎｅｏｕｓ
ｔｈｅｒｍｏｄｙｎａｍｉｃｓｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃ
ｃｕｒｖｅ
ｃｕｒｖｅ
ｉｎｄｉｆｆｅｒｅｎｔｏｘｙｇｅｎｃｏｎｃｅｎｔｒａｔｉｏｎ（２Ｉ％，ｌ３％，１０％，７％，５％），ｔｈｅｒｅｌａｔｉｏｎ
ＣＨＩｖｅ
ｏｆｉｎｃｒｅａｓｅｓｐｅｅｄｏｆｔｈｅｃａｒｂｏｎｍｏｎｏｘｉｄｅａｎｄｃｏａｌｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅｏｆｃｏａＩｓａｍｐｌｅａｎｄｔｈｅｒｅｌａｔｉｏｎ
ｃｏｎｓｕｍｅｄｏｘｙｇｅｎｓｐｅｅｄａｎｄｃｏａｌｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅｏｆｔｗｏｃｏａｌｓａｍｐｌｅ．Ｔｈｒｏｕｇｈａｎａｌｙｓｉｎｇｅｄｕｃｅｄ：Ｔｈｅｉｎｄｉｃａｔｉｏｎｇａｓｃｏｍｐｏｓｉｔｉｏｎｏｆｒｅａｃｔｉｏｎｕｎｄｅｒｄｉｆｆｅｒｅｎｔｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅｉｓｄｉｌｙｅｒｅｎｔ，ａｎｄｉｔｉｓｍｏｒｅｓｕｉｔａｂｌｅｔｏｒｅｇａｒｄｃａｒｂｏｎｍｏｎｏｘｉｄｅ、ｅｔｈｙｌｅｎｅａｎｄａｃｅｔｙｌｅｎｅｓｔａｇｅｓｏｆｔｈｅ
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ｔｈｅｉｎｄｉｃａｔｉｏｎｇａｓ，ｗｈｉｃｈ
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ｒｅｆｌｅｃｔｄｉｆｆｅｒｅｎｔｓｐｏｎｔａｎｅｏｕｓｃｏｍｂｕｓｔｉｏｎｏｆｔｈｅ
ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔ
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ｃｏａｌａｃｃｕｒａｔｅｌｙ．Ｔｈｒｏｕｇｈｃｏｍｐａｒｉｎｇａｎｄａｎａｌｙｓｉｎｇ
ｓｐｏｎｔａｎｅｏｕｓｃｏｍｂｕｓｔｉｏｎｃｒｉｔｉｃａｌｏｘｙｇｅｎｃｏｎｃｅｎｔｒａｔｉｏｎａｔｔｈｅ３”ｃｏａｌｓｅａｍｏｆＤｏｎｇｔａｎｍｉｎｅｉｓ１０％．
Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ｓｐｏｎｔａｎｅｏｕｓｃｏｍｂｕｓｔｉｏｎ，ｃｒｉｔｉｃａｌｏｘｙｇｅｎｃｏｎｃｅｎｔｒａｔｉｏｎ，ｉｎｄｉｃｔｏｒｇａｓ．
煤自燃临界氧浓度指标的实验研究
作者：作者单位：
周西华， 王继仁， 梁栋， 刘连直
周西华,王继仁(辽宁工程技术大学资环学院,辽宁,阜新,123000)， 梁栋(中山大学工学院,广东,广州,510003)， 刘连直(煤科总院抚顺分院,辽宁,抚顺,113008)
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煤自燃临界氧浓度指标的实验研究
周西华’王继仁１梁栋２刘连直３
（１辽宁工程技术大学资环学院，辽宁阜新，１２３０００．２中山大学工学院，广东广州，５１０００３
３煤科总院抚顺分院，辽宁抚顺，１１３００８）
’
摘要本文采用煤自燃的模拟试验装置，对兖州东滩矿３撑煤层煤样在不同的氧浓度条件
下（分别为２１％、１
３％、１
Ｏ％、７％和５％）进行了煤样自燃过程的实验研究，分别得到了两煤
