高地溫環(huán)境對(duì)煤的自熱危險(xiǎn)性影響分析

張修峰，楊勝?gòu)?qiáng)

（1.江蘇建筑職業(yè)技術(shù)學(xué)院能源與工程學(xué)院，江蘇徐州221116；2.中國(guó)礦業(yè)大學(xué)安全工程學(xué)院，江蘇徐州221011）

高地溫環(huán)境對(duì)煤的自熱危險(xiǎn)性影響分析

張修峰1，楊勝?gòu)?qiáng)2

（1.江蘇建筑職業(yè)技術(shù)學(xué)院能源與工程學(xué)院，江蘇徐州221116；2.中國(guó)礦業(yè)大學(xué)安全工程學(xué)院，江蘇徐州221011）

為確定高地溫環(huán)境中煤的自熱危險(xiǎn)性，進(jìn)行了不同初始氧化溫度的煤絕熱氧化實(shí)驗(yàn)。結(jié)果表明：初始氧化溫度升高，煤絕熱氧化溫升到70℃所用的時(shí)間（t70）大大降低，且煤階越高，t70值受初始氧化溫度的影響越大。隨著地溫的升高，煤的自燃傾向性增大，會(huì)由不易自燃煤變?yōu)樽匀济?。地溫升高?dǎo)致初始氧化時(shí)即有大量的原生活性基團(tuán)參與反應(yīng)，繼而產(chǎn)生更多的次生活性基團(tuán)，微觀(guān)反應(yīng)序列的強(qiáng)度增大，宏觀(guān)上表現(xiàn)為放熱速率明顯增強(qiáng)，絕熱氧化時(shí)間縮短，自熱危險(xiǎn)性增大。

地溫；絕熱氧化；起始溫度；自熱危險(xiǎn)性

隨著淺部煤炭資源的臨近枯竭，礦井開(kāi)采深度正逐漸增加，許多礦井正陸續(xù)進(jìn)入深部開(kāi)采，地溫梯度迅速增高［1］。高地溫引起的煤自然發(fā)火日趨嚴(yán)重，迫切需要研究高地溫環(huán)境對(duì)煤的自熱危險(xiǎn)性影響，如棗莊集團(tuán)的田陳、滕東等礦的地溫已超過(guò)40℃［2］。針對(duì)地溫對(duì)煤自燃特性的影響，郭興明等［3］通過(guò)分析煤體氧化放熱性、自燃蓄熱條件和供氧條件與地溫的關(guān)系，得出地溫改善了煤自燃所需的供氧條件和氧化蓄熱條件，從而導(dǎo)致煤體自燃危險(xiǎn)性增強(qiáng)。文虎、許滿(mǎn)貴等［4］已經(jīng)得出煤體放熱強(qiáng)度與耗氧速度隨地溫增加近似呈指數(shù)遞增，地溫的增加增強(qiáng)了漏風(fēng)動(dòng)力中的熱風(fēng)壓動(dòng)力，從而促進(jìn)了煤自燃供氧條件。鄧軍等［5］將測(cè)試煤樣預(yù)先置于40℃恒溫氧化后再程序升溫，得出高溫環(huán)境下煤體的氣體產(chǎn)生率、耗氧速率及放熱強(qiáng)度高于常溫下氧化煤體。但是地下原始煤層雖然在高地溫的環(huán)境中，在煤層沒(méi)有暴露于漏風(fēng)風(fēng)流中時(shí)，是處于無(wú)氧狀態(tài)下，所以本實(shí)驗(yàn)則將煤樣在不同地溫下進(jìn)行真空干燥，并以不同的氧化起始溫度模擬不同的地溫環(huán)境。另外，文獻(xiàn)［3-5］也沒(méi)有在微觀(guān)上考慮時(shí)間因素對(duì)絕熱氧化過(guò)程中初始氧化階段的影響。

評(píng)價(jià)煤的自熱危險(xiǎn)性的兩大指標(biāo)：煤的自燃傾向性和自然發(fā)火期。一般認(rèn)為，煤的自燃傾向性越大，煤的自然發(fā)火期越小，且煤的自然發(fā)火期的影

