基于侏罗纪煤低温氧化特性自然发火技术分析研究

冯 山，程根银，汪 恒

(1. 华北科技学院，北京 东燕郊 101601；2.华润电力控股有限公司，广东 深圳 518000)

基于侏罗纪煤低温氧化特性自然发火技术分析研究

冯 山1，程根银1，汪 恒2

(1. 华北科技学院，北京 东燕郊 101601；2.华润电力控股有限公司，广东 深圳 518000)

西北地区侏罗纪煤可采储量巨大，煤层自燃倾向性大，而侏罗纪煤层自燃机理研究落后于东部和华北的石炭二叠纪，因此了解西北地区侏罗纪煤层自燃研究现状对确立今后西北侏罗纪煤层自燃研究方向和完善煤层自燃理论体系具有重要意义。本文查阅参考了大量文献，总结了西北地区侏罗纪煤岩特征，详细阐述了侏罗纪煤的低温氧化自燃特性，并将现有的煤层自然发火模型推广应用到侏罗纪煤层，最终提出了侏罗纪煤实验室研究、数值模拟和现场实践的合理化建议。

侏罗纪煤；自然发火；低温氧化；西北地区

早中侏罗世是中国历史上重要的聚煤期，其储量约占总聚煤期储量的68.7%，分布在西北、华北、中南、华东等地区，以西北地区最为重要[1]，如图1所示J1-2部分。据第三次全国煤田预测资料，西北地区侏罗纪的煤炭资源量占我国各成煤时代煤炭资源总量的39.6%[2]，且煤质优良，我国低灰、低硫、低磷的优质煤资源量的90%来自西北地区侏罗纪煤[3]。

图1 我国煤炭资源分布图

在我国一半以上的煤层属于自燃煤层，而西北地区侏罗纪煤层自燃尤为严重，涉及80余个煤田，其中新疆煤田每年烧毁煤炭资源582万t，威胁储量477亿t[4,5]。煤层自燃不仅烧毁大量优质煤炭资源，威胁正常的煤炭开采活动，而且产生的有害气体排放到大气中，恶化区域环境质量[6]。因此开展西北地区侏罗纪煤层火灾防治工作对保护生态、减少资源损失、保障安全开采具有重要意义。

建国以来，专家学者就开始了对西北地区的煤田地质勘查研究，但由于进入21世纪后才开始大规模开发利用西北地区的煤炭资源，侏罗纪煤层自燃火灾防治工作远远落后于华北和东部地区的石炭二叠纪矿井；因此了解侏罗纪煤层矿井防灭火研究现状，摸清侏罗纪煤层自燃问题的特殊性，对于明确侏罗纪煤层自燃研究方向和完善煤层自燃理论体系具有一定意义。

1 煤岩特征

长久以来，煤田地质系统和石油系统对西北地区侏罗纪煤进行了深入研究。陈守建[7]、刘志逊[8]、傅雪海[9]和杨起[10]等总结了西北地区侏罗纪煤炭资源和煤层气分布情况；扬起[11]、韩德馨[1]和黄文辉[12]等全面论述了西北地区侏罗纪煤的成煤条件、聚煤规律和煤岩学特征等情况；白向飞[13,14]等研究了侏罗纪煤的还原程度等结构特征；石油系统多年研究几大盆地的煤成油和生烃潜力等问题[15-17]。此外，我国其他学者也从不同方面研究了西北侏罗纪煤，包括煤变质作用、煤成烃、有机岩学、微量元素、煤结构特征等。

1.1 煤的有机组分

舒新前和葛岭梅[18]认为丝炭是煤炭自燃的导火索。张玉贵[19]认为在低温时镜煤比丝炭自燃倾向性高；薄层状丝炭的存在会增加煤层镜煤的自燃倾向性。基于煤岩组分对煤炭自燃的影响，有必要了解西北侏罗纪煤的宏观煤岩类型及显微组分。

西北侏罗纪煤的显著特征是富含惰性组组分，多数超过35%，甚至高达60%左右，丝炭常聚集成层分布，宏观煤岩类型常以半暗煤为主；其次，煤岩组分中的过渡性组分(半镜质组和半惰质组)较多，常达10%～20%；壳质组分较少，一般少于3%～5%[1,12]。韩德馨认为西北聚煤区侏罗纪不粘煤和弱粘煤中，惰质组含量常达40%～50%，镜质组/惰质组常达到1。由于惰质组含量高，致使煤的挥发分降低，粘结性变差，氢含量降低，碳含量增高[1]。

