煤變質(zhì)程度對煤自燃特性的影響

張九零，朱 定，朱 壯

(1.華北理工大學(xué) 礦業(yè)工程學(xué)院，河北 唐山 063200； 2.中車唐山機車車輛有限公司，河北 唐山 063009)

煤自燃不僅造成大量煤炭資源的消耗，還會造成嚴(yán)重的大氣污染，導(dǎo)致地區(qū)生態(tài)環(huán)境惡化，更可能造成井下工作人員傷亡。同時由其引發(fā)的二次事故如爆炸等會對井下工作人員造成更大的傷害[1]。眾多學(xué)者對煤自燃從多個方面進(jìn)行了深入的研究，如周冬等[2]對采空區(qū)內(nèi)煤自燃?xì)怏w特征及產(chǎn)生規(guī)律進(jìn)行了分析研究，得出不同變質(zhì)程度煤升溫曲線，以及升溫過程中放出CO和CH4的速率；郝宇等[3-5]對不同瓦斯氣氛下煤自燃特性進(jìn)行分析，并對不同氧濃度下的煤低溫氧化反應(yīng)作了充分研究；許滿貴等[4]通過 BET 吸附實驗與程序升溫研究，表明煤樣的孔結(jié)構(gòu)與煤樣自燃反應(yīng)性有一定的正相關(guān)關(guān)系；郭煒舟、李雪明等[6-7]就地溫與堿性條件對煤自燃的影響規(guī)律進(jìn)行研究，表明堿性水有抑制煤自燃的作用；郭亞軍等[8]進(jìn)行了風(fēng)量對煤自燃極限參數(shù)影響的實驗研究；劉宇帥[9]對不同變質(zhì)程度煤自燃特性進(jìn)行了實驗研究，通過分析煤升溫過程中CO、CO2、CH4濃度的變化，得出煤的自燃傾向性在一定程度上隨煤的變質(zhì)程度增高而降低；張辛亥等[10]基于活化能指標(biāo)研究了不同變質(zhì)程度煤的自燃傾向性，指出煤的變質(zhì)程度越高其表面活化能越大，越不容易發(fā)生自燃；王彩萍等[11]通過紅外光譜實驗分析了多種不同變質(zhì)程度的煤，揭示了煤氧化過程中微觀結(jié)構(gòu)變化與煤自燃傾向性的內(nèi)在關(guān)系；譚波等[12]通過對不同變質(zhì)程度煙煤的自燃極限參數(shù)進(jìn)行了對比分析，低溫放熱階段變質(zhì)程度相對較低的煤耗氧速率較快，放熱強度較高；劉文永等[13]通過升溫實驗對不同變質(zhì)程度煙煤進(jìn)行了研究，分析了變質(zhì)程度與自燃特性之間的關(guān)系；周新華等[14]根據(jù)煤自燃機理的煤、氧復(fù)合理論，建立了鑒定煤自然發(fā)火傾向性影響因素的模糊綜合評判新方法。筆者利用差示掃描量熱儀(DSC)分別對5種不同變質(zhì)程度煤自燃特性進(jìn)行相關(guān)研究。差示掃描量熱分析儀具有可定量測定多種動力學(xué)和熱力學(xué)參數(shù)、高分辨能力、較寬的溫度范圍、高靈敏度、樣品用量少等優(yōu)點。該研究成果可為今后煤礦井下火災(zāi)的治理預(yù)防工作提供有力幫助，對保障井下正常的安全生產(chǎn)、保障人員安全具有十分重要的指導(dǎo)作用。

1 煤樣選取與制備

煤的變質(zhì)程度由高到低分別是無煙煤、煙煤(貧煤、瘦煤、焦煤、肥煤、1/3焦煤、氣煤、弱黏煤、不黏煤、長焰煤)、褐煤。本實驗選取5種不同變質(zhì)程度的煤樣，分別為常村無煙煤、范各莊肥煤、東歡坨氣煤、內(nèi)蒙古長焰煤、崔礦褐煤。將現(xiàn)場取得的新鮮煤樣裝入密閉塑料袋進(jìn)行密封，在實驗室分別將幾種煤樣剝?nèi)ケ砻嫜趸瘜?，然后用破碎機將試樣破碎、篩分，得到粒徑為0.048～0.147 mm(300～100目)煤樣，每份煤樣取30 g用于實驗。按煤變質(zhì)程度由高到低將常村無煙煤、范各莊肥煤、東歡坨氣煤、內(nèi)蒙古長焰煤、崔礦褐煤依次編號為1#、2#、3#、 4#、5#。

2 實驗方案

實驗條件控制：采用DSC200F3Maia?型差示掃描量熱儀，實驗溫度范圍25～400 ℃；試樣量20 g;升溫速率10 ℃/min；實驗保護(hù)氣體(保護(hù)氣體是在進(jìn)行實驗時對差示掃描量熱儀中的部件加以保護(hù)，從而達(dá)到抗氧化的目的)為氮氣;輸出壓力為 0.04 MPa；流速為60～70 mL/min；實驗所用的吹掃氣1為氧氣，流速為20.0 mL/min，吹掃氣2為氮氣，流速為80.0 mL/min；鋁制小坩堝加蓋扎孔處理;實驗采用液氮冷卻。

