平朔矿区煤自燃宏观特性的关联性研究

牛光勇 邬剑明 吴玉国 张雅君

（太原理工大学矿业工程学院，山西省太原市，030024）

平朔矿区煤自燃宏观特性的关联性研究

牛光勇 邬剑明 吴玉国 张雅君

（太原理工大学矿业工程学院，山西省太原市，030024）

对平朔矿区的井东煤业、井工一矿的两种易自燃煤样进行了综合指标气体测试和非等温热重分析实验。研究了指标气体及煤样质量变化与煤体温度之间内在关联。对煤自燃早期预报的单一指标气体CO进行扩展，并结合C2H4、H2、C2H2气体来作为煤自燃的综合指标气体，同时研究表明热分析法比物理吸附氧量法能更好地评价煤自燃的倾向性，热分析技术能够准确全面地反映煤自燃整个过程。

煤自燃 指标气体 热重分析 吸附氧量

在煤自燃过程中，煤与氧气相互作用，发生物理吸附、化学吸附和化学反应以及放出热量等。煤层自燃对煤矿安全生产威胁很大，是煤矿安全领域的重要研究课题之一。为了能有效预防和控制煤炭自燃火灾，需要对煤层自燃进行预报。目前主要是依靠煤自燃过程中指标气体释放规律进行煤自燃前期预报，而标志气体的释放特性及优选成为制约煤自燃前期及时准确预测预报的瓶颈。

在煤自燃过程中呈现出一系列的宏观现象，包括煤体温度升高、标志气体的释放以及煤样质量的变化，这些宏观现象之间是相互关联的，并且标志气体组成与含量与温度之间有对应的相关性；热重分析技术是指在程序温度控制下测量物质的质量与温度关系的一种技术。已广泛应用于研究煤自燃倾向性、煤氧化放热量以及煤的热性质等领域。将煤自燃过程中煤体温度、指标气体以及煤样质量结合起来研究，能揭示这些宏观表象之间的相互关联性并进一步深入研究煤自燃过程，同时也为优选指标气体、及时准确预测预报煤自燃情况提供了理论指导。

1 实验部分

1.1 煤种

实验选取平朔井东矿和井工一矿的两种易自燃煤作为煤样。采取刚开采的新鲜煤样，并剥去表面氧化层，迅速装入真空袋密封，运至实验室。煤样整个处理过程在N2保护下进行，然后对进行破碎并筛分出0.15～0.3mm（40～100目）的颗粒50 g作为实验煤样。

1.2 实验系统

1.2.1 综合指标气体检测实验

实验采用自行研制的煤低温氧化模拟实验系统，实验装置示意图见图1。该系统由反应器、保温设备、气路通道以及相应的监测设备等组成。实验气体为空气，由气瓶供给，其流量通过相应的质量流量计控制，在进入反应器前会被加热线圈预热到实验稳定状态，反应生成的气相产物通过气相色谱仪进行检测。实验前将煤样置于铜质反应器内，将其置于程序控温箱内，然后连接好进气气路、出气气路和温度探头（探头置于煤样罐的几何中心），检查气路的气密性。测试时向反应器内通入80ml／min的干空气。在程序控温箱控制下以1℃／min的升温速率对煤样进行加热，升温至200℃。

图1 实验装置示意图

1.2.2 热重分析实验

为研究煤在低温氧化过程中的氧化放热性能，本次实验采用低温慢、高温快的变升温速率给煤样加热，即20～200℃，升温速率为1.5℃／min；200～700℃，升温速率为5℃／min；试样含水量为天然含水量，样品质量为8～10mg；实验在空气中进行，空气流量为50ml／min。实验所用设备为北京恒久科学仪器厂生产的微机差热天平（HCT－1）分析仪。