不同矿区的侏罗纪煤显微组分往往存在差异。杨起组织实施了“西北地区煤层气资源综合评价”，得出“镜质组含量高”的结论；同时他指出在某些煤层中惰质组含量占据优势，如在鄂尔多斯盆地延安组中，焦坪、黄陵及彬长矿区惰质组含量往往达到60%以上，且半丝质体的成分较多[10]。

东部石炭二叠纪煤中显微煤岩组分惰质组一般在20%左右，宏观煤岩组分丝炭少见，以半亮煤和亮煤为主[12]。查阅整理有关文献资料，可得到表1。

表1 煤岩组分对比

1.2 煤的变质程度

西北侏罗纪煤种类齐全，从褐煤到无烟煤均有分布，约90%的变质程度处于低变质烟煤阶段(长焰煤、不粘煤、弱粘煤、1/2中粘煤)；中变质烟煤(气煤、肥煤、焦煤、瘦煤)的资源量仅占总资源量的5.5%；高变质煤(贫煤、无烟煤)更少，仅占0.29%[1,7]。白向飞等认为侏罗纪煤的低变质程度和弱还原程度共同决定了西北地区煤独特的煤质特征，其煤质牌号以不粘煤和弱粘煤为主[13]。

西北侏罗纪煤全硫含量及黄铁矿含量都小于1%[20]。煤质以特低硫—低硫煤为主，特低灰、低灰煤丰富，中高热值煤多，中低热值煤很少。其中，鄂尔多斯盆地分布着丰富的优质动力用煤，集中分布在陕北和内蒙古东胜地区，是全球少有的优质动力用煤[7]。

2 煤自燃氧化特性研究

煤的自燃特性需要氧化性和放热性共同衡量，因此选取煤样进行实验室研究是可行可靠的方法。目前国内大多数的实验煤样均来自石炭二叠纪，大部分学者是在研究自然发火某一问题时选取西北地区侏罗纪煤样，无法形成系统的研究成果[22,23]；值得一提的是，吴玉国[24]在实验室系统研究了神东矿区煤的自燃特性，不过缺乏和石炭二叠纪矿井的对比研究；西安科技大学和中国煤炭科工集团西安研究院对陕北侏罗纪矿井和神府矿区水文地质[25,26]和瓦斯地质[27]等研究相对较多。

杨永良[28]和李夏青[20]在实验中选取了4组以上的西北地区侏罗纪煤样，具有一定说服力，而仅有王凯[30]和程宥[31]分别对陕北和内蒙古西部地区侏罗纪煤样进行了系统的氧化特性研究。王凯选取了8组陕北侏罗纪煤样(7组为弱粘煤，1组是长焰煤)和3组石炭二叠纪煤样(分别是肥煤、瘦煤和无烟煤)，程宥、程根银选择了内蒙古西部矿区4组变质程度不同的侏罗纪煤和其他地区2组石炭世煤样，通过一系列实验得到了以下结论：

(1) 通过煤样的工业分析实验可以知道侏罗纪煤样具有挥发分高、灰分低的特点，而且由元素分析可知侏罗纪煤碳含量低，氧含量高。

(2) 通过对实验煤样的热分析实验，王凯认为陕北侏罗纪煤氧化自燃过程中表征煤自燃特性的特征温度总体上低于其他成煤时期煤样；两人采用不同的动力学函数计算出侏罗纪煤样的表观活化能均低于其他煤样，说明侏罗纪煤自燃倾向性更大。李夏青和程宥、程根银均采用ZRJ-1型煤自燃性测定仪测定了侏罗纪煤样的吸氧量，实验结果一致表明侏罗纪煤吸氧量更高，煤氧复合作用更加强烈，符合侏罗纪煤容易自燃的真实规律。

随着热分析实验升温速率的升高，煤样的特征温度均有提高，且吸热速率相应提高，而程宥通过对DSC曲线进行积分，认为不同升温速率下煤样在吸热阶段吸收总热量大致相同。此外，王凯还分析了煤样粒径对热分析实验结果的影响，总体上是粒径越小，煤样比表面积越大，特征温度越低。

(3) 两人均采用傅里叶红外光谱仪分析不同温度下的侏罗纪煤样，根据红外光谱图和活性结构的吸收峰定性描述了羟基、芳香烃、脂肪烃和含氧官能团的变化特征。

(4) 程宥、程根银、王凯和杨永良通过程序升温实验分析了煤样宏观自燃特性，从实验图表中能够看出侏罗纪煤样氧化过程中耗氧速率、CO气体产生率及放热强度高于其他成煤时期实验煤样，且随温度升高成指数关系增长。

