基于DSC測試的含水煤自燃規(guī)律實驗研究

張九零，朱 壯，范酒源，劉春雨

（華北理工大學 礦業(yè)工程學院，河北 唐山 063009）

煤炭作為世界主要能源物質(zhì)在我國能源結(jié)構(gòu)中占有非要重要的地位[1]。據(jù)統(tǒng)計，我國井下90%的火災(zāi)均由煤層自燃引起[2]。這些事故的發(fā)生，嚴重影響了煤礦的安全生產(chǎn)與職工的生命健康[3]。煤層注水、采空區(qū)積水等因素的會使采空區(qū)遺煤不同程度的增加水含量，含水煤的自燃性質(zhì)隨之改變。金永飛等[4]基于紅外技術(shù)對不同變質(zhì)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(fā)率滿足反比例關(guān)系的結(jié)論；周鑫隆、凌玉壽等[7]通過應(yīng)用TG-DSC技術(shù)，分析在較低含水狀態(tài)下對煤自燃傾向的影響，結(jié)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(guī)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(jié)果表明，煤中的含水量與煤的總吸氧量、放熱量之間關(guān)系較復雜。目前，國內(nèi)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(guī)律研究不足。為此采用差示掃描量熱技術(shù)（DSC）研究同一煤樣不同含水量煤的自燃特性參數(shù)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(jié)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(nèi)對煤放熱參數(shù)的影響規(guī)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(guī)律，另一方面考慮到與現(xiàn)場煤層靜壓注水試驗，煤層水分增量的范圍相結(jié)合。

根據(jù)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(shè)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(jù)實驗數(shù)據(jù)結(jié)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(guī)律，熱流差零值點與水分增量的關(guān)系如圖1。

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

圖1 熱流差零值點與水分增量的關(guān)系

由圖1可知，隨著煤樣水分含量增加，其零值點所對應(yīng)溫度值并不是呈現(xiàn)單一變化趨勢，而是在曲線中出現(xiàn)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(xiàn)最低溫度（231℃），在水分增量為9%時，出現(xiàn)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(yīng)溫度普遍較高，說明煤樣放熱整體出現(xiàn)較晚，不易發(fā)生自燃現(xiàn)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(yīng)的溫度值。根據(jù)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(guān)參數(shù)，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(guī)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(xiàn)逐漸遞增的趨勢，而是呈現(xiàn)，先遞減，在穩(wěn)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(xiàn)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(fā)生自燃現(xiàn)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(xiàn)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(tài)，隨著時間的推移，當煤樣達到氧化反應(yīng)的轉(zhuǎn)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(xiàn)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(yīng)曲線的致斜率發(fā)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(qū)間內(nèi)的煤樣放熱速率高。

從整體過程分析實驗煤樣的反應(yīng)劇烈程度來看，煤樣在 0～5 min（0～50 ℃）時，發(fā)生明顯的微劇烈反應(yīng)，在 5～20 min（50～200 ℃）時反應(yīng)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(shù)據(jù)存在偏差，但并影響整體變化趨勢。

5 結(jié)論

1）煤樣水分增量在1%～9%范圍內(nèi)，其熱流差零值點溫度在230～250℃之間，其對應(yīng)溫度普遍較高，說明煤樣放熱整體出現(xiàn)較晚，不易發(fā)生自燃現(xiàn)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(fā)生自燃現(xiàn)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(qū)間內(nèi)的煤樣放熱速率較高。