濟北礦區(qū)煤塵層最低著火溫度變化規(guī)律分析

趙文彬，劉 晴，毛慶福，宋 蕾，郭玉印，曹衛(wèi)星

(1.山東科技大學 安全與環(huán)境工程學院，山東 青島 266590；2.山東濟礦魯能煤電股份有限公司陽城煤電，山東 濟寧 272502)

礦井生產(chǎn)過程中，產(chǎn)生大量煤塵，以積聚狀態(tài)覆蓋在設備表面及地面，形成一層煤塵層容易引起火災事故。煤塵層的最低著火溫度反映了煤的著火敏感性，其空間存在狀態(tài)不同于煤塵云，目前對煤塵云的研究較多，研究煤塵層最低著火溫度規(guī)律也具有一定的科學價值。隨淺部煤炭資源減少，煤層開采深度逐漸增加，煤的物理化學性質(zhì)發(fā)生變化，煤氧化蓄熱環(huán)境改變，煤的自燃氧化活性也發(fā)生改變。本文在對不同埋深、粒徑煤自燃特性研究的基礎上，分析其煤塵層溫升蓄熱過程中的最低著火溫度的變化規(guī)律，對了解深部煤層自燃規(guī)律具有重要的現(xiàn)實意義。

鄧軍[1，2]通過程序升溫系統(tǒng)來測得煤的自燃溫度，進而得到煤自燃預報指標體系。李大偉[3]、余明高[4]通過實驗指出煤粒徑越小，其吸附表面積越大，吸氧量也就越大。Weiguo Cao[5]利用恒溫熱板系統(tǒng)對褐煤煤塵進行實驗，發(fā)現(xiàn)當煤塵堆積厚度一定時加熱板溫度對煤塵層內(nèi)部溫度的累積影響較大，溫度越高，越有利于粉塵層內(nèi)部溫度的累積，達到最高溫度所需的時間也越短。姜秀民、楊海平等[6]通過熱分析法實驗發(fā)現(xiàn)煤顆粒粒度對著火溫度產(chǎn)生影響，隨著煤粒徑減小，其比表面積越大，燃燒和熱解速率越快，轉(zhuǎn)化率越高，著火溫度越低。

1 不同埋深煤的煤質(zhì)分析

1.1 煤樣的選取

為保證獲取樣品的均質(zhì)性及代表性，分別選取濟北礦區(qū)同一煤層埋深分別為440m、670m、880m三個不同水平賦存穩(wěn)定且受地質(zhì)構(gòu)造影響較小的區(qū)域取樣。煤樣制備前后及儲存中，為減少外界條件影響，將其放置于不吸水、不透氣的陰涼處密封容器中[7]。為對比不同粒徑對煤粉層最低著火溫度的影響，將三個不同埋深的煤樣破碎，篩分為75μm、106μm、120μm、180μm不同粒徑測定物化性質(zhì)及煤粉層最低著火溫度。

1.2 不同埋深煤的工業(yè)分析

對不同埋深煤樣的工業(yè)分析(見表1)可以看出，不同埋深的3種煤樣工業(yè)分析數(shù)據(jù)差異較明顯，工業(yè)分析表明，該煤層屬于中高揮發(fā)煙煤，隨埋深增加揮發(fā)分含量由淺部33.65%增加至深部的38.9%；固定碳含量由淺部的56.87%將至深部的48.32%；該煤層為低灰分煤，其灰分含量由淺部的6.12%增加至深部的10.26%。

表1 濟北礦區(qū)不同埋深煤樣的工業(yè)分析

1.3 不同埋深煤的FTIR分析

同種煤在埋深發(fā)生變化時，其官能團數(shù)量隨之變化，其吸收峰的強度也會發(fā)生變化，同一種官能團的光譜位置是一定的，為了進行分析比較，根據(jù)張辛亥[8，9]、戴廣龍[10]、褚廷湘[11]等用傅里葉變換紅外光譜儀對得出的紅外光譜圖進行了詳細分析，得出實驗煤樣主要譜峰的特征見表2。三種不同埋深煤樣傅里葉紅外光譜如圖1所示。

表2 煤在紅外光譜中峰的歸屬

圖1 三種不同埋深煤樣傅里葉紅外光譜圖

由表2和圖1分析可得：

1)芳香烴：在3040cm-1處有芳香烴CH振動；在700～860cm-1處有芳香烴CH基振動和芳香烴面外變形振動。

2)脂肪烴：在1380cm-1、1430cm-1處有脂肪烴的次甲基、甲基對稱和不對稱伸展振動及彎曲振動；在2860cm-1處有環(huán)烷烴的次甲基對稱伸縮振動。