響因素較多，鑒于此，本文只考慮煤的自燃傾向性。目前，國(guó)內(nèi)外確定煤自燃傾向性的方法包括絕熱氧化法、交叉點(diǎn)溫度法、活化能法等。其中絕熱氧化法能夠最大程度上消除環(huán)境因素對(duì)煤低溫氧化過(guò)程的影響，使得煤的溫升僅僅依靠自身產(chǎn)生的熱量，因此是判定煤自燃傾向性的比較科學(xué)的方法［6］。

絕熱氧化方法所得出的溫度-時(shí)間曲線(xiàn)具有一定的相似性，因此本文只選取了兩組具有代表性的起始溫度（30℃和40℃），找出一般性的影響規(guī)律，為高地溫環(huán)境中煤自燃的防治工作提供理論指導(dǎo)。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 實(shí)驗(yàn)煤樣

實(shí)驗(yàn)選取4個(gè)不同變質(zhì)程度煤樣，煤樣的工業(yè)分析與元素分析見(jiàn)表1。煤樣的采取、封存及其制備嚴(yán)格按照相應(yīng)國(guó)標(biāo)執(zhí)行（GB/T 482-2008、GB 475-2008、GB/T 19222-2003、GB 474-2008）。1.2 實(shí)驗(yàn)裝置及測(cè)試步驟

表1 煤樣工業(yè)分析與元素分析

實(shí)驗(yàn)裝置為自主研發(fā)的煤自燃特性綜合測(cè)試系統(tǒng)［7］，能夠模擬煤的初始氧化溫度并實(shí)現(xiàn)0℃跟蹤控溫，見(jiàn)圖1。

圖1 煤自燃特性綜合測(cè)試系統(tǒng)

選取大塊煤樣煤芯部分，破碎篩分出粒徑為0.18～0.38mm的煤樣100g左右作為測(cè)試樣；將樣品放入真空干燥箱中于40℃干燥24h，去除外在水分；稱(chēng)量80g測(cè)試樣置于煤樣罐中，通入氮?dú)饬髁?0m L/min，并設(shè)定在初始氧化溫度（30℃、40℃）下恒溫；待爐溫、煤樣溫度都達(dá)到初始氧化溫度后，氮?dú)庋杆偾袚Q為氧氣（50m L/min），并將溫度控制箱內(nèi)的溫度控制方式改為0℃跟蹤控制，同時(shí)啟動(dòng)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)對(duì)煤樣溫度和環(huán)境溫度進(jìn)行采集，煤溫升至200℃完畢。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同地溫時(shí)煤的絕熱氧化溫升特性

由于絕熱實(shí)驗(yàn)耗時(shí)長(zhǎng)，研究中僅測(cè)試了四個(gè)煤樣初始氧化溫度分別為30℃與40℃的絕熱氧化特性，氧化溫升曲線(xiàn)見(jiàn)圖2。

由圖2可知，各煤樣的溫度（T/℃）都隨著時(shí)間（t/h）的增大而增大，即有，煤的氧化放熱速率逐漸增大，曲線(xiàn)呈冪指數(shù)增長(zhǎng)趨勢(shì)。氣煤、氣肥煤、肥煤、焦煤從相同起始溫度自熱升溫到200℃所需要的時(shí)間依次升高。不同變質(zhì)程度的煤樣，其自熱氧化過(guò)程的差異主要體現(xiàn)在氧化時(shí)間上，越容易發(fā)生自燃的煤，自熱氧化升溫速率越快，煤發(fā)生自燃所需要的時(shí)間越短。同時(shí)，對(duì)于同一煤樣，不同起始溫度下絕熱溫升曲線(xiàn)差別很大，可表示為，即絕熱實(shí)驗(yàn)的起始溫度由30℃升高到40℃，煤樣從起始溫度自熱升溫到200℃所需時(shí)間明顯縮短，且起始溫度越高，放熱強(qiáng)度隨溫度升高的幅度越大。因此煤的初始氧化溫度越高，煤氧最初的結(jié)合能力越強(qiáng)、總體放熱速率越大，高地溫環(huán)境加速了煤自燃過(guò)程，煤的自熱危險(xiǎn)性越高。