3 数值模拟研究

3.1 漏风场方程

风流在采空区内的流动可以视为在多孔介质内的渗流，符合达西定律，将其应用到流体连续性方程，并认为采空区内气体密度基本不变，可得采空区漏风场的质量方程。

(1)

式中，Kx、Ky、Kz—渗透系数；

p—漏风压力。

3.2 氧浓度场

氧气在采空区渗流过程中，会与煤体发生物理吸附、化学吸附及煤氧复合等物理化学反应，沿渗透方向氧气的浓度不断减少，在采空区沿流线上形成浓度梯度，氧气在分子扩散和渗流的共同作用下运动。氧气分子扩散遵循菲克定律，而氧气组份质量守恒定律其实就是氧气的浓度随流传输方程，因此采空区的氧气浓度场可表示为：

(2)

式中，c—氧气体积浓度；

De—松散媒体中氧气扩散系数；

V(T)—采空区煤体的耗氧速率。

3.3 温度场

煤炭的固体颗粒与孔隙中的气体都要遵守热力学第一定律与能量守恒定律，忽略松散媒体中的热辐射效应，并对采空区条件简化，根据傅里叶定律推出采空区温度场方程：

(3)

式中，g、e—空气和煤；

λe—松散媒体的导热系数；

q(T)—采空区浮煤的放热强度。

3.4 数值模拟

漏风场的气流场、氧浓度场和温度场方程的推导是基于达西定律、菲克定律、傅里叶定律和质量守恒定律、能量守恒定律，具有普遍适用性，可以应用于侏罗纪煤层采空区的自燃模拟。但在使用过程中，需要通过程序升温实验或者大型自然发火实验台模拟煤层的真实燃烧，结合理论分析确定模型中的关键参数，如氧气扩散系数、耗氧速率和放热强度等；同时针对具体的模拟对象，确定边界条件和初始条件。

目前，国际上开发了很多数值模拟软件，其中商业化程度较高且应用较多的软件主要有ANSYS，CFX，FLUENT等。FLUENT被很多人用来模拟煤层采空区自燃，2006年已经被ANSYS收购。此外，秦跃平、杨小彬和朱建芳[32,33]等自主开发了采空区自燃模拟软件，该软件基于有限体积离散方法，采用中文界面，易于操作，能直观地获得采空区温度等场的空间分布规律，可为矿井自燃火灾防治提供辅助决策。

关于侏罗纪煤层采空区自燃规律的模拟研究，鲜有文献介绍。邓军、文虎和张辛亥[5]等建立了煤田火区的高温燃烧化学反应模型和物理模型，结合数学模型设定参数，动态模拟了侏罗纪煤田乌达8号煤田自燃发展规律。所以，可以把目前应用在石炭二叠纪矿区的成熟的数值模拟成果提炼出来，针对性地应用到西北地区侏罗纪矿区，进一步研究西北地区侏罗纪煤层采空区自燃的特殊性，从而总结出侏罗纪煤层采空区自燃规律。

4 防灭火现场实践

早在1988年，刘世昉[34]就分析了神府矿区的煤层自燃现象；随后，尚桂林[35]和侯恩科[36]等分别实地考察了该区域自燃情况，认为干燥少雨的气候、低的煤变质程度和经长期风化剥蚀，煤层露头直接受氧化作用是煤层发生自燃的主要因素。

从20世纪50年代起，我国的矿井内因防灭火技术取得了长足的发展，现有灌浆防灭火技术、堵漏和均压防灭火技术、注浆防灭火技术、惰气防灭火技术、阻化剂防灭火技术、凝胶和泡沫防灭火技术等，煤矿火灾防治技术经过近60年的发展，已形成了火灾预测、监测、预防、治理相结合的综合火灾防治技术[37]。然而，诸多防灭火技术实践主要来源于石炭二叠纪矿井，西北侏罗纪矿井的防灭火实践研究集中在陕北侏罗纪煤田和神府—东胜煤田[38,39]。

吴玉国深入研究了神东矿区综采面CO的产生和运移规律，并制定了符合现场实际的矿井防灭火技术管理标准，对解决西北地区侏罗纪矿井CO超限有很强的借鉴作用[24]。西安科技大学煤田火灾防治创新团队则针对典型煤田火区“燃烧时间长、范围广、蓄热量大、煤岩温度高、裂隙空洞漏风复杂”的特点和机理，研发出以煤田火区黄土、砂土等为主要原料的复合胶体防灭火材料，开发出地面移动式多功能灌浆注胶系统，成功治理了中煤平朔一号井工矿上窑火区和内蒙古本拉煤田火区等[5]。

