基于DSC測試的含水煤自燃規律實驗研究

張九零，朱 壯，范酒源，劉春雨

（華北理工大學 礦業工程學院，河北 唐山 063009）

煤炭作為世界主要能源物質在我國能源結構中占有非要重要的地位[1]。據統計，我國井下90%的火災均由煤層自燃引起[2]。這些事故的發生，嚴重影響了煤礦的安全生產與職工的生命健康[3]。煤層注水、采空區積水等因素的會使采空區遺煤不同程度的增加水含量，含水煤的自燃性質隨之改變。金永飛等[4]基于紅外技術對不同變質程度煤自燃傾向性影響進行探索研究，對煤自燃過程中吸氧量、吸氧速率和放熱量的氧化特征進行了探討；文虎等[5]利用煤自燃程序升溫實驗得出浸水煤耗氧速率及CO、CO2大于原煤樣；郝朝瑜、王繼仁等[6]通過理論分析，建立水分濕潤煤體過程對煤自燃影響的熱平衡模型，得到在適宜蓄熱供氧的通風條件下，若煤剛好被飽和潤濕，放出的潤濕熱不使煤升溫的前提是煤的飽和含水率與水分蒸發率滿足反比例關系的結論；周鑫隆、凌玉壽等[7]通過應用TG-DSC技術，分析在較低含水狀態下對煤自燃傾向的影響，結果表明含水量較低的情況對煤體的自燃有著促進作用，煤的自燃傾向性增加；雷丹、王德明等[8]采用程序升溫法對原煤和50℃干燥煤樣低溫氧化過程的耗氧量變化規律進行探究，對比分析表明，不同水分條件煤樣耗氧量隨溫度的升高總體呈增加趨勢；何啟林等[9]利用TA2000/M DSC2901型差示掃描量熱法對煤的含水量對吸氧量及放熱量影響進行研究，其結果表明，煤中的含水量與煤的總吸氧量、放熱量之間關系較復雜。目前，國內外學者采用程序升溫法[10-11]、絕熱氧化法[12-13]、交叉點溫度法[14-17]、紅外光譜分析法[18-19]、熱重分析法等[20-22]不同方法對煤自燃過程進行了研究，但上述研究只是對某一特定含水的煤樣進行研究，而對于同一煤樣的不同含水量影響煤自燃的規律研究不足。為此采用差示掃描量熱技術（DSC）研究同一煤樣不同含水量煤的自燃特性參數變化。

1 實驗條件

1.1 煤樣制備

實驗選取呂家坨礦5424Z工作面煤樣，裝入密閉塑料袋進行密封，然后在實驗室對其進行破碎、篩分，得到粒徑為 100～300 目（0.048～0.147 mm）的煤樣，每份煤樣重50 g，共制取10份。結合理論研究與參考資料，實驗主要考察煤中水分增量在1%～9%范圍內對煤放熱參數的影響規律，其主要原因：一方面研究低水分增量階段對煤自燃的影響規律，另一方面考慮到與現場煤層靜壓注水試驗，煤層水分增量的范圍相結合。

根據實驗煤樣重量，計算出當向煤樣中加入水分增量為 1%、2%、3%、4%、5%、6%、7%、8%、9%時所需水分的體積，不同水分增量煤樣見表1。

表1 不同水分增量煤樣

1.2 實驗設備

1.3 實驗條件

實驗條件控制：實驗溫度范圍：25～400℃；升溫速率：10℃/min；實驗的保護氣體(保護氣體：保護氣體是在進行實驗時對差示掃描量熱儀中的部件加以保護，從而達到抗氧化效果。N2（mL/min），70.0%；輸出壓力：0.04 MPa；流速：60～70 mL/min；吹掃氣體：吹掃氣 1：O2（mL/min），20.0%；吹掃氣 2：N2（mL/min），80.0%；輸出壓力：0.04 MPa；流速：20 mL/min。