2.2 地溫對(duì)煤緩慢氧化階段的影響

從圖2可以看出，煤的自熱溫升過(guò)程具有明顯的分段特性。在70℃之前，煤的自熱溫升曲線(xiàn)近似為一條直線(xiàn)，表明這個(gè)階段的溫升速率近似為恒定值，此階段稱(chēng)為緩慢氧化階段；溫度達(dá)到70℃之后，溫升曲線(xiàn)表現(xiàn)為近似弧形的過(guò)渡段，溫升速率開(kāi)始逐漸升高，稱(chēng)為快速氧化階段。在70℃之后煤快速

升溫，進(jìn)入難以控制的階段［6］。煤自燃的預(yù)防工作主要是針對(duì)煤的緩慢氧化階段。因此本文主要分析地溫對(duì)煤緩慢氧化階段的影響，絕熱氧化過(guò)程參數(shù)見(jiàn)表2。

圖2 起始溫度分別為30℃和40℃絕熱氧化溫升曲線(xiàn)圖

表2 絕熱氧化過(guò)程參數(shù)

由表2可知，初始氧化溫度由30℃上升到40℃，氣煤、氣肥煤、肥煤、焦煤的t70值分別降低了41.8%、48.9%、58.3%、64.3%，在t70的這段時(shí)間內(nèi)，氧化初始溫度僅僅提高25%，卻使部分煤種t70值降幅超過(guò)50%。可知隨著初始氧化溫度的升高，煤絕熱氧化溫升到70℃所用的時(shí)間（t70）大大降低，并且煤階越高，t70值受初始氧化溫度的影響越大。

煤由30℃絕熱氧化溫升到40℃所用的時(shí)間（t30-40）雖然小于煤由40℃絕熱氧化溫升到70℃所用的時(shí)間（t40-70），但是t30-40占t70比例很大，氣煤、氣肥煤、肥煤、焦煤相應(yīng)的比值分別為37.8%、39.6%、46.06%、44.61%，同樣是在1/4溫度段內(nèi)占據(jù)了整個(gè)t70的40%左右，可知緩慢氧化階段占據(jù)很長(zhǎng)時(shí)間，初始氧化階段溫度上升速率偏小。地溫的升高，導(dǎo)致煤暴露于風(fēng)流中初始溫度升高，省去了煤的一部分自加熱時(shí)間，煤會(huì)用更短的時(shí)間達(dá)到70℃進(jìn)入不可控階段，因此地溫越高，煤的自熱危險(xiǎn)性越大。

同時(shí)，初始氧化溫度分別為30℃與40℃時(shí)，t40-70值并不相同，在初始氧化溫度為40℃時(shí)煤由40℃絕熱氧化溫升到70℃所用的時(shí)間更短。這說(shuō)明初始氧化溫度的不同，煤中參與反應(yīng)的活性基團(tuán)的種類(lèi)以及數(shù)量不同，改變了煤中的微觀(guān)反應(yīng)序列的強(qiáng)度。地溫升高時(shí)，初始氧化時(shí)即有大量的原生活性基團(tuán)參與反應(yīng)，繼而產(chǎn)生更多的次生活性基團(tuán)，使得微觀(guān)反應(yīng)序列的強(qiáng)度增大，宏觀(guān)上表現(xiàn)為放熱速率明顯增強(qiáng)，絕熱氧化時(shí)間縮短。

2.3 不同地溫環(huán)境中煤的自燃傾向性

基于煤的絕熱溫升判斷煤自燃傾向性的指標(biāo)主要有R70指標(biāo)（煤樣從40℃到70℃的平均溫升速率）、臨界自熱溫度SHT指標(biāo)、初始溫升速率IRH和總溫升值TTR法等。根據(jù)R70指標(biāo)，R70小于0.5℃/h時(shí)為不易自燃煤，R70介于0.5℃/h與0.8℃/h之間時(shí)為自燃煤，R70大于0.8℃/h時(shí)為容易自燃煤［6］。根據(jù)表2，初始氧化溫度由30℃上升到40℃時(shí)，氣煤均為自燃煤，氣肥煤由不易自燃煤變?yōu)樽匀济?，肥煤由不易自燃煤變?yōu)樽匀济海姑壕鶠椴灰鬃匀济?。因此，隨著地溫的升高，因煤中微觀(guān)反應(yīng)序列的變化導(dǎo)致了煤的自燃傾向性更大。