相信随着煤炭资源勘查开发“战略西移”，会有针对性更强实用性更好的防灭火材料、工艺和装备研发出来，会有更多的符合侏罗纪煤层自燃特点和规律的防灭火方案供我们学习参考。

5 结论

(1)侏罗纪煤主要分布在西北地区，从褐煤到无烟煤都有分布，以不粘煤和弱粘煤为主。相比于其他成煤时期煤样，西北侏罗纪煤的显著特征是富含惰性组组分，多数超过35%，甚至高达60%左右，丝炭常聚集成层分布，宏观煤岩类型常以半暗煤为主；壳质组分较少，一般少于3%～5%。

(2)详细介绍了侏罗纪煤样的低温氧化自燃特性，其物理化学结构、动力学分析、官能团变化特征和宏观自燃参数等都显示侏罗纪煤样比其他成煤时期煤样自燃倾向性更大。侏罗纪煤的氧化速率和放热强度较高，可为确定数值模拟中的关键参数提供参考。

提出了对西北地区侏罗纪煤层自燃的实验室研究可以选取同一变质程度的侏罗纪和石炭二叠纪煤样，或者某侏罗纪煤田不同变质程度的煤样进行对比研究，为揭示侏罗纪煤自燃机理提供更加充足的理论依据。

(3)目前，西北地区侏罗纪煤层自然发火研究相对集中在鄂尔多斯盆地，尤其是陕北侏罗纪和神府—东胜地区矿井。技术人员应当深入研究西北地区侏罗纪煤层采空区自燃的特殊性，推广应用石炭二叠纪矿区的成熟的自然发火数学模型以及诸多防灭火技术成果，总结出侏罗纪煤层采空区自燃规律，有针对性地开发出实用性更强的新材料和新装备。

[1] 韩德馨.中国煤岩学[M].北京：中国矿业大学出版社，1996.

[2] 毛节华，许惠龙.中国煤炭资源分布现状和远景预测[J].煤田地质，1999，27：1-4.

[3] 李小彦，晋香兰，李贵红.西部煤炭资源开发中“优质煤”概念及利用问题的思考[J].煤田地质，2005, 17(3): 5-8.

[4] 谭永杰.中国煤田自燃灾害及防治对策[J].煤田地质与勘探，2000，28(6)：8-10.

[5] 邓军，文虎，张辛亥，等.煤田火灾防治理论与技术[M].徐州：中国矿业大学出版社，2014.

[6] 王玉怀，马尚权，潘德祥.煤矿井下可燃材料燃烧特性的试验研究[J].华北科技学院学报，2006,34(1):1-4.

[7] 陈守建，王永，伍跃中，等.西北地区煤炭资源及开发潜力[J].西北地质，2006,39(4):40-56.

[8] 刘志逊，陈河替，黄文辉，等.我国煤炭资源现状及勘查战略[J].煤炭技术，2005,24(10):1-2.

[9] 傅雪海，傅雪海，田继军，等.新疆煤与煤层气资源地质研究现存问题分析[J].新疆大学学报(自然科学版)，2012,29(2):137-141.

[10] 杨起，刘大锰，黄文辉，等.中国西北煤层气地质与资源综合评价[M].北京：地质出版社,2005.

[11] 杨起，吴冲龙，汤达祯，等.中国煤变质作用[M].北京：煤炭工业出版社，1996.

[12] 黄文辉，唐书恒，唐修义，等.西北地区侏罗纪煤的煤岩学特征[J].煤田地质与勘探，2010,38(4):1-6.

[13] 白向飞，李文华，陈文敏，等.我国西部弱还原程度煤分布及煤质特征研究[J].煤炭学报，2005,30(4):502-506.

[14] 白向飞，李文华，罗陨飞，等.中国西部弱还原性煤的结构特征初步研究[J].煤炭转化，2006，29(4):5-8.

[15] 胡社荣，张喜臣，吴因业，等.中国西北侏罗系含煤盆地油田形成规律[J].新疆石油地质,2000,21(5):360-363.

[16] 陈建平，邓春萍，王汇彤，等.中国西北侏罗纪煤系显微组分生烃潜力、产物地球化学特征及其意义[J].地球化学，2006,35(1):81-87.

[17] 陈建平，邓春萍，王汇彤，等.中国西北侏罗纪煤系显微组分热解油生物标志物特征及其意义[J].地球化学，2006,35(2):141-150.

[18] 舒新前，葛岭梅，等.神府煤煤岩组分的结构特征及其差异[J].燃料化学学报，1996，24(5):426-433.

