煤自燃傾向性測(cè)試方法研究現(xiàn)狀

徐帥，張茜，吳磊，胡浩

（山東科技大學(xué)安全與環(huán)境工程學(xué)院 山東 青島 266590）

0 引言

煤是十八世紀(jì)以來(lái)人們使用的主要能源之一，在我國(guó)生產(chǎn)和消費(fèi)的一次能源中煤炭約占74%。當(dāng)前，隨著科技的發(fā)展，原煤產(chǎn)量也在快速增長(zhǎng)。截至2018 年底，我國(guó)共有煤礦5 800 個(gè)左右，煤炭產(chǎn)量達(dá)到35 億t，同比增長(zhǎng)5.2%。據(jù)統(tǒng)計(jì)，我國(guó)25 個(gè)主要產(chǎn)煤省區(qū)內(nèi)的130 多個(gè)大中型礦區(qū)均出現(xiàn)不同程度的煤自燃發(fā)火，其中40 個(gè)大中型礦井煤層自燃發(fā)火異常嚴(yán)重。全國(guó)657 處重點(diǎn)礦井中，54.9%的礦井有煤層自燃發(fā)火傾向，最短發(fā)火期小于3 個(gè)月的礦井?dāng)?shù)量占50%以上。此外，煤自燃還會(huì)產(chǎn)生大量的SO2、H2S、CO 和CO2等氣體，不僅對(duì)環(huán)境造成危害，嚴(yán)重時(shí)還會(huì)造成人員的傷亡。因此對(duì)煤自燃的防治研究越來(lái)越受到廣大學(xué)者們的重視[1]。

1 中國(guó)國(guó)內(nèi)煤自燃研究現(xiàn)狀

中國(guó)國(guó)內(nèi)對(duì)煤自燃理論和防治技術(shù)的研究起步都較晚，因此對(duì)煤自燃傾向性的測(cè)試方法及分類標(biāo)準(zhǔn)的研究還十分薄弱。目前我國(guó)采用色譜吸氧法，將煤的物理吸氧量作為劃分煤自燃傾向性的標(biāo)準(zhǔn)[2]。

色譜吸氧法是將煤樣經(jīng)過(guò)處理后，在N2氛圍下去除水分，通入濃度為99.99%以上的氧氣，使煤樣在一定條件下吸附氧，然后將通入的氧氣立刻切換為氮?dú)猓摳矫罕砻娴难?，利用儀器里面的熱導(dǎo)檢測(cè)器，檢測(cè)出氮?dú)饬髦械暮趿?。通過(guò)測(cè)試 1g 干煤在常溫（30℃）、常壓（101325Pa）下的物理吸氧量并結(jié)合煤中揮發(fā)分和硫元素的含量作為劃分煤自燃傾向性的主要指標(biāo)。但是色譜吸氧法只反映了煤在30℃時(shí)的物理吸附特性，卻忽略了煤自燃過(guò)程中最為主要的化學(xué)反應(yīng)階段，測(cè)試結(jié)果能否反映出煤的自燃傾向性現(xiàn)已受到國(guó)內(nèi)學(xué)者的普遍質(zhì)疑。

2 國(guó)外煤自燃研究現(xiàn)狀

目前，國(guó)際上沒(méi)有統(tǒng)一的煤自燃傾向性的測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)，不同的國(guó)家和地區(qū)使用不同的方法。世界上的主要產(chǎn)煤國(guó)家早期使用馬切雅什法（雙氧水法），著火點(diǎn)溫度降低值法，現(xiàn)在主要采用絕熱氧化法、交叉點(diǎn)溫度法和活化能等方法對(duì)煤自燃傾向性進(jìn)行研究和鑒定[3]。

2.1 馬切雅什法（雙氧水法）

馬切雅什法是以煤樣經(jīng)雙氧水（過(guò)氧化氫H2O2）處理時(shí)的升溫速度和產(chǎn)生的熱量作為煤自燃傾向性的劃分標(biāo)準(zhǔn)。易于自燃的煤樣，在溫度達(dá)到50℃后反應(yīng)溫度迅速上升，最后可達(dá)到90℃以上；然而，不易自燃的煤樣在實(shí)驗(yàn)開(kāi)始后，溫度上升幾度或十幾度以后，溫度開(kāi)始下降。但是該方法主要的缺陷是在測(cè)試過(guò)程中放熱不僅包括煤的氧化產(chǎn)熱，還有H2O2熱解產(chǎn)熱，同時(shí)對(duì)含硫較高的煤樣其測(cè)試指標(biāo)偏高。

