平朔礦區煤自燃宏觀特性的關聯性研究

牛光勇 鄔劍明 吳玉國 張雅君

（太原理工大學礦業工程學院，山西省太原市，030024）

平朔礦區煤自燃宏觀特性的關聯性研究

牛光勇 鄔劍明 吳玉國 張雅君

（太原理工大學礦業工程學院，山西省太原市，030024）

對平朔礦區的井東煤業、井工一礦的兩種易自燃煤樣進行了綜合指標氣體測試和非等溫熱重分析實驗。研究了指標氣體及煤樣質量變化與煤體溫度之間內在關聯。對煤自燃早期預報的單一指標氣體CO進行擴展，并結合C2H4、H2、C2H2氣體來作為煤自燃的綜合指標氣體，同時研究表明熱分析法比物理吸附氧量法能更好地評價煤自燃的傾向性，熱分析技術能夠準確全面地反映煤自燃整個過程。

煤自燃 指標氣體 熱重分析 吸附氧量

在煤自燃過程中，煤與氧氣相互作用，發生物理吸附、化學吸附和化學反應以及放出熱量等。煤層自燃對煤礦安全生產威脅很大，是煤礦安全領域的重要研究課題之一。為了能有效預防和控制煤炭自燃火災，需要對煤層自燃進行預報。目前主要是依靠煤自燃過程中指標氣體釋放規律進行煤自燃前期預報，而標志氣體的釋放特性及優選成為制約煤自燃前期及時準確預測預報的瓶頸。

在煤自燃過程中呈現出一系列的宏觀現象，包括煤體溫度升高、標志氣體的釋放以及煤樣質量的變化，這些宏觀現象之間是相互關聯的，并且標志氣體組成與含量與溫度之間有對應的相關性；熱重分析技術是指在程序溫度控制下測量物質的質量與溫度關系的一種技術。已廣泛應用于研究煤自燃傾向性、煤氧化放熱量以及煤的熱性質等領域。將煤自燃過程中煤體溫度、指標氣體以及煤樣質量結合起來研究，能揭示這些宏觀表象之間的相互關聯性并進一步深入研究煤自燃過程，同時也為優選指標氣體、及時準確預測預報煤自燃情況提供了理論指導。

1 實驗部分

1.1 煤種

實驗選取平朔井東礦和井工一礦的兩種易自燃煤作為煤樣。采取剛開采的新鮮煤樣，并剝去表面氧化層，迅速裝入真空袋密封，運至實驗室。煤樣整個處理過程在N2保護下進行，然后對進行破碎并篩分出0.15～0.3mm（40～100目）的顆粒50 g作為實驗煤樣。

1.2 實驗系統

1.2.1 綜合指標氣體檢測實驗

實驗采用自行研制的煤低溫氧化模擬實驗系統，實驗裝置示意圖見圖1。該系統由反應器、保溫設備、氣路通道以及相應的監測設備等組成。實驗氣體為空氣，由氣瓶供給，其流量通過相應的質量流量計控制，在進入反應器前會被加熱線圈預熱到實驗穩定狀態，反應生成的氣相產物通過氣相色譜儀進行檢測。實驗前將煤樣置于銅質反應器內，將其置于程序控溫箱內，然后連接好進氣氣路、出氣氣路和溫度探頭（探頭置于煤樣罐的幾何中心），檢查氣路的氣密性。測試時向反應器內通入80ml／min的干空氣。在程序控溫箱控制下以1℃／min的升溫速率對煤樣進行加熱，升溫至200℃。

圖1 實驗裝置示意圖

1.2.2 熱重分析實驗

為研究煤在低溫氧化過程中的氧化放熱性能，本次實驗采用低溫慢、高溫快的變升溫速率給煤樣加熱，即20～200℃，升溫速率為1.5℃／min；200～700℃，升溫速率為5℃／min；試樣含水量為天然含水量，樣品質量為8～10mg；實驗在空氣中進行，空氣流量為50ml／min。實驗所用設備為北京恒久科學儀器廠生產的微機差熱天平（HCT－1）分析儀。

2 結果與討論

2.1 指標氣體與釋放溫度的關聯研究

圖2給出了不同指標氣體隨溫度變化的趨勢圖。在實驗溫度為30℃時，已檢測到少量的CO，說明在室溫下，新鮮的煤樣很快進入氧化狀態。對比兩種煤樣的CO生成特性，可以看出，在溫度低于180℃時，井工煤的CO生成速率高于井東煤，這與井工煤的自燃傾向性大于井東煤的表征結果相一致。由于井工煤具有較高的自燃傾向性，在低溫氧化階段，很容易吸附空氣中的氧氣，發生氧化反應，O2濃度的變化情況也充分證明這一點。同時也充分說明了僅依靠物理吸附氧量來評價煤的自燃傾向性有一定的片面性，物理吸附氧量在緩慢低溫氧化階段可以作為煤自燃傾向性的指標，但到了氧化加速階段，主要以氧氣化學吸附為主，就需要一個新的更加全面的指標來評價煤的氧化性能。

