蒙西侏羅紀(jì)煤層自燃機理參數(shù)測定分析研究

程根銀，任 強，司俊鴻，王玉懷

（華北科技學(xué)院 安全工程學(xué)院，河北 三河 065201）

預(yù)防煤層自燃是煤炭開采行業(yè)要解決的根本問題之一，隨煤礦開采逐步向深度拓展，自然發(fā)火災(zāi)害愈加嚴(yán)重[1]。其中，蒙西地區(qū)侏羅紀(jì)煤變質(zhì)程度較低、可燃物質(zhì)偏多，造成大量優(yōu)質(zhì)資源的損失，產(chǎn)生的毒害氣體危害作業(yè)人員的健康和生命以及對環(huán)境的污染[2-3]；程根銀等在該地區(qū)進行了實驗紅外光譜、官能團分析和差示掃描量熱法，得出含氧官能團的釋放對煤層自燃傾向性的促進影響，揭示侏羅紀(jì)煤在低溫氧化過程下的表觀活化現(xiàn)象[4-5]；程宥對蒙西地區(qū)煤自燃過程進行了宏觀和微觀參數(shù)測定，得出該地區(qū)煤層自燃氧化特性[6]；吳玉國等系統(tǒng)研究了神東礦區(qū)煤層的自燃特性，但缺少對比試驗研究而缺乏說服力[7]；楊永良與李夏青選取了西北地區(qū)4 組以上侏羅紀(jì)煤樣，在煤的基礎(chǔ)參數(shù)和吸氧量測定中取得了相關(guān)研究結(jié)論[8-9]；王凱等對陜北地區(qū)侏羅紀(jì)煤樣進行了系統(tǒng)實驗研究，運用“理論分析+實驗研究”法分析了陜北侏羅紀(jì)煤的理化性質(zhì)，根據(jù)氧化過程的熱分析動力學(xué)特征研究耗氧速率、氣體產(chǎn)生率、放熱強度等自燃特性參數(shù)的意義[10]。

煤低溫氧化過程的實質(zhì)是煤體表面上的各種活性分子、基團與氧氣發(fā)生物理吸附、化學(xué)吸附和化學(xué)反應(yīng)并產(chǎn)生熱量[11-12]。煤的形成是多種有機物與無機物共同作用的結(jié)果，因此了解煤的自燃氧化規(guī)律需要充分理解煤組成成分特性。通過系列實驗測定蒙西地區(qū)煤樣理化性質(zhì)，分析侏羅紀(jì)煤層自燃氧化特征參數(shù)，通過研究侏羅紀(jì)煤樣氧化規(guī)律，為研判侏羅紀(jì)煤層自然發(fā)火隱患及防治工作提供依據(jù)。

1 煤層自燃特性參數(shù)

選取侏羅紀(jì)煤樣和石炭紀(jì)對比煤樣作為實驗對象，其中侏羅紀(jì)煤樣分別是：大柳塔礦5-2煤層煤樣、察哈素煤礦4-2煤層2 組煤樣、楊圪楞礦前壩二號井焦煤煤樣以及松樹灘煤礦124 工作面煤樣；2組對比煤樣是：姚橋礦石炭紀(jì)煤樣與山西常村礦石炭紀(jì)煤樣。實驗煤樣均為井下采出的新鮮煤樣，未經(jīng)噴水、注水等措施處理，并用多層塑料紙及尼龍袋密封包裹進行保存運輸。

煤的自燃特性參數(shù)包括水分、揮發(fā)分、灰分、靜態(tài)吸氧量以及 CO2、CO、CH4、C2H6、C2H4、C2H2等有機氣體，通過以上參數(shù)的實驗室測定，從而確定不同因素對煤層自燃傾向性的影響規(guī)律。

2 煤樣工業(yè)分析

2.1 工業(yè)分析實驗過程

采用TGA-2000 型全自動分析儀進行煤樣工業(yè)分析，TGA-2000 型全自動工業(yè)分析儀如圖1。煤工業(yè)分析實驗流程如圖2。分別稱取煤樣各100 g，將煤樣升溫至105 ℃時測定并記錄水分含量；再升溫至900 ℃時通入N2，并測定煤樣揮發(fā)分；將溫度調(diào)至845 ℃并保持恒定，通入N2后測定灰分含量；100 g 與以上3 個測量數(shù)據(jù)的差值則得到固定碳含量。