3 結(jié)束語(yǔ)

1）初始氧化溫度升高，煤絕熱氧化溫升到70℃所用的時(shí)間（t70）大大降低，并且煤階越高，t70值受初始氧化溫度的影響越大，高地溫環(huán)境縮短了煤的緩慢氧化階段，加速了煤自燃過(guò)程。

2）隨著地溫的升高，煤的自燃傾向性增大。初始氧化溫度由30℃上升到40℃時(shí)，根據(jù)R70判定指標(biāo)，氣肥煤與肥煤均由不易自燃煤變?yōu)樽匀济骸?/p>

3）地溫升高，初始氧化時(shí)即有大量的原生活性基團(tuán)參與反應(yīng)，繼而產(chǎn)生更多的次生活性基團(tuán)，微觀(guān)反應(yīng)序列的強(qiáng)度增大，宏觀(guān)上表現(xiàn)為放熱速明顯增強(qiáng)，絕熱氧化時(shí)間縮短，自熱危險(xiǎn)性增大。

［1］ 謝和平，彭蘇萍，何滿(mǎn)潮.深部開(kāi)采基礎(chǔ)理論與工程實(shí)踐［M］.北京：科學(xué)出版社，2006.

［2］ 鮑慶國(guó).滕南礦區(qū)高地溫環(huán)境中煤自燃特性及防滅火技術(shù)［D］.徐州：中國(guó)礦業(yè)大學(xué)，2014.

［3］ 郭興明，徐精彩，鄧軍，等.地溫在煤自燃過(guò)程中的作用分析［J］.煤炭學(xué)報(bào)，2001，26（2）：160-162.

［4］ 文虎，許滿(mǎn)貴，王振平，等.地溫對(duì)煤炭自燃的影響［J］.西安科技學(xué)院學(xué)報(bào).2001，21（1）：1-3.

［5］ 鄧軍，王凱，翟小偉，等.高地溫環(huán)境對(duì)煤自燃特性影響的試驗(yàn)研究［J］.煤礦安全，2014（3）：13-15.

［6］ 王德明.煤氧化動(dòng)力學(xué)理論及應(yīng)用［M］.北京：科學(xué)出版社，2012.

［7］ 王德明.礦井火災(zāi)學(xué)［M］.徐州：中國(guó)礦業(yè)大學(xué)出版社，2008.

The effect of high ground temperature environment on risk of coal self-heating

ZHANG Xiu-feng1，YANG Sheng-qiang2
（1.School of Energy and Traffic Engineering，Jiangsu Vocational Institute of Architectural Technology，Xuzhou 221116，China；2.College of Safety Engineering，China University Mining and Technology，Xuzhou 221006，China）

To determine coal self-heating risk under the high ground temperature environment，the different initial oxidation temperature of coal adiabatic oxidation experiment were implemented.The results show that time cost from initial temperature to 70oC in adiabatic oxidation condition（t70）decreased largely with the increase of initial temperature.And the higher coal rank is，the greater initial temperature influences t70.As the ground temperature increases，the spontaneous combustion tendency of coal increases，converting uneasy self-ignition to easily self-igniting.High ground temperature cause that the vast original life of the group participate in the reaction during the initial oxidation，then generating more secondary active group and increasing the strength of the microscopic reaction sequence.It shows that the rate of heat release grows significantly and the time of adiabatic oxidation is shortened.So the risk of self-heating of coal increases.

ground temperature；adiabatic oxidation；initial temperature；the risk of self-heating

TD75

A

1004-4051（2016）09-0159-03

2016-02-10

張修峰（1976-），男，江蘇徐州人，講師，從事礦山安全技術(shù)教學(xué)工作。E-mail：45787729@qq.com。