3)含氧官能團：在1110～1330cm-1處出現(xiàn)很弱的醚鍵褶皺振動；在1720～1770cm-1處出現(xiàn)C=O脂肪族中酸酐伸縮振動；在3690cm-1處有—OH羥基伸縮振動。

由此可見，對3種不同埋深煤樣的紅外光譜：從埋深470m到埋深880m，芳香烴含量整體呈現(xiàn)上升趨勢；脂肪烴含量呈上升趨勢，煤樣吸收強度均隨著埋深增加逐漸增大，脂肪烴側(cè)鏈斷裂產(chǎn)生H2量增加，煤分子更容易與O2發(fā)生氧化反應，煤自燃傾向性增加；埋深增大，煤中含氧官能團的含量增大。含氧官能團具有較高的反應活性，易與氧氣發(fā)生復合反應發(fā)出大量的熱，促進煤的自燃。因此，隨著埋深增加，含氧官能團增多，煤自燃傾向性增大。

2 煤塵層最低著火溫度測定實驗

2.1 實驗裝置

根據(jù)國際標準《粉塵層最低著火溫度測定方法》(GB/T 16430—1996)[12]，利用FCZ-I粉塵層著火溫度測定系統(tǒng)測定煤塵層最低著火溫度。主要部件為不銹鋼材料制作的熱板，熱板由下部的加熱器加熱，并由安裝在平板內(nèi)靠近平板中心的熱電偶控制溫度，熱表面控制熱電偶的結(jié)點在平板表面下1mm±0.5mm處；以同樣的方法及要求將熱表面記錄電偶安裝在熱表面控制熱電偶附近，并連接到溫度記錄儀，用來記錄實驗過程中的溫度。在熱板上放一個盛粉環(huán)用來放置煤塵，本次試驗采用高度為5mm的盛粉環(huán)。

2.2 實驗原理及過程

煤塵層是指在靜止沉積狀態(tài)的煤塵，，煤塵層最低著火溫度是指能引燃一定厚度的煤塵層并且可以維持火焰?zhèn)鞑サ淖畹蜏囟萚13]。目前國際上煤塵層最低著火溫度測定方法，主要有美國礦務局的烘箱實驗法和德國的熱板實驗法，其中德國的熱板實驗法已被國際標準和我國標準所接納[14]。

基于《粉塵層最低著火溫度測定方法》(GB/T 16430—1996)中的規(guī)定，首先將熱板加熱到預定溫度，然后將煤塵自然堆放在盛粉環(huán)內(nèi)，在向煤塵層最低著火溫度測定裝置的熱板表面中放置煤塵時，不能用力按壓。實驗過程中觀察是否有產(chǎn)生明火或煤塵內(nèi)部溫度是否超過熱板溫度20℃ 。每次實驗至少維持恒溫0.5h，滿足煤塵著火條件的最低熱板溫度即為煤塵層的最低著火溫度。若能證明反應沒有發(fā)生有焰或無焰燃燒，以下過程都認為是著火：①能觀察到粉塵有焰燃燒或無焰燃燒；②溫度達到450℃；③高出熱表面溫度250℃。

3 實驗結(jié)果及分析

3.1 最低著火溫度隨煤樣埋深變化規(guī)律

選用濟北礦區(qū)埋深同一煤層埋深分別為470m、640m、880m 共3種煤樣進行實驗測定，并從中找到在埋深影響下煤著火敏感性的變化規(guī)律。選取煤塵粒徑為75μm，煤塵層厚度為5mm，熱板表面溫度設定最高值400℃，在相同實驗工況下測定3種不同埋深煤樣的煤塵層最低著火溫度，結(jié)果見表3。

表3 不同埋深煤塵層最低著火溫度

圖2 不同埋深煤塵層溫度-時間曲線

不同埋深煤樣在熱板表面測定最低著火溫度的煤塵層溫度-時間曲線如圖2所示，實驗發(fā)現(xiàn)，3種煤樣煤塵層在高溫熱表面環(huán)境下持續(xù)30min內(nèi)均出現(xiàn)有焰燃燒或無焰燃燒現(xiàn)象，為①類著火，判斷著火依據(jù)相同。圖2(a)(b)(c)中溫度曲線波動劇烈，是因為3種實驗煤樣揮發(fā)分含量均較高，其煤塵在受熱過程中易發(fā)生著火現(xiàn)象，但熱表面上的煤塵層很薄，表面積較大，散熱速度快，火星很快就會熄滅，溫度下降；同時熱表面上的煤塵層其他區(qū)域又會由于熱量的集聚而出現(xiàn)有焰或無焰燃燒現(xiàn)象，溫度又會升高，這個過程依次反復進行，所以位于熱表面中心的熱電偶溫度探頭測得的溫度出現(xiàn)反復波動現(xiàn)象。