样的一氧化碳浓度与煤温关系曲线、自燃氧化中氧浓度的变化曲线、不同氧浓度下的热力学特性曲线、煤样ｃｏ增率与煤温关系曲线和煤样耗氧速度与煤温关系曲线。经过分析研
究得出，不同温度下反应生成的指标气体成分不同，以一氧化碳、乙烯和乙炔作为标志气体比较合适，能准确反映出煤的不同的自燃阶段。通过对数据的分析对比研究，得出了东滩煤矿３拱煤层的自燃临界氧浓度指标为１０％。关键词
自燃，临界氧浓度，标志气体
基金项目国家自然科学基金资助项目（５０４７４０１０），辽宁省教育厅基金资助项目（０５Ｌ１７４）
０引言‘
５、６进行分析，最后由数据处理机９进行处理打
在煤矿采掘生产过程中，原生煤体不断被揭印。
露，暴露丁．空气中的煤体接触氧气后开始氧化。煤样为山尔兖州东滩煤矿３撑煤层煤样。其中煤氧化后产生热量，如果产生的热始不能够被及１捍煤样为东滩煤矿１４３０５综放面３。煤，２拌煤样为时带走，便会导致煤体升温，进而加剧煤的氧化，尔滩煤矿１４３０８（两）综放面３Ｆ煤。取煤样量１９，煤体氧化升温到一定程度就会导致煤的臼燃。煤粒皮＜ｌｏｏ目，供气姑为ｌＯＯｍｌ／ｍｉｎ，升温速率：在不同氧浓度条件．卜．及不同的氧化阶段，其氧化室温至８０℃时为０．５℃／ｍｉｎ，８０℃￣２００℃时为过程中的耗氧量、生成的气体产物及其含量均不１℃确ｉｎ，２００℃一３００℃时为２℃／ｒａｉｎ，在此条件下。同。利用煤白然发火模拟装置，给煤样通以不同分别对煤样通以２１％、１３％、１０％、７％和５％的不浓度的氧气进行升温氧化试验、测量煤样在不同同浓度的氧气进行实验。
条件下的氧化过程中的气体产物，在一定程度上能够反映煤的白燃特性。研究煤在不同的氧气浓度。卜．的氧化特性，确定煤氧化臼燃的临界氧浓度，对丁防治煤炭臼燃，保证安全生产具有极其重要的意义。１．实验条件
幽ｌ媒白然发火模拟裟冒幽
为了研究煤在不同氧浓度卜．臼然发火特性，Ｆｉｇ．１Ｃｏａｌｓｐｏｎｔａｎｅｏｕｓｃｏｍｂｕｓｔｉｏｎｓｉｍｕｌａｔｉｏｎｄｅｖｉｃｅ
必须利川煤臼然发火模拟实验装置进行实验。煤ｌ—柠温仪，２一温度记录仪，３一加热炉、样品管，
自然发火模拟装置如图¨行示。３为煤样的样・铺管４一Ｅｊ幼进样器，５－－Ｇ２８００１’包晰仪．６－－Ｇ３８００Ｆ也讲仪，
及加热炉，加热炉的温度由控温仪１米控制，煤７—ＣＨ。转换炉，８一时问延时器，９一数据处理机
样的温度由温度记录仪２来记录，煤样氧化反应过程中的气体产物由自动进样器４分送至色谱仪
３．Ｉ
●Ｌ
３．５３３６．４
７１．Ｏ４
，ｆ３４‘０．３６．１
１
炔
３●Ｏ
可以看出，随着供氧浓度的降低，ＣＯ首次被检测到时的煤温逐渐升高，如ｌ｝｝煤样在氧气为
布瓮
１３％的条件卜．，首次检测到ＣＯ时的煤温为８６℃，ＣＯ的浓度为２．４３×１０‘６；而氧气浓度为７％时，首次检测剑ＣＯ浓度的煤温为９４℃，其ＣＯ浓度为２．５６×１０。６。同样２拱煤样在氧气浓皮为１３％条件’卜．
幽２煤样反心管为÷意图
Ｆｉｇ．２Ｔｈｅｓｋｅｔｃｈｍａｐｉｎｒｅｓｐｏｎｓｅｔｕｂｅｏｆｃｏａｌｓａｍｐｌｅ
首次检测剑ＣＯ的浓度为１１．７７×１０。６，其相应的煤温为６２．６℃，而氧气浓度降为１０％时在煤温为８７．Ｉ℃时，才开始检测剑ＣＯ，其浓度为】．１４ｘ１０由。
乙烯首次被检测剑时的煤温与ＣＯ相比要高，如ｌｆｆ煤样在氧浓度２Ｉ％时首次检测剑乙烯时的煤温为１３４℃，乙烯浓度为０．０８ｘ１０曲；而氧浓度为１０％时，煤温剑１５２．４℃时才检测剑乙烯，相应的浓度为０．１３×１０－６。而２拌煤样在氧气浓度为１３％时首次检测纠乙烯时的煤温为１０８．ＴＣ，相应乙烯浓度为０．０９×１０’６，在１０％氧浓度‘卜．，煤温达１３４．３℃时才首次检测剑乙烯，其浓度为０．０７×１０由。’ｊ．