2 结果与讨论

2.1 指标气体与释放温度的关联研究

图2给出了不同指标气体随温度变化的趋势图。在实验温度为30℃时，已检测到少量的CO，说明在室温下，新鲜的煤样很快进入氧化状态。对比两种煤样的CO生成特性，可以看出，在温度低于180℃时，井工煤的CO生成速率高于井东煤，这与井工煤的自燃倾向性大于井东煤的表征结果相一致。由于井工煤具有较高的自燃倾向性，在低温氧化阶段，很容易吸附空气中的氧气，发生氧化反应，O2浓度的变化情况也充分证明这一点。同时也充分说明了仅依靠物理吸附氧量来评价煤的自燃倾向性有一定的片面性，物理吸附氧量在缓慢低温氧化阶段可以作为煤自燃倾向性的指标，但到了氧化加速阶段，主要以氧气化学吸附为主，就需要一个新的更加全面的指标来评价煤的氧化性能。

H2生成温度较晚，在100℃左右，此时煤已进入加速氧化阶段。H2生成速率整体呈现出随温度升高而增加的趋势。但在较高温度时，呈现出一定波动性，这是由于在较高温度下，热解反应和氧化反应并存，二者竞争的结果使H2生成浓度呈现出波动性。C2H4生成速率在120℃左右。烃类生成速率与CO相类似，不同的是：在整个实验阶段，井工煤的烃类气体生成量一直大于井东煤的生成量，这与井工煤的易自燃煤种有很大关系。在实验过程中没有检测到C2H2生成。

由以上分析可知，CO的出现说明煤已经发生低温氧化反应，此时应加强监测，如果CO浓度呈持续稳定上升趋势，表明煤的氧化进入迅速氧化阶段，应发出预警，采取有效措施加以治理；如果在有CO存在的前提下，检测出C2H4和H2，即可做出煤已自然发火的预报，此时煤已进入加速氧化阶段，必须采取切实有效的防灭火措施，如果延误时机可能发展成重大火灾事故；如果检测到C2H2，应视为煤已产生较高温度，进入激烈氧化阶段，可能出现明火，采取措施要谨慎。

2.2 质量及热量变化与特征温度的关联研究

图3显示的是实验用煤的TG、DTG及DTA曲线。为了研究的方便，根据TG、DTG及DTA曲线之间的相互关系，把煤氧化过程分阶段研究，其结果显示在表1中。

从图3和表1可以看出，在煤样自燃过程中，煤样质量呈现出先减小后增加直至燃烧分解。在煤低温氧化初期阶段，质量减小主要体现在煤外在水分的脱除，两种煤样的脱水阶段都在100℃完成。在100℃以前，煤样低温氧化速率较慢，在此过程中涉及氧的物理吸附和化学吸附，其中以物理吸附为主，氧化反应产生的气体产物较少，这可以从图2看出。在100℃以前，煤样DTG曲线波动较大，这主要是由于脱水和吸氧同时作用的结果。煤样DTG曲线显示在此阶段以脱水吸热为主。

表1 煤氧化过程中各阶段所对应的温度

井工煤质量增加阶段从90℃左右开始，而井东煤质量增加阶段从100℃开始，相差10℃左右，这与井工煤比井东煤易自燃特性相一致。井工煤吸氧增重速率最大值在200℃，明显低于井东煤的吸氧增重速率最大值。从表1可以看出，在整个吸氧增重阶段，井工煤的总吸氧量为0.52mg，远高于井东煤的0.35mg。实验结果表明，应用热分析技术可以很好的鉴定煤的自燃倾向性，并且比单一依靠物理吸附氧量更加准确全面。

3 结论

（1）煤自燃过程中呈现出一系列的宏观表象，包括煤体温度升高、标志气体以及煤样质量的变化，它们之间有内在关联性。

（2）热分析技术能够准确、全面地反映煤自燃整个过程，物理吸附氧和化学吸附氧相结合更能全面的评价煤自燃倾向性。

（3）中煤平朔煤层标志气体应在使用CO的前提下，结合C2H4、H2和C2H2作为综合判断指标，来预测预报煤自燃状态。

（4）在煤自燃过程的不同阶段，氧化反应的程度不同。这与煤的变质程度，岩相组成以及吸附氧能力等有关。

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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，山东菏泽人，硕士研究生，主要从事煤矿防灭火方面研究工作。

（责任编辑 张艳华）