不同变质程度煤自燃特性实验研究

刘宇帅

（1.山东科技大学 矿山灾害预防控制—省部共建国家重点实验室培育基地，山东 青岛 266590；2.山东科技大学 矿业与安全工程学院，山东 青岛 266590）

煤炭在我国的一次能源消费中占国民经济的主导地位，在未来相当长的一段时间内，以煤炭为主化石能源的消费结构很难被取缔[1]。在煤矿生产过程中，煤的自燃不仅威胁了井下工作人员的生命安全，还造成了资源的大量浪费[2]。煤自然发火是由于煤与氧接触时发生化学吸附和化学反应放出热量，当放出热量大于散发的热量时，煤温上升而导致发火，对煤矿的安全生产带来很大威胁[3-4]。国内外学者对煤自然发火进行了大量研究。彭本信[5]对不同变质程度的8种煤样进行了实验，在实验过程中利用红外光谱及热分析对不同变质程度煤进行测定，认为在低温氧化时，低变质程度的煤比高变质程度的煤放热量更大，比高变质程度的煤更容易自然发火；K.Markova[6]等通过研究得出亮煤在氧化过程中的活化能高于镜煤；Krishnaswamy[7-9]等通过建立煤在低温氧化过程中的动力模型，对煤样在不同粒度、不同湿度条件下的氧化升温速率进行了解释；舒新前[10]通过对煤在低温氧化原因及机理进行研究，认为在低温氧化阶段丝碳会吸收大量氧，并释放大量的热，从而更易导致煤的自燃。煤的低温氧化过程可反应煤的自燃倾向性，因此对不同变质程度煤样进行低温氧化升温实验，探明不同变质程度煤的自燃倾向性。

1 煤低温氧化升温实验设计

选取程序升温实验装置进行实验，优势在于：它可以极大地缩短实验周期（一般1个试样的实验周期为1 d，约为煤自然发火实验周期的1%以下）；同时可以大大减少实验用样量（约为煤自然发火实验用样量的0.5‰）；另外该实验还具有可重复性强的特点。

1.1 实验煤样及系统装置

实验所选3种不同地区变质程度不同的煤样，分别为长焰煤、不黏煤、气煤。将原始煤样破碎，并选取 40～80 目（180～380 μm）粒径的煤粒，各取 200 g 2份煤样分为3组，为实验样品标号为：长焰煤A1、长焰煤 A2，不黏煤 B1、不黏煤 B2，气煤 C1、气煤 C2。

实验装置主要由供气装置、升温装置、气相色谱组成，程序升温实验装置示意图分析装置如图1。

1.2 实验过程

图1 程序升温实验装置示意图

将3组煤样装入煤样罐，分别进行实验，实验设计初始温度为 30 ℃，A1、B1、C1组通入 O2浓度为21%；A2、B2、C2为临界温度对照组，通入 100%N2；煤温每升高5℃，升高炉温5℃，同时收集1次气体，煤温升到100℃停止升温，将各温度气体导入气相色谱仪中，对临界温度及煤温与CO、CO2、CH4等的关系进行分析。其中煤温由煤样罐内的温度探头测定控制板显示，气相色谱仪将收集的气体测定后峰值输入电脑，此后计算浓度。

2 自燃升温特性交叉点温度及气体参数结果分析

2.1 临界温度

利用温度探头显示的数据，结合交叉点温度法绘制的温度变化曲线如图2。

由图2（a）～图2（c）长焰煤、不黏煤、气煤在21%供氧条件下与100%氮气条件下的升温曲线相对比，在达到临界温度之前实验煤样和对比煤样均随时间的推移，温度呈线性增加。达到临界温度后线性斜率增大，可得出临界温度点分别为：64.79℃（长焰煤）、69.86℃（不黏煤）、71.23℃（气煤），因此，可初步判断自燃倾向性：长焰煤＞不黏煤＞气煤，变质程度越低，其自燃倾向性越强，更易发生自燃。

2.2 气体生成规律

2.2.1 CO浓度变化规律

由气相色谱仪导出的气体峰值经转换计算得出的CO变化规律如图3。

在升温初期由于3种煤样内均含有一定少量CO，CO生成在该基础上进行。如图3（a），长焰煤煤样温度在50℃之前，随着煤温的升高，CO浓度基本无变化；温度50～60℃之间，CO浓度呈缓慢增长趋势；温度达到60℃之后，CO浓度呈指数型增长，此2个浓度变化节点分别为256×10-6（50℃）、366×10-6（60℃）。如图3（b），不黏煤在50℃之前，随着煤温的升高，CO浓度略有增加；50℃之后CO浓度开始呈指数型增长，在浓度变化节点其浓度为80×10-6（50℃）。如图3（c），气煤于 55℃之前，CO浓度平缓，甚至有少许降低趋势；温度为55～70℃之间，CO浓度开始缓慢增加；在70℃之后呈指数型增长，2个浓度变化节点的浓度为 33×10-6（55℃）、112×10-6（70℃）。

经分析，3种煤样变质程度最低的长焰煤CO浓度变化温度更低，且CO生成浓度变化最大，不黏煤CO浓度变化时，节点浓度比气煤更高，因此可知，变质程度对煤自燃倾向具有影响，变质程度越低，煤更易自燃。

2.2.2 CO2浓度变化规律

图2 温度变化曲线

CO2浓度变化曲线如图4。如图4（a），长焰煤于45℃CO2浓度开始出现增长，随后随温度的升高，浓度变化非常大，温度到达100℃时CO2浓度为124 383×10-6；如图4（b），不黏煤于 45 ℃CO2开始浓度增长变化，温度到达100℃时CO2浓度为37 524×10-6；如图4（c），气煤于 65 ℃CO2浓度开始出现明显增长变化，温度到达100℃时CO2浓度为8 320×10-6。由此可知，3种氧化程度不同，生产的CO2浓度有较大差异，氧化程度随变质程度的降低而升高，因此，变质程度越低，煤更易氧化，发生自燃。

2.2.3 CH4浓度变化规律

图3 CO浓度变化曲线

CH4浓度变化曲线如图5。3种煤样升温初期都存在CH4，为煤体吸附瓦斯。升温前期，气煤CH4浓度变化时温度较低，但后期虽实验温度的升高，到达100℃时气煤CH4生成浓度与其他2组长焰煤、不黏煤相比较，气煤生成CH4浓度更小；长焰煤与不黏煤比较可看出，长焰煤CH4浓度初始变化温度比不黏煤低，并且后期CH4产生浓度比不黏煤高。因此，长焰煤更易氧化生成CH4浓度也更高，可以认为煤的变质程度越低，其氧化自燃倾向性越强。

3 结论

1）通过对不同变质程度煤的程序升温特性实验，对煤样的临界温度采用交叉点温度法进行绘制分析，煤样的临界温度随煤变质程度升高而升高，分别为：64.79℃（长焰煤）、69.86℃（不黏煤）、71.23℃（气煤），煤的氧化自燃倾向随煤的变质程度的降低而升高。

图4 CO2浓度变化曲线

2）对程序升温实验过程中3种煤样产生的CO、CO2、CH4浓度随温度的变化绘制曲线，对节点温度的浓度进行比较，得出煤的变质程度越低，氧化升温反应过程产生的CO、CO2、CH4浓度越大，氧化自燃倾向性越强。

3）针对不同变质程度煤的氧化自燃倾向性进行了分析，测定了温度变化及气体成分浓度的变化情况，可为不同变质程度煤的自燃预测提供理论参考。

图5 CH4浓度变化曲线