不同變質(zhì)程度煤自燃特性實(shí)驗(yàn)研究

劉宇帥

（1.山東科技大學(xué) 礦山災(zāi)害預(yù)防控制—省部共建國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室培育基地，山東 青島 266590；2.山東科技大學(xué) 礦業(yè)與安全工程學(xué)院，山東 青島 266590）

煤炭在我國(guó)的一次能源消費(fèi)中占國(guó)民經(jīng)濟(jì)的主導(dǎo)地位，在未來(lái)相當(dāng)長(zhǎng)的一段時(shí)間內(nèi)，以煤炭為主化石能源的消費(fèi)結(jié)構(gòu)很難被取締[1]。在煤礦生產(chǎn)過(guò)程中，煤的自燃不僅威脅了井下工作人員的生命安全，還造成了資源的大量浪費(fèi)[2]。煤自然發(fā)火是由于煤與氧接觸時(shí)發(fā)生化學(xué)吸附和化學(xué)反應(yīng)放出熱量，當(dāng)放出熱量大于散發(fā)的熱量時(shí)，煤溫上升而導(dǎo)致發(fā)火，對(duì)煤礦的安全生產(chǎn)帶來(lái)很大威脅[3-4]。國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)煤自然發(fā)火進(jìn)行了大量研究。彭本信[5]對(duì)不同變質(zhì)程度的8種煤樣進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)，在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中利用紅外光譜及熱分析對(duì)不同變質(zhì)程度煤進(jìn)行測(cè)定，認(rèn)為在低溫氧化時(shí)，低變質(zhì)程度的煤比高變質(zhì)程度的煤放熱量更大，比高變質(zhì)程度的煤更容易自然發(fā)火；K.Markova[6]等通過(guò)研究得出亮煤在氧化過(guò)程中的活化能高于鏡煤；Krishnaswamy[7-9]等通過(guò)建立煤在低溫氧化過(guò)程中的動(dòng)力模型，對(duì)煤樣在不同粒度、不同濕度條件下的氧化升溫速率進(jìn)行了解釋；舒新前[10]通過(guò)對(duì)煤在低溫氧化原因及機(jī)理進(jìn)行研究，認(rèn)為在低溫氧化階段絲碳會(huì)吸收大量氧，并釋放大量的熱，從而更易導(dǎo)致煤的自燃。煤的低溫氧化過(guò)程可反應(yīng)煤的自燃傾向性，因此對(duì)不同變質(zhì)程度煤樣進(jìn)行低溫氧化升溫實(shí)驗(yàn)，探明不同變質(zhì)程度煤的自燃傾向性。

1 煤低溫氧化升溫實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

選取程序升溫實(shí)驗(yàn)裝置進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，優(yōu)勢(shì)在于：它可以極大地縮短實(shí)驗(yàn)周期（一般1個(gè)試樣的實(shí)驗(yàn)周期為1 d，約為煤自然發(fā)火實(shí)驗(yàn)周期的1%以下）；同時(shí)可以大大減少實(shí)驗(yàn)用樣量（約為煤自然發(fā)火實(shí)驗(yàn)用樣量的0.5‰）；另外該實(shí)驗(yàn)還具有可重復(fù)性強(qiáng)的特點(diǎn)。

1.1 實(shí)驗(yàn)煤樣及系統(tǒng)裝置

實(shí)驗(yàn)所選3種不同地區(qū)變質(zhì)程度不同的煤樣，分別為長(zhǎng)焰煤、不黏煤、氣煤。將原始煤樣破碎，并選取 40～80 目（180～380 μm）粒徑的煤粒，各取 200 g 2份煤樣分為3組，為實(shí)驗(yàn)樣品標(biāo)號(hào)為：長(zhǎng)焰煤A1、長(zhǎng)焰煤 A2，不黏煤 B1、不黏煤 B2，氣煤 C1、氣煤 C2。

實(shí)驗(yàn)裝置主要由供氣裝置、升溫裝置、氣相色譜組成，程序升溫實(shí)驗(yàn)裝置示意圖分析裝置如圖1。

1.2 實(shí)驗(yàn)過(guò)程

圖1 程序升溫實(shí)驗(yàn)裝置示意圖

將3組煤樣裝入煤樣罐，分別進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)初始溫度為 30 ℃，A1、B1、C1組通入 O2濃度為21%；A2、B2、C2為臨界溫度對(duì)照組，通入 100%N2；煤溫每升高5℃，升高爐溫5℃，同時(shí)收集1次氣體，煤溫升到100℃停止升溫，將各溫度氣體導(dǎo)入氣相色譜儀中，對(duì)臨界溫度及煤溫與CO、CO2、CH4等的關(guān)系進(jìn)行分析。其中煤溫由煤樣罐內(nèi)的溫度探頭測(cè)定控制板顯示，氣相色譜儀將收集的氣體測(cè)定后峰值輸入電腦，此后計(jì)算濃度。

2 自燃升溫特性交叉點(diǎn)溫度及氣體參數(shù)結(jié)果分析

2.1 臨界溫度

利用溫度探頭顯示的數(shù)據(jù)，結(jié)合交叉點(diǎn)溫度法繪制的溫度變化曲線如圖2。

由圖2（a）～圖2（c）長(zhǎng)焰煤、不黏煤、氣煤在21%供氧條件下與100%氮?dú)鈼l件下的升溫曲線相對(duì)比，在達(dá)到臨界溫度之前實(shí)驗(yàn)煤樣和對(duì)比煤樣均隨時(shí)間的推移，溫度呈線性增加。達(dá)到臨界溫度后線性斜率增大，可得出臨界溫度點(diǎn)分別為：64.79℃（長(zhǎng)焰煤）、69.86℃（不黏煤）、71.23℃（氣煤），因此，可初步判斷自燃傾向性：長(zhǎng)焰煤＞不黏煤＞氣煤，變質(zhì)程度越低，其自燃傾向性越強(qiáng)，更易發(fā)生自燃。