3種不同埋深煤樣灰分含量都較低，從表3和圖2可以看出，煤樣埋深越深，揮發(fā)分含量逐漸增大，由33.65%增至38.9%，煤塵層最低著火溫度由淺部的330℃降為深部的270℃，影響顯著。其原因是煤在進行燃燒時，首先其中的水分脫除，緊接著逸出揮發(fā)分。揮發(fā)分能在較低的溫度下析出并燃燒產(chǎn)生焦炭，且揮發(fā)分與空氣的混合物著火溫度很低，在高溫下先著火，產(chǎn)生的熱量傳遞給周圍的煤粉顆粒，迅速提高焦炭溫度，為其著火燃燒提供有利條件；煤樣顆粒由于揮發(fā)分的析出其內(nèi)部孔隙和反應面積增大，為焦炭的快速燃燒提供有利條件。故揮發(fā)分含量越高，煤的著火敏感性更強，但由于成煤的復雜性，揮發(fā)分對煤著火敏感性的影響只能在灰分質(zhì)量分數(shù)相當?shù)那闆r下表現(xiàn)在總體趨勢上。

結(jié)合表2和圖1看出，隨埋深增加，煤樣中的羥基、脂肪烴、芳香烴等還原性官能團含量整體呈上升趨勢，煤在氧化過程中與氧結(jié)合的能力增強，煤自燃傾向性更大，更容易發(fā)生自燃現(xiàn)象。煤樣中不穩(wěn)定的含氧官能團和脂肪側(cè)鏈裂解之后形成的產(chǎn)物和芳香烴裂解產(chǎn)生的H2，這些是揮發(fā)分的主要來源。揮發(fā)分含量越高，煤樣中的含氧官能團和脂肪烴含量也就越多，煤分子更容易與O2發(fā)生氧化反應，煤著火敏感性更強。

3.2 最低著火溫度隨煤樣粒徑變化規(guī)律

為探究塵層最低著火溫度隨煤塵粒徑的變化規(guī)律，在相同試驗工況下進行4種粒徑的實驗，3種不同埋深煤樣最低著火溫度與粒徑的關系如圖3所示。

圖3 煤塵層最低著火溫度與粒徑關系

從圖3看出，4種粒徑在相同試驗工況下，1#煤樣的煤塵層最低著火溫度均最高，3#煤樣的均最低，2#煤樣的煤塵層最低著火溫度介于1#和3#之間。在同一煤塵厚度的情況下，隨著煤樣粒徑的減小，其最低著火溫度都明顯減小，說明煤樣的埋深與煤塵層最低著火溫度的影響關系明顯。

在煤塵層同為5mm時，隨煤樣粒徑有180μm逐漸減小到75μm，3種不同埋深煤樣煤塵層最低著火溫度分別減小了16%、19%、25%，差異顯著，說明煤塵層最低著火溫度受煤樣粒徑的影響明顯。不同埋深煤樣的煤塵層最低著火溫度對粒徑變化的趨勢相同，但幅度差異較大，其中揮發(fā)分含量最低的1#煤樣變化最小，為16%，而3#煤樣揮發(fā)分含量最高，其變化幅度也最大，高達25%。這是因為隨埋深增加，揮發(fā)分含量增加，煤變質(zhì)程度降低，粒徑減小，煤塵比表面積增大，活化能減小，更易與O2發(fā)生反應；煤塵顆粒間的孔隙率減小，在受熱條件下?lián)]發(fā)分氣體的釋放速率也增大，煤樣的著火敏感性更強。故1#煤樣的煤塵層最低著火溫度下降幅度小于3#煤樣。在粒徑變化的情況下，揮發(fā)分含量最高的3#煤樣最低著火溫度變化更為敏感。

4 結(jié) 論

基于國標《粉塵層最低著火溫度測定方法》(GB/T 16430—1996)，利用熱板系統(tǒng)研究煤樣的著火敏感性，得出煤塵層最低著火溫度與煤樣埋深及粒徑間的變化規(guī)律。

1)在粒徑相同的情況下，隨著煤樣埋深的增加，揮發(fā)分含量逐漸增加，煤塵層最低著火溫度逐漸降低。煤樣埋深由470m增至880m，揮發(fā)分含量由33.65%增至38.9%，煤塵層最低著火溫度從330℃降至270℃。

2)在同一煤塵厚度情況下，3種不同埋深煤樣的最低著火溫度隨著煤樣粒徑的減小而明顯下降。在煤塵層同為5mm時，隨煤樣粒徑有180μm逐漸減小到75μm，3種不同埋深煤樣煤塵層最低著火溫度分別減小了16%、19%、25%，差異顯著。因此建議在采深較深的礦井生產(chǎn)工作中，更應加強對煤塵積聚的監(jiān)管工作，及時進行煤塵產(chǎn)生抑制工作和清理工作，防止發(fā)生礦井火災事故。