大同礦區(qū)侏羅系/石炭系雙系煤的熱重性能研究

龐葉青 史波波 張 奇 王仲偉

(1.大同煤礦集團(tuán)有限公司通風(fēng)處，山西省大同市，037003；2.中國礦業(yè)大學(xué)安全工程學(xué)院，江蘇省徐州市，221116)

大同礦區(qū)內(nèi)侏羅系與石炭系雙系煤層賦存，其中侏羅系煤層賦存深度較淺，距地表約為240～350 m；而石炭系煤層賦存較深，為400～800 m。隨著開采深度的增加，優(yōu)質(zhì)的侏羅紀(jì)煤系儲量逐步減少，開采逐漸向石炭系煤系轉(zhuǎn)移，并已成為大同礦區(qū)高產(chǎn)高效主體煤層。以年產(chǎn)千萬噸特大型礦井同忻煤礦為例，同忻井田區(qū)域內(nèi)上覆有同家梁、大斗溝、忻州窯等侏羅系礦井，雙系煤炭共存，間距一般在150～200 m。礦井的安全高效生產(chǎn)面臨以下問題及難題：煤自燃是大同礦區(qū)面臨的主要問題之一，石炭系和侏羅系煤層在成煤年代、煤自燃屬性、煤層賦存條件等方面都存在較大的差異；需要對雙系煤層進(jìn)行協(xié)同考慮，尤其是隨著開采陣地逐漸向石炭系煤系轉(zhuǎn)移，侏羅系/石炭系雙系特厚煤層相互影響，給礦井火災(zāi)的預(yù)測、防控提出了新的問題與挑戰(zhàn)。因此，需要進(jìn)一步對比分析煤的自然發(fā)火特性與指標(biāo)，為礦井的防滅火工作超前布置提供決策，保障礦井的高效安全生產(chǎn)。

煤自燃傾向性的鑒定是礦井防滅火技術(shù)與措施的重要基礎(chǔ)[1]。因此，煤自燃傾向性的科學(xué)鑒定具有非常重要的現(xiàn)實(shí)意義[2-3]，但是，由于煤本身結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性以及自燃過程的復(fù)雜性，國內(nèi)外至今還沒有公認(rèn)統(tǒng)一、標(biāo)準(zhǔn)化的鑒定方法和指標(biāo)[4]。目前，相關(guān)領(lǐng)域的專家、學(xué)者主要通過交叉點(diǎn)溫度法、著火點(diǎn)法、靜態(tài)/動態(tài)吸氧法、DSC法等測定方法研究煤的自燃傾向性及關(guān)鍵指標(biāo)[5]。除此以外，煤自燃還可以通過宏觀動力學(xué)進(jìn)行表征，如：劉劍等運(yùn)用動力學(xué)模型對煤進(jìn)行熱重性能試驗(yàn)，確定了煤的自燃氧化動力學(xué)，得出了自然發(fā)火期[6]；張斌等研究了褐煤自燃特性熱重性能試驗(yàn)及氧化燃燒動力學(xué)特征，得出了褐煤的自燃傾向性[7]；孫福龍等運(yùn)用熱重性能分析了煤樣活化能，并進(jìn)行了基于活化能的煤的自燃傾向性研究[8]。基于此，本文對大同礦區(qū)侏羅系/石炭系雙系煤的熱重性能進(jìn)行研究。

1 煤自燃活化能的氧化動力學(xué)求解方法

根據(jù)氣體分子運(yùn)動理論，發(fā)生化學(xué)反應(yīng)的前提條件是反應(yīng)物分子之間發(fā)生有效碰撞[9]，活化能即為活化分子具有的最低能量Ec與平均能量Ea的差值，一般采取表觀活化能[10]來描述。煤與氧反應(yīng)的表達(dá)式可表示為[11]：煤+O2→mCO2+gCO+其他產(chǎn)物，可用公式(1)來表示煤的氧化反應(yīng)速度：

(1)