2.2 氣體生成規(guī)律

2.2.1 CO濃度變化規(guī)律

由氣相色譜儀導(dǎo)出的氣體峰值經(jīng)轉(zhuǎn)換計(jì)算得出的CO變化規(guī)律如圖3。

在升溫初期由于3種煤樣內(nèi)均含有一定少量CO，CO生成在該基礎(chǔ)上進(jìn)行。如圖3（a），長(zhǎng)焰煤煤樣溫度在50℃之前，隨著煤溫的升高，CO濃度基本無(wú)變化；溫度50～60℃之間，CO濃度呈緩慢增長(zhǎng)趨勢(shì)；溫度達(dá)到60℃之后，CO濃度呈指數(shù)型增長(zhǎng)，此2個(gè)濃度變化節(jié)點(diǎn)分別為256×10-6（50℃）、366×10-6（60℃）。如圖3（b），不黏煤在50℃之前，隨著煤溫的升高，CO濃度略有增加；50℃之后CO濃度開始呈指數(shù)型增長(zhǎng)，在濃度變化節(jié)點(diǎn)其濃度為80×10-6（50℃）。如圖3（c），氣煤于 55℃之前，CO濃度平緩，甚至有少許降低趨勢(shì)；溫度為55～70℃之間，CO濃度開始緩慢增加；在70℃之后呈指數(shù)型增長(zhǎng)，2個(gè)濃度變化節(jié)點(diǎn)的濃度為 33×10-6（55℃）、112×10-6（70℃）。

經(jīng)分析，3種煤樣變質(zhì)程度最低的長(zhǎng)焰煤CO濃度變化溫度更低，且CO生成濃度變化最大，不黏煤CO濃度變化時(shí)，節(jié)點(diǎn)濃度比氣煤更高，因此可知，變質(zhì)程度對(duì)煤自燃傾向具有影響，變質(zhì)程度越低，煤更易自燃。

2.2.2 CO2濃度變化規(guī)律

圖2 溫度變化曲線

CO2濃度變化曲線如圖4。如圖4（a），長(zhǎng)焰煤于45℃CO2濃度開始出現(xiàn)增長(zhǎng)，隨后隨溫度的升高，濃度變化非常大，溫度到達(dá)100℃時(shí)CO2濃度為124 383×10-6；如圖4（b），不黏煤于 45 ℃CO2開始濃度增長(zhǎng)變化，溫度到達(dá)100℃時(shí)CO2濃度為37 524×10-6；如圖4（c），氣煤于 65 ℃CO2濃度開始出現(xiàn)明顯增長(zhǎng)變化，溫度到達(dá)100℃時(shí)CO2濃度為8 320×10-6。由此可知，3種氧化程度不同，生產(chǎn)的CO2濃度有較大差異，氧化程度隨變質(zhì)程度的降低而升高，因此，變質(zhì)程度越低，煤更易氧化，發(fā)生自燃。

2.2.3 CH4濃度變化規(guī)律

圖3 CO濃度變化曲線

CH4濃度變化曲線如圖5。3種煤樣升溫初期都存在CH4，為煤體吸附瓦斯。升溫前期，氣煤CH4濃度變化時(shí)溫度較低，但后期雖實(shí)驗(yàn)溫度的升高，到達(dá)100℃時(shí)氣煤CH4生成濃度與其他2組長(zhǎng)焰煤、不黏煤相比較，氣煤生成CH4濃度更??；長(zhǎng)焰煤與不黏煤比較可看出，長(zhǎng)焰煤CH4濃度初始變化溫度比不黏煤低，并且后期CH4產(chǎn)生濃度比不黏煤高。因此，長(zhǎng)焰煤更易氧化生成CH4濃度也更高，可以認(rèn)為煤的變質(zhì)程度越低，其氧化自燃傾向性越強(qiáng)。

3 結(jié)論

1）通過(guò)對(duì)不同變質(zhì)程度煤的程序升溫特性實(shí)驗(yàn)，對(duì)煤樣的臨界溫度采用交叉點(diǎn)溫度法進(jìn)行繪制分析，煤樣的臨界溫度隨煤變質(zhì)程度升高而升高，分別為：64.79℃（長(zhǎng)焰煤）、69.86℃（不黏煤）、71.23℃（氣煤），煤的氧化自燃傾向隨煤的變質(zhì)程度的降低而升高。

圖4 CO2濃度變化曲線

2）對(duì)程序升溫實(shí)驗(yàn)過(guò)程中3種煤樣產(chǎn)生的CO、CO2、CH4濃度隨溫度的變化繪制曲線，對(duì)節(jié)點(diǎn)溫度的濃度進(jìn)行比較，得出煤的變質(zhì)程度越低，氧化升溫反應(yīng)過(guò)程產(chǎn)生的CO、CO2、CH4濃度越大，氧化自燃傾向性越強(qiáng)。

3）針對(duì)不同變質(zhì)程度煤的氧化自燃傾向性進(jìn)行了分析，測(cè)定了溫度變化及氣體成分濃度的變化情況，可為不同變質(zhì)程度煤的自燃預(yù)測(cè)提供理論參考。

圖5 CH4濃度變化曲線