平朔礦區(qū)煤自燃宏觀特性的關(guān)聯(lián)性研究

牛光勇 鄔劍明 吳玉國(guó) 張雅君

（太原理工大學(xué)礦業(yè)工程學(xué)院，山西省太原市，030024）

平朔礦區(qū)煤自燃宏觀特性的關(guān)聯(lián)性研究

牛光勇 鄔劍明 吳玉國(guó) 張雅君

（太原理工大學(xué)礦業(yè)工程學(xué)院，山西省太原市，030024）

對(duì)平朔礦區(qū)的井東煤業(yè)、井工一礦的兩種易自燃煤樣進(jìn)行了綜合指標(biāo)氣體測(cè)試和非等溫?zé)嶂胤治鰧?shí)驗(yàn)。研究了指標(biāo)氣體及煤樣質(zhì)量變化與煤體溫度之間內(nèi)在關(guān)聯(lián)。對(duì)煤自燃早期預(yù)報(bào)的單一指標(biāo)氣體CO進(jìn)行擴(kuò)展，并結(jié)合C2H4、H2、C2H2氣體來(lái)作為煤自燃的綜合指標(biāo)氣體，同時(shí)研究表明熱分析法比物理吸附氧量法能更好地評(píng)價(jià)煤自燃的傾向性，熱分析技術(shù)能夠準(zhǔn)確全面地反映煤自燃整個(gè)過(guò)程。

煤自燃 指標(biāo)氣體 熱重分析 吸附氧量

在煤自燃過(guò)程中，煤與氧氣相互作用，發(fā)生物理吸附、化學(xué)吸附和化學(xué)反應(yīng)以及放出熱量等。煤層自燃對(duì)煤礦安全生產(chǎn)威脅很大，是煤礦安全領(lǐng)域的重要研究課題之一。為了能有效預(yù)防和控制煤炭自燃火災(zāi)，需要對(duì)煤層自燃進(jìn)行預(yù)報(bào)。目前主要是依靠煤自燃過(guò)程中指標(biāo)氣體釋放規(guī)律進(jìn)行煤自燃前期預(yù)報(bào)，而標(biāo)志氣體的釋放特性及優(yōu)選成為制約煤自燃前期及時(shí)準(zhǔn)確預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)的瓶頸。

在煤自燃過(guò)程中呈現(xiàn)出一系列的宏觀現(xiàn)象，包括煤體溫度升高、標(biāo)志氣體的釋放以及煤樣質(zhì)量的變化，這些宏觀現(xiàn)象之間是相互關(guān)聯(lián)的，并且標(biāo)志氣體組成與含量與溫度之間有對(duì)應(yīng)的相關(guān)性；熱重分析技術(shù)是指在程序溫度控制下測(cè)量物質(zhì)的質(zhì)量與溫度關(guān)系的一種技術(shù)。已廣泛應(yīng)用于研究煤自燃傾向性、煤氧化放熱量以及煤的熱性質(zhì)等領(lǐng)域。將煤自燃過(guò)程中煤體溫度、指標(biāo)氣體以及煤樣質(zhì)量結(jié)合起來(lái)研究，能揭示這些宏觀表象之間的相互關(guān)聯(lián)性并進(jìn)一步深入研究煤自燃過(guò)程，同時(shí)也為優(yōu)選指標(biāo)氣體、及時(shí)準(zhǔn)確預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)煤自燃情況提供了理論指導(dǎo)。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 煤種

實(shí)驗(yàn)選取平朔井東礦和井工一礦的兩種易自燃煤作為煤樣。采取剛開(kāi)采的新鮮煤樣，并剝?nèi)ケ砻嫜趸瘜樱杆傺b入真空袋密封，運(yùn)至實(shí)驗(yàn)室。煤樣整個(gè)處理過(guò)程在N2保護(hù)下進(jìn)行，然后對(duì)進(jìn)行破碎并篩分出0.15～0.3mm（40～100目）的顆粒50 g作為實(shí)驗(yàn)煤樣。

1.2 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)

1.2.1 綜合指標(biāo)氣體檢測(cè)實(shí)驗(yàn)

實(shí)驗(yàn)采用自行研制的煤低溫氧化模擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，實(shí)驗(yàn)裝置示意圖見(jiàn)圖1。該系統(tǒng)由反應(yīng)器、保溫設(shè)備、氣路通道以及相應(yīng)的監(jiān)測(cè)設(shè)備等組成。實(shí)驗(yàn)氣體為空氣，由氣瓶供給，其流量通過(guò)相應(yīng)的質(zhì)量流量計(jì)控制，在進(jìn)入反應(yīng)器前會(huì)被加熱線圈預(yù)熱到實(shí)驗(yàn)穩(wěn)定狀態(tài)，反應(yīng)生成的氣相產(chǎn)物通過(guò)氣相色譜儀進(jìn)行檢測(cè)。實(shí)驗(yàn)前將煤樣置于銅質(zhì)反應(yīng)器內(nèi)，將其置于程序控溫箱內(nèi)，然后連接好進(jìn)氣氣路、出氣氣路和溫度探頭（探頭置于煤樣罐的幾何中心），檢查氣路的氣密性。測(cè)試時(shí)向反應(yīng)器內(nèi)通入80ml／min的干空氣。在程序控溫箱控制下以1℃／min的升溫速率對(duì)煤樣進(jìn)行加熱，升溫至200℃。