2.2 著火點(diǎn)溫度降低值法

著火點(diǎn)溫度降低值法是指在原煤樣及其氧化樣、還原樣中分別裝入適量的固體氧化劑亞硝酸鈉，充分研磨后分別倒入玻璃試管內(nèi)，置于加熱電爐中進(jìn)行升溫，測(cè)試其試樣的爆炸溫度。根據(jù)不同變質(zhì)程度煤的氧化樣品與比還原樣品著火溫度的降低值來(lái)進(jìn)行煤自燃傾向性判定，其差值越大，煤的自然傾向性越大，其差值不隨氧化劑變化而變化。但是該方法存在著部分煤樣不爆而無(wú)法進(jìn)行分類，實(shí)驗(yàn)所用的化學(xué)試劑對(duì)人體有害等缺點(diǎn)。

2.3 絕熱氧化法

該方法是使環(huán)境對(duì)煤的氧化升溫影響盡量降低，將煤樣放在反應(yīng)容器內(nèi)來(lái)模擬煤自熱的升溫過(guò)程。絕熱氧化得到的煤升溫的溫度-時(shí)間（T-t）曲線，即模擬煤自燃的過(guò)程曲線。根據(jù)該基本曲線，煤自燃研究工作者就采用不同的指標(biāo)來(lái)對(duì)煤自燃傾向性進(jìn)行分類，如最低自熱溫度（SHT）和煤自熱升溫速率（R70） 等。1970 年澳大利亞的ACIRL 通過(guò)使用絕熱氧化法測(cè)量了煤在40～70℃之間的平均自熱速率（R70） 來(lái)測(cè)試煤自燃的難易程度，如美國(guó)、加拿大、英國(guó)、澳大利亞等國(guó)主要采用R70 指標(biāo)來(lái)劃分煤自然傾向性。絕熱氧化法實(shí)際上是一種模擬煤自燃過(guò)程的方法，但是由于絕熱條件不好且低溫氧化過(guò)程中產(chǎn)熱太小，通常只有幾到幾十毫瓦/克（mw/g）， 導(dǎo)致在很多時(shí)候并不能使煤體溫度上升，或者異常緩慢，造成實(shí)驗(yàn)時(shí)間較長(zhǎng)，甚至給實(shí)驗(yàn)帶來(lái)困難或者失敗[5]。

2.4 交叉點(diǎn)溫度法

交叉點(diǎn)溫度法始于20 世紀(jì)初，將煤樣放置于程序升溫爐內(nèi)的煤樣罐中，以一定的速率進(jìn)行升溫，分別在爐子內(nèi)部和煤樣罐的中心位置放置溫度探頭，由于煤與氧氣反應(yīng)放熱使得煤樣升溫速率加快，因此，在某一溫度值，煤樣溫度必會(huì)超過(guò)環(huán)境溫度，通過(guò)觀測(cè)煤樣的升溫曲線和環(huán)境升溫曲線交叉時(shí)的溫度值（Crossing Point Testing，CPT）來(lái)劃分煤自燃傾向性，確定的交叉點(diǎn)溫度值越高，煤就越不易自燃。交叉點(diǎn)溫度法方法廣泛應(yīng)用于印度、南非、土耳其、新西蘭等國(guó)家。但是該方法的結(jié)果容易受到環(huán)境的變化而改變，對(duì)實(shí)驗(yàn)條件具有依賴性，另外部分CPT 結(jié)果相同的煤樣，其自然傾向性也會(huì)有很大的不同[6]。

2.5 活化能法

活化能是指煤與氧氣發(fā)生反應(yīng)所需要的最小能量，將實(shí)驗(yàn)計(jì)算出的活化能稱之為實(shí)驗(yàn)活化能或者表觀活化能。1993 年，波蘭國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，分別在237℃和190℃兩種溫度下測(cè)試煤的氧化升溫速率，并根據(jù)計(jì)算所得活化能的大小劃分煤自燃傾向性。活化能法的測(cè)試時(shí)間較長(zhǎng)，且僅能反映煤在較高溫度階段的特性[7]。

3 結(jié)語(yǔ)

盡管目前的測(cè)試方法和指標(biāo)有很多，但是仍存在較大的局限性。原因主要有：①煤自燃的關(guān)鍵階段是低溫階段，但是部分指標(biāo)且只能反映煤在較高溫度階段的特性。②很多指標(biāo)是一種間接的測(cè)試指標(biāo)，比如色譜吸氧法僅以煤的物理吸附特性來(lái)判定煤自燃傾向，卻忽略了煤自燃過(guò)程中最為主要的氧化性。③煤自燃是一個(gè)非線性動(dòng)態(tài)發(fā)展的過(guò)程，某一溫度點(diǎn)或者某一階段并不能夠代替一個(gè)過(guò)程。因此，開(kāi)發(fā)一種能夠反映全過(guò)程且測(cè)試簡(jiǎn)便的方法對(duì)于測(cè)試煤的自燃傾向性具有重要意義。