乙炔首次被检测剑时的煤温较高，１撑、２撑煤样在氧气浓度人丁．１３％条件Ｆ首次检测到时煤温超过３００℃，而氧气浓度低丁．１０％时，，乙炔根本没有出现。
。
ｌ一进气管，２～进气预热导管，３一反Ｊ避管，仁煤样，
５一玻璃棉，６一瓷Ｉ碉，７一热ＩＵ偶，８一…气管
２．实验结果分析
２．１煤自燃氧化的气体产物特性
表ｌ为不同氧浓度Ｉ－氧化气体产物首次被检测剑时的煤温与相席的气体浓度。可得山，煤臼燃氧化所生成的气体产物的规律是：ＣＯ出现得最早，其次是以乙烯为代表的烯烃类气体，最后是以乙炔为代表的炔烃类气体。
表Ｉ
Ｔａｂ．Ｉ
４ｉｆｒｄ氧浓度下氧化气体产物首次榆测到的浓度
ｔｈｅｃｏｎｃｅｎｔｒａｔｉｏｎｏｆｔｈｅｇａｓｒｅｓｕｌｔｍｅａｓｕｒｅｄ
ｆｏｒｔｈｅ
ｆｉｒｓｔｔｉｍｅｕｎｄｅｒｄｉｆｆｅｒｅｎｔｏｘｙｇｅｎｃｏｎｃｅｎｔｒａｔｉｏｎ
一般来说，标志气体ｃｏ的出现，标志着煤样已进入缓慢氧化阶段，随着煤温的继续升高出现了乙烯，说明煤样已进入加速氧化阶段，即只要检测剑０．１×１０由的乙烯气体，说明煤温已超过１００℃。从乙烯的出现到乙炔的出现有一个明显的时间差，当检测到０．１×ｌＯ’６以上的乙快气体时，表明煤温己超过３００℃，即煤已发生强烈的白燃氧化反应。
。
一
冈此以ＣＯ、乙烯、乙炔作为标志气体，其出现的顺序．－ｊｇｊ米表征煤分别进入缓慢氧化、：加速氧化和剧烈氧化阶段，其相应的指标气体浓度可定为５×１０由，０．Ｉ×１０由、０．１
ｘｌＯ由。
’
实验过群中，环境温度是按一定速率上升的。～般米说，煤样的温度是随反应管中的环境温度上升而升高的，并且在不同温度‘卜产生不同的气体产物，但当煤样进入剧烈氧化时，其反应放出人越的热量，使煤样的温度高丁．环境温度。从图７和图８可以看山，两个煤样均在２１％氧浓度下表现出煤样温度住达剑一定温度斤与环境温度之间存在较人的差异，而氧气浓度小丁１３％时，煤样
４０８０
１２０
１６０２００２４０２８０３２０３６０４００
温度基本上是随环境温度变化而变化。剧烈氧化燃濉Ｔ／℃
幽３
ｌ＃煤样ＣＯ浓度’ｊ煤温关系ｆｆｎ线幽
的迹象不明显。
Ｆｉｇ．３
ｔｈｅｒｅｌａｔｉｏｎｃｕｒｖｅ
ｏｆｔｈｅｃａｒｂｏｎｍｏｎｏｘｉｄｅ
ａｎｄｃｏａｌ
两个煤样在不同氧浓度。卜．升温氧化过程中ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅｏｆ１＃ｃｏａｌｓａｍｐｌｅ
ＣＯ的增率曲线如图９、幽１０所示。实验结果分析得出，煤样温度在１２０℃～１４０℃之前，ＣＯ的增卜率很小，曲线较为平缓；煤温超过１６０℃～１８０℃口
时，曲线开始上升，ＣＯ的增字变人，温度再继续琴ｎ
、升高，曲线发生明显的变化，表现为：氧浓度在ｏＵ’
１３％以上时，ＣＯ增率继续明显上升，曲线斜率更ｎ
人，顽氧浓度小丁ｌｏ％ｎ，－ｔ，ＣＯ的增率上升剑一定１＂４
值历明显出现拐点井开始卜－降，说明当煤样的供氧浓度为１０％时，煤的氧化进科受剑了抑制。
４０８０１２０１６０２００２４０２８０３２０３６０４００
煤的氧化狴皮另一个明显的标忠是氧化过程烘泓Ｔ，℃
幽４
２＃煤样ＣＯ浓度１ｊ煤温关系ｆｆｎ线
中的耗氧速度。将每克煤样在每分钟时间内温度每升高１℃所消耗的氧气颦与相戍点煤温绘制成
Ｆｉｇ．４
ｔｈｅｒｅｌａｔｉｏｎｃｕｒｖｅ