圖1 實(shí)驗(yàn)裝置示意圖

1.2.2 熱重分析實(shí)驗(yàn)

為研究煤在低溫氧化過(guò)程中的氧化放熱性能，本次實(shí)驗(yàn)采用低溫慢、高溫快的變升溫速率給煤樣加熱，即20～200℃，升溫速率為1.5℃／min；200～700℃，升溫速率為5℃／min；試樣含水量為天然含水量，樣品質(zhì)量為8～10mg；實(shí)驗(yàn)在空氣中進(jìn)行，空氣流量為50ml／min。實(shí)驗(yàn)所用設(shè)備為北京恒久科學(xué)儀器廠生產(chǎn)的微機(jī)差熱天平（HCT－1）分析儀。

2 結(jié)果與討論

2.1 指標(biāo)氣體與釋放溫度的關(guān)聯(lián)研究

圖2給出了不同指標(biāo)氣體隨溫度變化的趨勢(shì)圖。在實(shí)驗(yàn)溫度為30℃時(shí)，已檢測(cè)到少量的CO，說(shuō)明在室溫下，新鮮的煤樣很快進(jìn)入氧化狀態(tài)。對(duì)比兩種煤樣的CO生成特性，可以看出，在溫度低于180℃時(shí)，井工煤的CO生成速率高于井東煤，這與井工煤的自燃傾向性大于井東煤的表征結(jié)果相一致。由于井工煤具有較高的自燃傾向性，在低溫氧化階段，很容易吸附空氣中的氧氣，發(fā)生氧化反應(yīng)，O2濃度的變化情況也充分證明這一點(diǎn)。同時(shí)也充分說(shuō)明了僅依靠物理吸附氧量來(lái)評(píng)價(jià)煤的自燃傾向性有一定的片面性，物理吸附氧量在緩慢低溫氧化階段可以作為煤自燃傾向性的指標(biāo)，但到了氧化加速階段，主要以氧氣化學(xué)吸附為主，就需要一個(gè)新的更加全面的指標(biāo)來(lái)評(píng)價(jià)煤的氧化性能。

H2生成溫度較晚，在100℃左右，此時(shí)煤已進(jìn)入加速氧化階段。H2生成速率整體呈現(xiàn)出隨溫度升高而增加的趨勢(shì)。但在較高溫度時(shí)，呈現(xiàn)出一定波動(dòng)性，這是由于在較高溫度下，熱解反應(yīng)和氧化反應(yīng)并存，二者競(jìng)爭(zhēng)的結(jié)果使H2生成濃度呈現(xiàn)出波動(dòng)性。C2H4生成速率在120℃左右。烴類生成速率與CO相類似，不同的是：在整個(gè)實(shí)驗(yàn)階段，井工煤的烴類氣體生成量一直大于井東煤的生成量，這與井工煤的易自燃煤種有很大關(guān)系。在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中沒(méi)有檢測(cè)到C2H2生成。

由以上分析可知，CO的出現(xiàn)說(shuō)明煤已經(jīng)發(fā)生低溫氧化反應(yīng)，此時(shí)應(yīng)加強(qiáng)監(jiān)測(cè)，如果CO濃度呈持續(xù)穩(wěn)定上升趨勢(shì)，表明煤的氧化進(jìn)入迅速氧化階段，應(yīng)發(fā)出預(yù)警，采取有效措施加以治理；如果在有CO存在的前提下，檢測(cè)出C2H4和H2，即可做出煤已自然發(fā)火的預(yù)報(bào)，此時(shí)煤已進(jìn)入加速氧化階段，必須采取切實(shí)有效的防滅火措施，如果延誤時(shí)機(jī)可能發(fā)展成重大火災(zāi)事故；如果檢測(cè)到C2H2，應(yīng)視為煤已產(chǎn)生較高溫度，進(jìn)入激烈氧化階段，可能出現(xiàn)明火，采取措施要謹(jǐn)慎。

2.2 質(zhì)量及熱量變化與特征溫度的關(guān)聯(lián)研究

圖3顯示的是實(shí)驗(yàn)用煤的TG、DTG及DTA曲線。為了研究的方便，根據(jù)TG、DTG及DTA曲線之間的相互關(guān)系，把煤氧化過(guò)程分階段研究，其結(jié)果顯示在表1中。