3 數(shù)據(jù)分析

3.1 熱流差零值點分析

實驗獲得的熱流差零值點及吸熱峰峰值溫度如表1所示。

表1 不同煤樣熱流差零值點及吸熱峰峰值溫度

熱流差零值點：吸熱速率與放熱速率達(dá)到平衡時所對應(yīng)的溫度值點。由表1可知，1#常村無煙煤變質(zhì)程度最高，在同等實驗條件下，相比其他實驗煤樣其熱流差零值點溫度明顯高出許多。隨著煤的變質(zhì)程度逐漸降低，熱流差零值點隨之降低并表現(xiàn)出良好的一致性。熱流差零值點溫度由高到低依次為：1#常村無煙煤、2#范各莊肥煤、3#東歡坨氣煤、4#內(nèi)蒙古長焰煤、5#崔礦褐煤。

3.2 吸熱峰峰值溫度分析

吸熱峰峰值溫度表示吸熱速率達(dá)到最大值時所對應(yīng)的溫度值。經(jīng)過升溫實驗(10 ℃/min)得到 5種不同煤樣的吸熱峰峰值溫度。由表1可知，在相同升溫速率條件下，隨著煤樣的變質(zhì)程度不斷降低，其吸熱峰峰值溫度呈現(xiàn)出先升高、再降低、最后又升高的趨勢。4#內(nèi)蒙古長焰煤吸熱峰峰值比變質(zhì)程度更高的3#東歡坨氣煤的吸熱峰峰值低?？傮w上吸熱峰峰值溫度隨著變質(zhì)程度降低呈現(xiàn)出升高的態(tài)勢。

3.3 吸、放熱速率分析

差式掃描量熱實驗結(jié)果如圖1所示，圖中曲線離開基線(虛線)的位移表示吸熱或放熱速率。

圖1 差式掃描量熱實驗結(jié)果

由圖1可知,進(jìn)入吸熱階段，煤樣迅速吸熱，然后吸熱速率緩慢增加，5#崔礦褐煤變質(zhì)程度最低，吸熱速率增長最快，吸熱速率最高，達(dá)到吸熱峰值后吸熱速率迅速下降，下降速度也最快;1#常村無煙煤變質(zhì)程度最高,吸熱速率最低;2#范各莊肥煤、3#東歡坨氣煤、4#內(nèi)蒙古長焰煤吸熱速率相差不大。在 160～220 ℃內(nèi)，煤樣達(dá)到熱流差零值點，隨著溫度繼續(xù)升高，煤樣先后進(jìn)入到放熱階段，放熱速率先逐步加快后趨于平緩。在220～300 ℃時，3#東歡坨氣煤放熱速率增長最快，放熱速率也最大；其他煤樣放熱速率由快到慢依次為5#崔礦褐煤、4#內(nèi)蒙古長焰煤、2#范各莊肥煤、1#常村無煙煤；除3#東歡坨氣煤放熱速率最大外，其他煤樣表現(xiàn)出變質(zhì)程度越低放熱速率越高。在300～400 ℃時，2#范各莊肥煤放熱速率僅次于3#東歡坨氣煤，放熱速率由高到低依次為3#東歡坨氣煤、2#范各莊肥煤、5#崔礦褐煤、4#內(nèi)蒙古長焰煤、1#常村無煙煤。

3.4 綜合分析

在煤樣加熱到80～130 ℃時，煤樣分別先后達(dá)到吸熱峰峰值溫度，變質(zhì)程度越高吸熱峰峰值溫度越低。隨著煤樣溫度升高，在160～220 ℃內(nèi)，煤樣先后達(dá)到熱流差零值點，表明煤變質(zhì)程度越高熱流差零值點越高。隨著實驗溫度的增加，煤逐漸達(dá)到放熱階段，放熱速率也在不斷地升高。3#東歡坨氣煤放熱速率增長最快，2#范各莊肥煤次之。在220～300 ℃ 時，放熱速率由高到低依次為3#東歡坨氣煤、5#崔礦褐煤、4#內(nèi)蒙古長焰煤、2#范各莊肥煤、1#常村無煙煤。大體上看，變質(zhì)程度越低，煤樣的放熱速度越快。在300～400 ℃時，煤的放熱速率呈現(xiàn)出異向性，其中3#東歡坨氣煤煤樣DSC曲線下降趨勢最快，表明其放熱速率相對其他煤樣最大，其他4個煤樣對應(yīng)的曲線斜率較小，放熱速率增長較慢。

4 結(jié)論

1)同等條件下，變質(zhì)程度越高的煤樣，熱流差零值點溫度越高，零值點出現(xiàn)越晚，表明變質(zhì)程度越高的煤越不容易發(fā)生自燃。

2)低溫氧化時，變質(zhì)程度越高的煤樣，吸熱峰峰值溫度越低，吸熱速率越低。煤自燃后，煤體將會快速釋放熱量，放熱速率先逐漸加快，后趨于平緩，大體上看變質(zhì)程度高的煤放熱速率較低。

3)1#至5#煤樣熱流差零值點溫度與吸熱峰峰值溫度之間差值分別為133.6、106.8、83.9、77.2、48.0 ℃，煤的變質(zhì)程度越高，其熱流差零值點溫度與吸熱峰峰值溫度之間差值越大。