ｏｆｔｈｅｃａｒｂｏｎｍｏｎｏｘｉｄｅａｎｄｃｏａｌ
如幽１１、幽１２的曲线。可以看出在煤样温度低了ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅｏｆ２＃ｃｏａｌｓａｍｐｌｅ
１５０℃～１６０℃时，各曲线的变化不人，而煤温超过幽３、图４是煤样在升温氧化过程中ＣＯ浓度
１８０。Ｃ时，曲线开始变陡。温度继续升高，同样表与煤温之间的关系，可以看出当煤温超过一定温现为氧气浓度往１３％以上时，耗氧速度明显加快，度后，氧气含量人丁１３％时，其氧化过程中ＣＯ达到相当高的峰值，而氧浓度往１０％以．卜．时，曲的浓度增加幅度变人，而氧气含鬣在１０％左矗时，线上升较缓，峰值也较低，同样表明氧气浓度在ＣＯ浓度的增加幅度变小。
１０％以。卜．时，煤的氧化反应受到了抑制。
煤在氧化白燃过科中，氧气浓度随着煤温的通过对试验结果的分析，可以确定东滩煤矿上升而逐渐降低。氧浓度为２ｌ％时，在缓慢氧化３群煤层的白然发火的临界氧浓皮为ｌＯ％。
阶段，消耗的氧气很少，同时供气源有人量的氧补给，因此气体产物中氧浓度基本保持不变。当煤温超过１００℃时，氧化反应开始加快，氧气浓度爨明显＊现‘卜．降趋势，当煤温超过２００＂（２后，煤的氧、ｏ
化反应进一步加快，氧气的消耗更快。当氧气浓度在１３％时，２群煤样的氧化反麻则趋丁．平缓。
图５、幽６是两个煤样在不同氧浓度下白燃氧化气体产物中氧浓度的变化曲线。对比两幽相应曲线米看，２舟煤样在升温氧化过程中氧气浓皮随煤漏变化波动较人，说明１４３０８０托ｉ）。Ｉ：作面３幽５ｌ撑煤样白燃瓴化气休产物中钮浓度的变化ｍ线
Ｆ
ｔｈｅｃｈａｎｇｅ
ｃｕｒ、７ｅ
煤比１４３０５．Ｊ：作而３。煤具有更强的臼燃氧化能
Ｆｉｇ．５ｏｒｏ秘’ｇｅｎ
ｃｏｎｃｅｎｔｒａｔｉｏｎｉｎ
ｔｈｅｇａｓ
力。
ｒｅｓｕｌｔｏｆｓｐｏｎｔａｎｅｏｕｓｃｏｍｂｕｓｔｉｏｎ．ａｎｄｏｘｉｄｉｚｉｎｇｏｆｌ撑ｃｏａｌ２．２煤样自燃氧化的熟力学特性
ｓａｍｐｌｅｓ
Ｆｉｇ．９
ｔｈｅｒｅｌａｔｉｏｎ
ｃｕｒｖｅ
ｏｆｉｎｃｒｅａｓｅ
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４０８０
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３——１００／００２
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１６０２００２４０２８０３２０３６０４００
］
煤温Ｔ，℃
幽６
Ｆｉｇ．６
２莓煤样臼燃毓化气体产物中钒浓度的变化曲线
ｔｈｅｃｈａｎｇｅ
ｃｕｒｖｅ
■一骆．，，
４０
８０１２０
∥１
ｏｆｏｘｙｇｅｎｃｏｎｃｅｎｔｒａｔｉｏｎｉｎｔｈｅｇａｓ
１６０２００２４０２８０３２０３６０４００
嫘湍Ｔ／℃
ｒｅｓｕｌｔｏｆｓｐｏｎｔａｎｅｏｕｓｃｏｍｂｕｓｔｉｏｎａｎｄｏｘｉｄｉｚｉｎｇｏｆ２群ｃｏａｌｓａｍｐｌｅｓ
幽ＩＯ２岸煤样ＣＯ浓度增率Ｊｊ煤温关系腑线
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ｏｆｉｎｃｒｅａｓｅｓｐｅｅｄｏｆｔｈｅｃａｒｂｏｎ
ｍｏｎｏｘｉｄｅａｎｄｃｏａｌｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅｏｆ２＃ｃｏａｌｓａｍｐｌｅ
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Ｉ群煤样拍：／ｆｉＩ川氧浓度下的热力学特性曲线图
ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃ
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煤温Ｔ／℃
图８２撑煤样４ｉｌｉＨ氧浓度下的热力学特性帅线图
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ｃｕｒｖｅ
圈１２２群煤样耗钒速度。了煤温关系曲线幽
ｃｕｒｖｅ
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ｏｆ２＃如ａ１
ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅｏｆ２＃ｃｏａｌｓａｍｐｌｅ
３．结论
根据对尔滩煤矿３ｊ！ｉ｝煤层煤样实验结果的分析，得出以＋卜．结论：
（１）Ｈ｛ＣＯ、乙烯平¨乙炔作为指标气体可以
．．ｐ鼯磐ｏ媛漏Ｗ℃
图９
表征煤的氧化进程。本试验条什卜．ＣＯ的出现，表明煤温已超过６０。Ｃ，煤已进入缓慢氧化阶段：乙烯的出现表明煤温已超过１００℃，煤样已进入到加速氧化阶段；而乙炔的出现，表明煤澡已超过３００℃，煤样已进入剧烈氧化即燃烧阶段。冈此，
ｊ舟ｊ３ｌｌ样ＣＯ增牢Ｉｉ燥湓关系ｆ｝ｆｌ线陶
煤白燃临界钒浓度指标的实验研究
．ＩＪｊ一氧化碳、乙烯和乙炔作为标忠气体能准确反映３挣煤的氧化进科，各标忠气体的检定指标可定为ＣＯ为５ｘ１０由，乙烯为０．１×１０由，乙炔为０．｜×１０击。
（２）问一煤样在不同氧浓度条件’Ｆ，其标忠气体随氧浓度的降低出现的时间越晚，而标．＆气体ｉｕ现时的煤温是随氧浓度的降低而升高，实验分析得出，乃：滩煤矿３撑煤往氧浓度为１０％左矗时可以抑制煤的氧化白燃，冈此该煤层臼燃的临界氧浓度为１０％。参考文献：
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．
［５］划弧ｏ＃．双高矿Ｊｌ：采场自燃‘ｉ爆炸特批及防治｛支术研究［Ｍ］．宁．新．博Ｉ：论义．２００６年６月
煤白燃ｌ临界瓴浓度指标的实验研究
作者简介周西华（１９６８－），男，副教授，博士，１９９２年毕业于辽宁工程技术大学安全工程专业，留校任教，多年来一直从事煤矿通风安全的教学科研工作，发表论文３０余篇。中国煤炭工业劳保学会瓦斯防治专业委员会委员，高等学校安全工程专业教学指导委员会
委员。
Ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔｓｔｕｄｙ
Ｏｎ
ｃｒｉｔｉｃａｌｏｘｙｇｅｎｃｏｎｃｅｎｔｒａｔｉｏｎｉｎｄｅｘｏｆｃｏａｌｃｏｍｂｕｓｔｉｏｎ
煤自燃临界氧浓度指标的实验研究
ＺＨＯＵＸｉｈｕａ‘ＷＡＮＧＪｉｒｅｎ‘ＬＩＡＮＧＤｏｎ９２
ＬＩＵＬｉａｎｚｈｉ３
（１ＣｏｌｌｅｇｅｏｆＲｅｓｏｕｒｃｅｓ＆ＥｎｖｉｒｏｍｎｅｎｔＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，Ｌｉａｏｎｉｎｇｔｅｃｈｎｉｃａｌｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｌｉａｏｎｉｎｇ。Ｆｕｘｉｎ
１２３０００；２Ｃｏｌｌｅｇｅｏｆｉｎｄｕｓｔｒｙ，Ｇｕａｎｇｚｈｏｕｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｇｕａｎｇｄｏｎｇ，Ｇｕａｎｇｚｈｏｕ，５１０００３；３ＦｕｓｈｕｎＢｒａｎｃｈｏｆ