從圖3和表1可以看出，在煤樣自燃過(guò)程中，煤樣質(zhì)量呈現(xiàn)出先減小后增加直至燃燒分解。在煤低溫氧化初期階段，質(zhì)量減小主要體現(xiàn)在煤外在水分的脫除，兩種煤樣的脫水階段都在100℃完成。在100℃以前，煤樣低溫氧化速率較慢，在此過(guò)程中涉及氧的物理吸附和化學(xué)吸附，其中以物理吸附為主，氧化反應(yīng)產(chǎn)生的氣體產(chǎn)物較少，這可以從圖2看出。在100℃以前，煤樣DTG曲線波動(dòng)較大，這主要是由于脫水和吸氧同時(shí)作用的結(jié)果。煤樣DTG曲線顯示在此階段以脫水吸熱為主。

表1 煤氧化過(guò)程中各階段所對(duì)應(yīng)的溫度

井工煤質(zhì)量增加階段從90℃左右開(kāi)始，而井東煤質(zhì)量增加階段從100℃開(kāi)始，相差10℃左右，這與井工煤比井東煤易自燃特性相一致。井工煤吸氧增重速率最大值在200℃，明顯低于井東煤的吸氧增重速率最大值。從表1可以看出，在整個(gè)吸氧增重階段，井工煤的總吸氧量為0.52mg，遠(yuǎn)高于井東煤的0.35mg。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，應(yīng)用熱分析技術(shù)可以很好的鑒定煤的自燃傾向性，并且比單一依靠物理吸附氧量更加準(zhǔn)確全面。

3 結(jié)論

（1）煤自燃過(guò)程中呈現(xiàn)出一系列的宏觀表象，包括煤體溫度升高、標(biāo)志氣體以及煤樣質(zhì)量的變化，它們之間有內(nèi)在關(guān)聯(lián)性。

（2）熱分析技術(shù)能夠準(zhǔn)確、全面地反映煤自燃整個(gè)過(guò)程，物理吸附氧和化學(xué)吸附氧相結(jié)合更能全面的評(píng)價(jià)煤自燃傾向性。

（3）中煤平朔煤層標(biāo)志氣體應(yīng)在使用CO的前提下，結(jié)合C2H4、H2和C2H2作為綜合判斷指標(biāo)，來(lái)預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)煤自燃狀態(tài)。

（4）在煤自燃過(guò)程的不同階段，氧化反應(yīng)的程度不同。這與煤的變質(zhì)程度，巖相組成以及吸附氧能力等有關(guān)。

［1］ P.Lu，G.X.Liao，J.H.Sum，P.D.Li.Experimental research on index gas of the coal spontaneous at low－temperature stage［J］.Journal of Loss Prevention in the Process Industries，2004（17）

［2］ 鄔劍明，王文文.基于動(dòng)力學(xué)的煤低溫氧化機(jī)理研究［J］.中國(guó)煤炭，2012（3）

［3］ 王俊峰，鄔劍明，梁子榮等.煤升溫氧化過(guò)程中Rn的析出與相關(guān)性實(shí)驗(yàn)研究［J］.中國(guó)煤炭，2009（3）［4］ 鄔劍明，彭舉，吳玉國(guó).平朔礦區(qū)煤自然發(fā)火指標(biāo)氣體選擇的試驗(yàn)研究［J］.煤炭科學(xué)技術(shù)，2012（2）

［5］ 余明高，鄭艷敏，路長(zhǎng)，賈海林.煤自燃特性的熱重－紅外光譜實(shí)驗(yàn)研究［J］.河南理工大學(xué)學(xué)報(bào)，2009（5）

［6］ 張嬿妮，鄧軍，文虎，李士戎.華亭煤自燃特征溫度的TG／DTG實(shí)驗(yàn)［J］.西安科技大學(xué)學(xué)報(bào)，2011（6）

［7］ 肖劍儒.神東礦區(qū)石圪臺(tái)礦2－2～＃煤自燃特征溫度與指標(biāo)氣體實(shí)驗(yàn)研究［J］.中國(guó)煤炭，2011（9）

Associated research on macroscopic properties of coal spontaneous combustion in Pingshuo colliery

Niu Guangyong，Wu Jianming，Wu Yuguo，Zhang Yajun

（College of Mining Technology，Taiyuan University of Technology，Taiyuan，Shanxi 030024，China）

The comprehensive index gas test and non－isothermal thermo－gravimetric analysis experiment are conducted on the two easily spontaneous combustion coal samples of Jingdong Coal Industry and Jinggong No.1Mine in Pingshuo Colliery；the inner relations among the index gas，coal quality change and coal temperature are analyzed；the single index gas of CO for forecasting the coal spontaneous combustion is extended and combined with gas of C2H4、H2、C2H2gas as the comprehensive index gas for coal spontaneous combustion.And the research shows that the thermal analysis method can evaluate the coal spontaneous combustion tendency better than the physical oxygen adsorption method，for the thermal analysis technology can accurately and comprehensively reflect the whole process of coal spontaneous combustion.

coal spontaneous combustion，index gas，thermo－gravimetric analysis，oxygen adsorption

TD75

A

牛光勇（1987－），男，山東菏澤人，碩士研究生，主要從事煤礦防滅火方面研究工作。

（責(zé)任編輯 張艷華）