式中：t——反應(yīng)的時(shí)間；

A——前因子；

E——表觀活化能；

R——摩爾氣體常數(shù)；

T——反應(yīng)的熱力學(xué)溫度；

α——煤自燃氧化反應(yīng)過程中的轉(zhuǎn)化率；

f(α)——煤氧化自燃反應(yīng)的數(shù)學(xué)函數(shù)；

W——t時(shí)刻的未反應(yīng)的煤樣重量；

W始、W終——研究過程的始末狀態(tài)煤樣重量。

引入程序設(shè)定的升溫速率β：

(2)

將式(2)代入式(1)，可得到：

(3)

將式(3)兩側(cè)分別在0～α和T0～T之間積分，得：

(4)

式中：T0——初始溫度。

由于起始反應(yīng)T0溫度較低，反應(yīng)速率很小(可忽略不計(jì))，則式(4)可變換為：

(5)

(6)

式中：g(α)——f(α)的積分函數(shù)。

煤氧復(fù)合反應(yīng)屬于一級化學(xué)反應(yīng)[13]，f(α)表示為[14]：

將式(8)代入式(6)中，可得：

由ln[-ln(1-α)/T2]對1/T作圖，得到直線的斜率-E/R，即為煤自燃氧化反應(yīng)的活化能E，轉(zhuǎn)化率α將通過下述的熱重試驗(yàn)來獲取。

2 基于熱重試驗(yàn)的煤自燃特性研究

2.1 試驗(yàn)條件

試驗(yàn)儀器采用帕克林姆(PerkinElme)公司生產(chǎn)的TGA-4000，試驗(yàn)樣品選取大同礦區(qū)6個(gè)煤礦的煤樣，即侏羅系煤層的忻州窯礦、晉華宮礦、四臺礦，石炭系煤層的塔山礦、同忻礦和同發(fā)東周窯礦的煤樣，煤樣的工業(yè)分析見表1，篩分至80目以下，樣品質(zhì)量20 mg左右，以O(shè)2、N2為載氣，流量分別為20 mL/min、80 mL/min，采用空氣進(jìn)行試驗(yàn)?zāi)M，升溫速率設(shè)置為15℃/min，溫度區(qū)間設(shè)置為50℃～900℃。

表1 大同礦區(qū)典型礦井煤樣的工業(yè)分析匯總 %

2.2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

通過熱重性能試驗(yàn)，可得到各煤樣的TG曲線。以同發(fā)東周窯礦煤樣的TG和DTG曲線為例，如圖1所示。由圖1可以看出，煤樣首先由于失去水分而失重，T1是煤樣失水至質(zhì)量最低點(diǎn)時(shí)對應(yīng)的溫度，此時(shí)DTG數(shù)值為0。緊接著，煤樣開始吸附氧氣，吸氧量增加但進(jìn)一步氧化釋放出氣體的產(chǎn)物速率相對較小，故煤樣重量出現(xiàn)緩慢增加的現(xiàn)象。當(dāng)溫度升高到T2值時(shí)，煤樣開始較快的失重過程，并經(jīng)過煤樣的著火點(diǎn)溫度T3。當(dāng)溫度升至T4時(shí)煤樣燃燒速率最大，表現(xiàn)為DTG曲線的峰值。此后，煤樣繼續(xù)燃燒，直至燃燒結(jié)束，煤樣的質(zhì)量不再發(fā)生變化。T5是燃燒完成，質(zhì)量開始不變的溫度。各試驗(yàn)煤樣特征溫度如表2所示。

圖1 同發(fā)東周窯礦試驗(yàn)煤樣的TG/DTG曲線

結(jié)合表1及表2可以看出：T1和T2值還與煤樣的水分、灰分有密切的關(guān)系。煤樣的水分越大，T1和T2越大。這主要是因?yàn)樯郎厍捌?，能量需要將煤樣中的水分蒸發(fā)，之后才能進(jìn)入大范圍的煤氧復(fù)合時(shí)期。煤樣灰分越大，T1和T2也越大。這是因?yàn)榛曳趾吭酱?，固定碳含量越小，這樣煤-氧復(fù)合的能力就較差，煤樣吸氧量、干裂溫度T1均受影響而響應(yīng)減小。這樣就造成了石炭系礦井塔山、同忻煤樣的干裂溫度T1和質(zhì)量極大值溫度T2與侏羅紀(jì)礦井煤樣的溫度相差不大。