ＣｈｉｎａＣｏａｌＲｅｓｅａｒｃｈＩｎｓｔｉｔｕｔｅ，Ｌｉａｏｎｉｎｇ，Ｆｕｓｈｕｎ，ｉＩ３００８）
Ａｂｓｔｒａｃｔ：ｌｎｔｈｉｓｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ，ｔｈｅ
ｐａｐｅｒｇｅｔ
ＣＨｉＶｅ
ｏｆｔｈｅｒｅｌａｔｉｏｎ
ｃｕｒｖｅ
ｏｆｔｈｅｃａｒｂｏｎｉｎ
ｍｏｎｏｘｉｄｅｃｏｎｃｅｎｔｒａｔｉｏｎａｎｄｃｏａｌｃｏｍｂｕｓｔｉｏｎａｎｄ
ｏｘｉｄｉｚｉｎｇ，ｔｈｅ
ｃｈａｎｇｅ
ｏｆｏｘｙｇｅｎ
ｃｏｎｃｅｎｔｒａｔｉｏｎ
ｓｐｏｎｔａｎｅｏｕｓ
ｔｈｅｒｍｏｄｙｎａｍｉｃｓｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃ
ｃｕｒｖｅ
ｃｕｒｖｅ
ｉｎｄｉｆｆｅｒｅｎｔｏｘｙｇｅｎｃｏｎｃｅｎｔｒａｔｉｏｎ（２Ｉ％，ｌ３％，１０％，７％，５％），ｔｈｅｒｅｌａｔｉｏｎ
ＣＨＩｖｅ
ｏｆｉｎｃｒｅａｓｅｓｐｅｅｄｏｆｔｈｅｃａｒｂｏｎｍｏｎｏｘｉｄｅａｎｄｃｏａｌｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅｏｆｃｏａＩｓａｍｐｌｅａｎｄｔｈｅｒｅｌａｔｉｏｎ
ｃｏｎｓｕｍｅｄｏｘｙｇｅｎｓｐｅｅｄａｎｄｃｏａｌｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅｏｆｔｗｏｃｏａｌｓａｍｐｌｅ．Ｔｈｒｏｕｇｈａｎａｌｙｓｉｎｇｅｄｕｃｅｄ：Ｔｈｅｉｎｄｉｃａｔｉｏｎｇａｓｃｏｍｐｏｓｉｔｉｏｎｏｆｒｅａｃｔｉｏｎｕｎｄｅｒｄｉｆｆｅｒｅｎｔｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅｉｓｄｉｌｙｅｒｅｎｔ，ａｎｄｉｔｉｓｍｏｒｅｓｕｉｔａｂｌｅｔｏｒｅｇａｒｄｃａｒｂｏｎｍｏｎｏｘｉｄｅ、ｅｔｈｙｌｅｎｅａｎｄａｃｅｔｙｌｅｎｅｓｔａｇｅｓｏｆｔｈｅ
ａｓ
ｔｈｅｉｎｄｉｃａｔｉｏｎｇａｓ，ｗｈｉｃｈ
ｃａｎ
ｒｅｆｌｅｃｔｄｉｆｆｅｒｅｎｔｓｐｏｎｔａｎｅｏｕｓｃｏｍｂｕｓｔｉｏｎｏｆｔｈｅ
ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔ
ｄａｔａ，ｉｔｅｄｕｃｅｄｔｈｅ
ｃｏａｌａｃｃｕｒａｔｅｌｙ．Ｔｈｒｏｕｇｈｃｏｍｐａｒｉｎｇａｎｄａｎａｌｙｓｉｎｇ
ｓｐｏｎｔａｎｅｏｕｓｃｏｍｂｕｓｔｉｏｎｃｒｉｔｉｃａｌｏｘｙｇｅｎｃｏｎｃｅｎｔｒａｔｉｏｎａｔｔｈｅ３”ｃｏａｌｓｅａｍｏｆＤｏｎｇｔａｎｍｉｎｅｉｓ１０％．
Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ｓｐｏｎｔａｎｅｏｕｓｃｏｍｂｕｓｔｉｏｎ，ｃｒｉｔｉｃａｌｏｘｙｇｅｎｃｏｎｃｅｎｔｒａｔｉｏｎ，ｉｎｄｉｃｔｏｒｇａｓ．
煤自燃临界氧浓度指标的实验研究
作者：作者单位：
周西华， 王继仁， 梁栋， 刘连直
周西华,王继仁(辽宁工程技术大学资环学院,辽宁,阜新,123000)， 梁栋(中山大学工学院,广东,广州,510003)， 刘连直(煤科总院抚顺分院,辽宁,抚顺,113008)
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