[19] 张玉贵.煤岩成分与煤的自燃[J].焦作矿业学院学报，1994,13(2):15-18.

[20] 张双全，姜尧发，秦志宏，等.成煤过程多样性与煤质变化规律[M]，徐州：中国矿业大学出版社，2013：102-123.

[21]STACHE,MACKOWSKYMTH,TEICHMULLERM,etal.Stach’stextbookofcoalpetrology[M].Berlin：GebruderBorntraeger, 1982：177-197.

[22] 邓军，赵婧昱，张嬿妮，等.陕西侏罗纪煤二次氧化自燃特性试验研究[J].中国安全科学学报，2014,24(1):35-40.

[23] 金永飞，郭军，文虎，等.煤自燃高温贫氧氧化燃烧特性参数的实验研究[J].煤炭学报，2015,40(3):596-602.

[24] 吴玉国.神东矿区综采工作面采空区常温条件下CO产生与运移规律研究及应用[D].太原：太原理工大学,2015.

[25] 牟来艳.陕北侏罗纪煤田水文地质特征及水文地质单元划分[D]西安：西安科技大学,2014.

[26] 靳德武，刘英锋，刘再斌，等.煤矿重大突水灾害防治技术研究新进展[J].煤炭科学技术，2013,41(1):25-29.

[27] 安秀煜.黄陇侏罗纪煤田瓦斯地质规律研究[D]西安：西安科技大学,2012.

[28] 杨永良.煤最短自然发火期测试及煤堆自燃防治技术研究[D]北京：中国矿业大学,2009.

[29] 李夏青.煤低温吸氧特性实验研究[D]西安：西安科技大学,2011.

[30] 王凯.陕北侏罗纪煤氧化自燃特性实验研究[D]西安：西安科技大学,2013.

[31] 程宥.内蒙古西部地区侏罗纪煤自燃氧化规律研究[D]北京：华北科技学院,2015.

[32] 朱建芳，蔡卫，秦跃平.基于移动坐标的采空区自然发火模型研究[J].煤炭学报,2009,34(8):1095-1099.

[33] 秦跃平，杨小彬，刘伟，等.采空区自然发火数值模拟[M].北京：煤炭工业出版社,2015.

[34] 刘世昉.陕北侏罗纪煤田榆神府区煤层自燃对煤质的影响[J].煤田地质与勘探，1988,2:27-31.

[35] 尚桂林.神木北部侏罗纪煤层自燃因素及其烧变特征[J].中国煤田地质，1990,2(1):25-29.

[36] 侯恩科，陈培亨.神府煤田煤层自燃研究[J].西南矿业学院学报，1993,2:137-142.

[37] 梁运涛，罗海珠.中国煤矿火灾防治技术现状与趋势[J].煤炭学报，2008,33(2):126-130.

[38] 刘元管.羊场湾煤矿易自燃厚煤层开采综合防灭火技术研究[D]西安：西安科技大学,2005.

[39] 芮国相，王玉怀，任建军，等.察哈素煤矿3号煤层自然发火标志性气体研究及其应用[J].华北科技学院学报，2015,112(2):20-24.

Analysis on Spontaneous Combustion of the Jurassic Coal Based on Low-temperature Oxidation

FENG Shan1, CHENG Gen-yin1, WANG Heng2

(1.NorthChinaInstituteofScienceandTechnology,Yanjiao, 101601,China;2.ChinaResourcesPowerHoldingsCo.,Ltd.,Shenzhen, 518000,China)

The Jurassic coal of NW China has huge recoverable reserves but large spontaneous combustion tendency.The mine fire prevention work of Jurassic coal falls behind Carboniferous-Permian coal mine in the east and north China. Therefore, understanding the status of fire prevention of Jurassic seam of Northwest Region is of great significance to establish research orientation of spontaneous combustion of Northwest Jurassic mines and develop the theoretical system of spontaneous combustion. The paper summarizes Jurassic coal rock features of NW China, describes in detail its low temperature oxidation characteristics of spontaneous combustion and promotes the existing spontaneous combustion model to the Jurassic coal seams. In the end, further researchon laboratory studies, numerical simulation and field practice of the Jurassic coal is recommended.

Jurassic coal; spontaneous combustion; low-temperature oxidation; Northwest China

2015-12-12

中央高校基本科研业务费资助(3142015058)；国家自然科学基金联合基金资助(U1361130)

冯山(1991-)，男，河南济源人，华北科技学院在读硕士研究生，研究方向：矿井瓦斯、火灾与粉尘安全防治技术。E-mail：fengshanhpu@163.com

TD75

A

1672-7169(2016)01-0033-06