表2 大同礦區(qū)試驗(yàn)煤樣的特征點(diǎn)溫度

3 煤樣各特征階段的活化能解算

煤的熱重性能試驗(yàn)表明，煤的自燃氧化燃燒過程大致可以分為失水失重階段(初始溫度～T1)、氧化增重階段(T1～T2)、緩慢燃燒階段(T2～T3)、劇烈燃燒階段(T3～T5)4個(gè)階段，這4個(gè)階段對應(yīng)的活化能并不相同。以同發(fā)東周窯礦煤樣為例，煤的第一階段——失水失重階段的活化能求解如圖2(a)所示，擬合曲線方程y=-1827.7x- 6.9946，R2=0.9229，E=15.20 kJ，氧化增重、緩慢燃燒、劇烈燃燒階段的分別見圖2(b)～(d)，擬合曲線方程分別為：y= -9980.9x+3.3499，R2= 0.9583，E=82.98 kJ；y=-23496x+14.619，R2= 0.9641，E=195.35 kJ；y=-16741x+2.8078，R2=0.9207，E=139.18 kJ。

分析本試驗(yàn)的試驗(yàn)數(shù)據(jù)，并與試驗(yàn)煤樣自然發(fā)火歷史、自然資料等進(jìn)行對比，對比結(jié)果見表3。由表3可以看出，緩慢燃燒階段活化能越小，煤樣越容易自燃。

基于著火活化能的指標(biāo)，可以反映出煤在自燃氧化過程中自燃傾向性的大小，用以揭示煤炭自燃的本質(zhì)特征。在其他條件基本相同的情況下，煤樣的活化能與其揮發(fā)分含量有關(guān)，煤樣中揮發(fā)分越低，其活化能越大，反之越小。

由表3可以看出，侏羅紀(jì)礦井忻州窯、晉華宮、四臺各特征階段的活化能均小于石炭系礦井塔山、同忻、同發(fā)東周窯各特征階段的活化能，這也與各煤樣工業(yè)分析指標(biāo)數(shù)據(jù)及現(xiàn)場生產(chǎn)實(shí)際相對應(yīng)。

圖2 同發(fā)東周窯礦煤樣ln[-ln(1-α)/T2]～1/T關(guān)系圖

表3 活化能解算數(shù)據(jù) kJ

4 結(jié)論

隨著開采深度的增加，大同礦區(qū)優(yōu)質(zhì)的侏羅紀(jì)煤系儲量逐步減少，開采逐漸向石炭系煤系轉(zhuǎn)移，并已成為大同礦區(qū)高產(chǎn)高效主體煤層。對大同礦區(qū)典型礦井的雙系特厚煤層煤自燃災(zāi)害進(jìn)行深入研究，對比分析石炭系-侏羅系雙系煤的自燃特性的差別。通過試驗(yàn)分析得到的結(jié)論可為井下制定防滅火措施、選擇阻化劑種類等提供一定依據(jù)，對煤礦防滅火工作具有重要意義。

(1)選取的大同礦區(qū)煤樣在400℃左右質(zhì)量變化很小，從400℃左右開始煤樣氧化燃燒反應(yīng)劇烈，質(zhì)量急劇減小，煤樣進(jìn)入較快的失重階段，且隨著揮發(fā)分的增加，煤樣的特征溫度值不斷減小。干裂溫度T1、質(zhì)量極大值溫度T2與煤樣的水分Mad和灰分Aad有著密不可分的關(guān)系。

(2)因水分Mad、灰分Aad以及揮發(fā)分Vad等含量的不同，忻州窯、晉華宮、四臺礦的侏羅紀(jì)煤樣相比塔山、同忻、同發(fā)東周窯的石炭系煤樣的各特征溫度低20℃～100℃。

(3)侏羅紀(jì)礦井忻州窯、晉華宮、四臺各特征階段的活化能均小于石炭系礦井塔山、同忻、同發(fā)東周窯各特征階段的活化能，這與各煤樣工業(yè)分析指標(biāo)數(shù)據(jù)及現(xiàn)場生產(chǎn)實(shí)際相對應(yīng)。通過對比分析發(fā)現(xiàn)，大同礦區(qū)侏羅系的煤自燃危險(xiǎn)性相對于石炭系更高。