H2生成溫度較晚，在100℃左右，此時煤已進入加速氧化階段。H2生成速率整體呈現出隨溫度升高而增加的趨勢。但在較高溫度時，呈現出一定波動性，這是由于在較高溫度下，熱解反應和氧化反應并存，二者競爭的結果使H2生成濃度呈現出波動性。C2H4生成速率在120℃左右。烴類生成速率與CO相類似，不同的是：在整個實驗階段，井工煤的烴類氣體生成量一直大于井東煤的生成量，這與井工煤的易自燃煤種有很大關系。在實驗過程中沒有檢測到C2H2生成。

由以上分析可知，CO的出現說明煤已經發生低溫氧化反應，此時應加強監測，如果CO濃度呈持續穩定上升趨勢，表明煤的氧化進入迅速氧化階段，應發出預警，采取有效措施加以治理；如果在有CO存在的前提下，檢測出C2H4和H2，即可做出煤已自然發火的預報，此時煤已進入加速氧化階段，必須采取切實有效的防滅火措施，如果延誤時機可能發展成重大火災事故；如果檢測到C2H2，應視為煤已產生較高溫度，進入激烈氧化階段，可能出現明火，采取措施要謹慎。

2.2 質量及熱量變化與特征溫度的關聯研究

圖3顯示的是實驗用煤的TG、DTG及DTA曲線。為了研究的方便，根據TG、DTG及DTA曲線之間的相互關系，把煤氧化過程分階段研究，其結果顯示在表1中。

從圖3和表1可以看出，在煤樣自燃過程中，煤樣質量呈現出先減小后增加直至燃燒分解。在煤低溫氧化初期階段，質量減小主要體現在煤外在水分的脫除，兩種煤樣的脫水階段都在100℃完成。在100℃以前，煤樣低溫氧化速率較慢，在此過程中涉及氧的物理吸附和化學吸附，其中以物理吸附為主，氧化反應產生的氣體產物較少，這可以從圖2看出。在100℃以前，煤樣DTG曲線波動較大，這主要是由于脫水和吸氧同時作用的結果。煤樣DTG曲線顯示在此階段以脫水吸熱為主。

表1 煤氧化過程中各階段所對應的溫度

井工煤質量增加階段從90℃左右開始，而井東煤質量增加階段從100℃開始，相差10℃左右，這與井工煤比井東煤易自燃特性相一致。井工煤吸氧增重速率最大值在200℃，明顯低于井東煤的吸氧增重速率最大值。從表1可以看出，在整個吸氧增重階段，井工煤的總吸氧量為0.52mg，遠高于井東煤的0.35mg。實驗結果表明，應用熱分析技術可以很好的鑒定煤的自燃傾向性，并且比單一依靠物理吸附氧量更加準確全面。

3 結論

（1）煤自燃過程中呈現出一系列的宏觀表象，包括煤體溫度升高、標志氣體以及煤樣質量的變化，它們之間有內在關聯性。

（2）熱分析技術能夠準確、全面地反映煤自燃整個過程，物理吸附氧和化學吸附氧相結合更能全面的評價煤自燃傾向性。

（3）中煤平朔煤層標志氣體應在使用CO的前提下，結合C2H4、H2和C2H2作為綜合判斷指標，來預測預報煤自燃狀態。

（4）在煤自燃過程的不同階段，氧化反應的程度不同。這與煤的變質程度，巖相組成以及吸附氧能力等有關。

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Associated research on macroscopic properties of coal spontaneous combustion in Pingshuo colliery

Niu Guangyong，Wu Jianming，Wu Yuguo，Zhang Yajun

（College of Mining Technology，Taiyuan University of Technology，Taiyuan，Shanxi 030024，China）

The comprehensive index gas test and non－isothermal thermo－gravimetric analysis experiment are conducted on the two easily spontaneous combustion coal samples of Jingdong Coal Industry and Jinggong No.1Mine in Pingshuo Colliery；the inner relations among the index gas，coal quality change and coal temperature are analyzed；the single index gas of CO for forecasting the coal spontaneous combustion is extended and combined with gas of C2H4、H2、C2H2gas as the comprehensive index gas for coal spontaneous combustion.And the research shows that the thermal analysis method can evaluate the coal spontaneous combustion tendency better than the physical oxygen adsorption method，for the thermal analysis technology can accurately and comprehensively reflect the whole process of coal spontaneous combustion.

coal spontaneous combustion，index gas，thermo－gravimetric analysis，oxygen adsorption

TD75

A

牛光勇（1987－），男，山東菏澤人，碩士研究生，主要從事煤礦防滅火方面研究工作。

（責任編輯 張艷華）