圖1 TGA-2000 型全自動工業(yè)分析儀Fig.1 TGA-2000 automatic industrial analyzer

圖2 煤工業(yè)分析流程Fig.2 Industrial analysis flow of coal

2.2 工業(yè)分析實驗結(jié)果

煤樣工業(yè)分析結(jié)果見表1。

表1 煤樣工業(yè)分析結(jié)果Table 1 Industrial analysis results of coal samples

由表1 可知，大柳塔礦和察哈素礦煤樣水分含量明顯高于其他煤樣，經(jīng)過鑒定2 組煤樣煤層為易自燃煤層；楊圪楞礦和松樹灘礦煤樣水分含量稍低于石炭紀(jì)煤樣，事實上石炭紀(jì)煤樣為不自燃煤層，由此表明侏羅紀(jì)煤樣自燃傾向性與水分含量呈正相關(guān)。除松樹灘無煙煤外，侏羅紀(jì)煤樣中整體揮發(fā)分含量均高于石炭紀(jì)煤樣，與選取煤樣的整體變質(zhì)程度較低相一致；一般情況下，熱解產(chǎn)物量隨煤樣揮發(fā)分含量增加而增加，僅從揮發(fā)分分析，侏羅紀(jì)煤在自燃氧化階段釋放更多熱量，自燃傾向性也更高。除察哈素礦1 號礦煤樣外，侏羅紀(jì)煤樣中的灰分普遍低于石炭紀(jì)煤樣，屬低灰煤乃至超低灰煤。侏羅紀(jì)煤樣灰分含量低，表示可燃燒物質(zhì)的比例偏高，說明煤在燃燒過程中單位放熱量較高，升溫速度更快，證明侏羅紀(jì)煤樣具有更高的自燃傾向性。

3 煤樣靜態(tài)吸氧量分析

根據(jù)煤氧化復(fù)合理論[13]，煤在低溫下化學(xué)活性隨吸氧能力呈正相關(guān)，具有較高自燃傾向性；當(dāng)煤樣遇到充足的氧氣與良好的蓄熱條件時，煤氧復(fù)合作用產(chǎn)生的熱量使得煤溫持續(xù)上升，達到燃點時出現(xiàn)煤炭燃燒，因此通過測定煤的氧化過程中氧氣消耗量可以預(yù)判煤的自燃傾向性。

3.1 煤樣靜態(tài)吸氧量實驗方法

采用ZRJ-1 型煤自燃傾向性測定儀測定實驗煤樣的靜態(tài)吸氧量，ZRJ-1 型煤自燃傾向性測定儀如圖3。測定原理是運用朗格繆爾單分子層的吸附方程表達式與測定煤吸附流態(tài)氧的雙氣路色譜法相結(jié)合來測定吸氧量。

圖3 ZRJ-1 型煤自燃傾向性測定儀Fig.3 ZRJ-1 coal spontaneous combustion liability tester

3.2 煤樣靜態(tài)吸氧量實驗過程

分別稱取各實驗煤樣100 g，要求全部煤樣粉碎至 0.10～0.15 mm 粒級的煤粉占比為 65%～75%，再稱1.0 g 分析煤樣分別裝入兩端塞少量玻璃棉的4 支樣品管內(nèi)，接入試驗儀器中以備測定。嚴(yán)格按照國標(biāo)GB/T 20104—2006 煤自燃傾向性色譜吸氧鑒定法[14]操作要求，對蒙西侏羅紀(jì)煤樣和石炭紀(jì)煤樣進行低溫氧化吸氧量測定實驗，靜態(tài)吸氧量測定結(jié)果見表2。

表2 靜態(tài)吸氧量測定結(jié)果Table 2 Results of static oxygen uptake measurement

結(jié)果顯示，侏羅紀(jì)煤樣靜態(tài)吸氧量普遍高于石炭紀(jì)煤樣，大柳塔礦、察哈素礦和楊圪楞礦煤樣揮發(fā)分大于18%，吸氧量大于0.70 cm3/g，按照煤自燃傾向性等級分類標(biāo)準(zhǔn)，屬于容易自燃煤；松樹灘礦煤樣的全硫含量小于2.0%，則屬于不燃煤層，無自燃傾向性，實驗結(jié)果與現(xiàn)場實際相符合。

另外，自燃傾向性鑒定法表明煤氧吸附特性與其變質(zhì)程度具有一致性，即自燃的可能性隨著煤吸氧量呈現(xiàn)正相關(guān)。從實驗結(jié)果中看出，大柳塔礦煤樣的吸氧量最高，說明自燃傾向性最大，同時該煤樣揮發(fā)分最高，屬于7 組煤樣中變質(zhì)程度最低的長焰煤，表明2 組實驗具有相同性。

