蒙西侏羅紀(jì)煤層自燃機(jī)理參數(shù)測(cè)定分析研究

程根銀，任 強(qiáng)，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(kāi)采行業(yè)要解決的根本問(wèn)題之一，隨煤礦開(kāi)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?jī)?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(duì)環(huán)境的污染[2-3]；程根銀等在該地區(qū)進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)紅外光譜、官能團(tuán)分析和差示掃描量熱法，得出含氧官能團(tuán)的釋放對(duì)煤層自燃傾向性的促進(jìn)影響，揭示侏羅紀(jì)煤在低溫氧化過(guò)程下的表觀活化現(xiàn)象[4-5]；程宥對(duì)蒙西地區(qū)煤自燃過(guò)程進(jìn)行了宏觀和微觀參數(shù)測(cè)定，得出該地區(qū)煤層自燃氧化特性[6]；吳玉國(guó)等系統(tǒng)研究了神東礦區(qū)煤層的自燃特性，但缺少對(duì)比試驗(yàn)研究而缺乏說(shuō)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(cè)定中取得了相關(guān)研究結(jié)論[8-9]；王凱等對(duì)陜北地區(qū)侏羅紀(jì)煤樣進(jìn)行了系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)研究，運(yùn)用“理論分析+實(shí)驗(yàn)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(guò)程的熱分析動(dòng)力學(xué)特征研究耗氧速率、氣體產(chǎn)生率、放熱強(qiáng)度等自燃特性參數(shù)的意義[10]。

煤低溫氧化過(guò)程的實(shí)質(zhì)是煤體表面上的各種活性分子、基團(tuán)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(jī)物與無(wú)機(jī)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(guò)系列實(shí)驗(yàn)測(cè)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(guò)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(duì)比煤樣作為實(shí)驗(yàn)對(duì)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(hào)井焦煤煤樣以及松樹(shù)灘煤礦124 工作面煤樣；2組對(duì)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(shí)驗(yàn)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(jìn)行保存運(yùn)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(jī)氣體，通過(guò)以上參數(shù)的實(shí)驗(yàn)室測(cè)定，從而確定不同因素對(duì)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(shí)驗(yàn)過(guò)程

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

圖1 TGA-2000 型全自動(dòng)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(shí)驗(yàn)結(jié)果

煤樣工業(yè)分析結(jié)果見(jiàn)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(guò)鑒定2 組煤樣煤層為易自燃煤層；楊圪楞礦和松樹(shù)灘礦煤樣水分含量稍低于石炭紀(jì)煤樣，事實(shí)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(shù)灘無(wú)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(hào)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(shuō)明煤在燃燒過(guò)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(shí)，煤氧復(fù)合作用產(chǎn)生的熱量使得煤溫持續(xù)上升，達(dá)到燃點(diǎn)時(shí)出現(xiàn)煤炭燃燒，因此通過(guò)測(cè)定煤的氧化過(guò)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(shí)驗(yàn)方法

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

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

3.2 煤樣靜態(tài)吸氧量實(shí)驗(yàn)過(guò)程

分別稱取各實(shí)驗(yàn)煤樣100 g，要求全部煤樣粉碎至 0.10～0.15 mm 粒級(jí)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(yàn)儀器中以備測(cè)定。嚴(yán)格按照國(guó)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(duì)蒙西侏羅紀(jì)煤樣和石炭紀(jì)煤樣進(jìn)行低溫氧化吸氧量測(cè)定實(shí)驗(yàn)，靜態(tài)吸氧量測(cè)定結(jié)果見(jiàn)表2。

表2 靜態(tài)吸氧量測(cè)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(jí)分類標(biāo)準(zhǔn)，屬于容易自燃煤；松樹(shù)灘礦煤樣的全硫含量小于2.0%，則屬于不燃煤層，無(wú)自燃傾向性，實(shí)驗(yàn)結(jié)果與現(xiàn)場(chǎng)實(shí)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(shí)驗(yàn)結(jié)果中看出，大柳塔礦煤樣的吸氧量最高，說(shuō)明自燃傾向性最大，同時(shí)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(zhǎng)焰煤，表明2 組實(shí)驗(yàn)具有相同性。

4 煤樣程序升溫實(shí)驗(yàn)分析

在煤與氧復(fù)合過(guò)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(guò)程中的產(chǎn)生規(guī)律，對(duì)研究煤自燃機(jī)理、確定煤自然發(fā)火傾向性以及煤自燃預(yù)報(bào)預(yù)測(cè)具有重要研究?jī)r(jià)值。

利用程序升溫實(shí)驗(yàn)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(hào)礦與2 號(hào)礦、松樹(shù)灘礦、楊圪楞礦以及石炭紀(jì)姚橋礦煤樣作為研究對(duì)象，通過(guò)自然落錘法破碎并篩選粒徑為 1.25～3.00 mm 的煤樣，實(shí)驗(yàn)過(guò)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(shí)驗(yàn)方法

煤低溫氧化氣體生成實(shí)驗(yàn)裝置如圖4。

圖4 煤低溫氧化氣體生成實(shí)驗(yàn)裝置Fig.4 Experimental device for coal low-temperature oxidation gas generation

利用空壓機(jī)將空氣送至煤自然發(fā)火模擬裝置中，加熱后從煤樣罐進(jìn)入，對(duì)煤樣升溫，再?gòu)捻敳苛鞒觯鼙O(jiān)測(cè)系統(tǒng)在微機(jī)控制下抽取該氣體，并送至氣相色譜儀，測(cè)定 CO2、CO、CH4、C2H6、C2H4、C2H2、N2、O2等可能生成氣體的含量，并自動(dòng)保存結(jié)果。

4.2 煤樣程序升溫實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

實(shí)驗(yàn)中測(cè)定了各實(shí)驗(yàn)煤樣在不同溫度下的CO、CO2、CH4、C2H6、C2H4的濃度值，實(shí)驗(yàn)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(shí)侏羅紀(jì)煤樣中CO 和CO2生成速率高于石炭紀(jì)煤樣，說(shuō)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(guò)程中煤樣逐漸釋放烷烴、烯烴等氣體，CH4最初來(lái)源于煤體賦存瓦斯，側(cè)鏈和活潑基團(tuán)隨溫度升高過(guò)程中，于 120 ℃附近產(chǎn)生 C2H6，于 150 ℃附近產(chǎn)生C2H4，未檢測(cè)到C2H2。通過(guò)與石炭紀(jì)煤樣氣體生成情況對(duì)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(guò)煤工業(yè)分析實(shí)驗(yàn)，將蒙西侏羅紀(jì)煤樣分析結(jié)果與石炭紀(jì)成煤時(shí)期煤樣進(jìn)行對(duì)比，得出蒙西侏羅紀(jì)煤樣高水分、高揮發(fā)分等對(duì)煤炭自燃具有促進(jìn)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(guò)靜態(tài)吸氧量實(shí)驗(yàn)，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(guó)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(shí)間亦早于石炭紀(jì)，蒙西侏羅紀(jì)煤種活性基團(tuán)被氧化側(cè)鏈等各類活性官能團(tuán)活性相對(duì)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。