2 熱流值零點分析

根據實驗數據結果，提取1～10號不同水分增量煤樣在實驗過程中，吸熱速率等于放熱速率時的溫度值，不同水分增量煤樣熱流差零值點見表2。

表2 不同水分增量煤樣熱流差零值點

將1～10號煤樣的熱流差零值點隨水分增量變化繪制成曲線，分析含水量對煤熱流差零值點的影響規律，熱流差零值點與水分增量的關系如圖1。

由相關文獻與煤自燃理論知：在煤低溫氧化階段，零值點出現越晚，煤越不容易發生自燃現象；相反，如果零值點出現比較早，煤儲存熱量時間早、蓄熱時間長，此時，發生自燃現象概率較大。

圖1 熱流差零值點與水分增量的關系

由圖1可知，隨著煤樣水分含量增加，其零值點所對應溫度值并不是呈現單一變化趨勢，而是在曲線中出現了多次拐點。同時，可以得出呂家坨礦5424Z工作面煤樣零值點在水分增量為3%時，出現最低溫度（231℃），在水分增量為9%時，出現最高溫度（246℃），其零值點變化范圍波動不大。但是，對于呂家坨礦5424Z工作面不同含水量煤樣零值點的溫度在230～250℃之間，其對應溫度普遍較高，說明煤樣放熱整體出現較晚，不易發生自燃現象。

3 吸收峰峰值溫度分析

不同水分增量煤樣吸收峰的峰值溫度見表3。吸熱峰峰值溫度表示吸熱速率達到最值時，所對應的溫度值。根據呂家坨礦5424Z工作面1～10號不同水分增量煤樣的吸熱峰峰值的相關參數，將不同水分增量煤樣吸熱峰峰值溫度繪制在同一圖中，分析不同含水量煤樣吸熱峰峰值溫度變化規律，不同水分增量煤樣吸熱峰值溫度變化曲線如圖2。

由圖2可以看出，隨煤樣水分含量增加，其吸熱峰峰值溫度并沒有呈現逐漸遞增的趨勢，而是呈現，先遞減，在穩定一段時間，然后，逐漸增加到最值，最后，逐漸下降的趨勢。對于呂家坨礦5424Z工作面煤樣，當煤樣水分增量在1%～4%時，吸收峰峰值溫度較低，同時，吸熱速率此時達到最值。然后，隨著時間延長，逐漸表現為放熱過程，煤體將會開始儲存熱量，此時，如果放熱速率較快，那么這一水分段煤樣較其他水分段易發生自燃現象。

表3 不同水分增量煤樣吸收峰的峰值溫度

圖2 不同水分增量煤樣吸熱峰值溫度變化曲線

4 放熱速率分析

實驗得出的DSC曲線即能體現出不同水分增量煤樣放熱速率的變化趨勢（圖3）。

圖3 不同水分增量煤樣放熱速率變化圖

由圖3知，含水量煤樣開始處于吸熱狀態，隨著時間的推移，當煤樣達到氧化反應的轉折點，即：吸收峰峰值溫度時，吸熱速率達到最值，隨后逐漸降低，此后的過程逐漸趨向放熱階段，在200～250℃之間，達到熱流差零值點。此后，煤樣逐漸表現為放熱過程，隨著溫度的增加，放熱速率也在不斷的升高，而不同的含水量煤樣對應曲線的致斜率發展趨勢也不一樣，明顯可以看出，在放熱階段時，煤樣水分增量在8%時，其DSC曲線下降趨勢最快，表明其放熱速率相對其他煤樣較大，放熱速率增長的也最快，而煤樣水分增量在6%～9%時，其曲線斜率較大，較其它含水量煤樣而言，該區間內的煤樣放熱速率高。

從整體過程分析實驗煤樣的反應劇烈程度來看，煤樣在 0～5 min（0～50 ℃）時，發生明顯的微劇烈反應，在 5～20 min（50～200 ℃）時反應相對平緩，之后開始變得劇烈。由于在實驗中存在其它因素的影響，個別數據存在偏差，但并影響整體變化趨勢。

5 結論

1）煤樣水分增量在1%～9%范圍內，其熱流差零值點溫度在230～250℃之間，其對應溫度普遍較高，說明煤樣放熱整體出現較晚，不易發生自燃現象。

2）煤樣水分增量在1%～4%時，吸收峰峰值溫度較低，同時，吸熱速率此時達到最值。那么這一水分段煤樣較其他水分段易發生自燃現象。

3）煤樣水分增量在6%～9%時，曲線斜率較大，較其它含水量煤樣，該區間內的煤樣放熱速率較高。