4 煤樣程序升溫實驗分析

在煤與氧復(fù)合過程中，標(biāo)志性氣體的種類與濃度隨溫度變化而呈現(xiàn)出一定規(guī)律性。分析煤在低溫氧化過程中的產(chǎn)生規(guī)律，對研究煤自燃機理、確定煤自然發(fā)火傾向性以及煤自燃預(yù)報預(yù)測具有重要研究價值。

利用程序升溫實驗裝置，結(jié)合氣相色譜儀，分析蒙西侏羅紀(jì)煤樣在低溫氧化階段（20～200 ℃）下氣體生成速率隨溫度變化的關(guān)系。選取侏羅紀(jì)察哈素1 號礦與2 號礦、松樹灘礦、楊圪楞礦以及石炭紀(jì)姚橋礦煤樣作為研究對象，通過自然落錘法破碎并篩選粒徑為 1.25～3.00 mm 的煤樣，實驗過程中設(shè)定升溫速率為1 ℃/min、空氣流量為100 mL/min。

4.1 煤樣程序升溫實驗方法

煤低溫氧化氣體生成實驗裝置如圖4。

圖4 煤低溫氧化氣體生成實驗裝置Fig.4 Experimental device for coal low-temperature oxidation gas generation

利用空壓機將空氣送至煤自然發(fā)火模擬裝置中，加熱后從煤樣罐進入，對煤樣升溫，再從頂部流出，束管監(jiān)測系統(tǒng)在微機控制下抽取該氣體，并送至氣相色譜儀，測定 CO2、CO、CH4、C2H6、C2H4、C2H2、N2、O2等可能生成氣體的含量，并自動保存結(jié)果。

4.2 煤樣程序升溫實驗結(jié)果分析

實驗中測定了各實驗煤樣在不同溫度下的CO、CO2、CH4、C2H6、C2H4的濃度值，實驗結(jié)果如下。

1）CO、CO2氣體生成變化規(guī)律。CO 和 CO2產(chǎn)生速率隨煤溫度變化曲線圖如圖5。由圖5 可以看出，130 ℃左右時侏羅紀(jì)煤樣中CO 和CO2生成速率高于石炭紀(jì)煤樣，說明侏羅紀(jì)煤樣在低溫氧化階段的復(fù)合作用更加劇烈。侏羅紀(jì)煤的活性結(jié)構(gòu)含量大于姚橋礦煤樣，且大量參與到氧化反應(yīng)中，是煤樣復(fù)合作用在低溫氧化階段的主要反應(yīng)類型。

圖5 CO 和CO2 產(chǎn)生速率隨煤溫度變化曲線圖Fig.5 Variation curves of CO and CO2 production rates with coal temperature

2）CH4、C2H6、C2H4氣體生成變化規(guī)律。CH4、C2H6和C2H4產(chǎn)生速率隨煤溫變化曲線圖如圖6。溫度升高過程中煤樣逐漸釋放烷烴、烯烴等氣體，CH4最初來源于煤體賦存瓦斯，側(cè)鏈和活潑基團隨溫度升高過程中，于 120 ℃附近產(chǎn)生 C2H6，于 150 ℃附近產(chǎn)生C2H4，未檢測到C2H2。通過與石炭紀(jì)煤樣氣體生成情況對比得到，侏羅紀(jì)煤氣體生成速率高于石炭紀(jì)煤樣。

5 結(jié) 論

1）通過煤工業(yè)分析實驗，將蒙西侏羅紀(jì)煤樣分析結(jié)果與石炭紀(jì)成煤時期煤樣進行對比，得出蒙西侏羅紀(jì)煤樣高水分、高揮發(fā)分等對煤炭自燃具有促進作用，低灰分抑制煤的自燃。

圖6 CH4、C2H6 和C2H4 產(chǎn)生速率隨煤溫變化曲線圖Fig.6 Variation curves of production rates of CH4, C2H6 and C2H4 with coal temperature

2）通過靜態(tài)吸氧量實驗，得出蒙西侏羅紀(jì)煤樣靜態(tài)吸氧量普遍高于石炭紀(jì)煤氧，按照煤自燃傾向性國家標(biāo)準(zhǔn)劃分，屬于容易自燃煤，自燃傾向性較大，需要采取相關(guān)措施予以預(yù)防。

3）蒙西侏羅紀(jì)煤樣各標(biāo)志性氣體的生成量、產(chǎn)生速率高于石炭紀(jì)，且溫度變化時間亦早于石炭紀(jì)，蒙西侏羅紀(jì)煤種活性基團被氧化側(cè)鏈等各類活性官能團活性相對較高，相應(yīng)地造成侏羅紀(jì)煤樣在低溫氧化階段的復(fù)合作用更加劇烈，放熱量更大。