煤自燃倾向性测试方法研究现状

徐帅，张茜，吴磊，胡浩

（山东科技大学安全与环境工程学院 山东 青岛 266590）

0 引言

煤是十八世纪以来人们使用的主要能源之一，在我国生产和消费的一次能源中煤炭约占74%。当前，随着科技的发展，原煤产量也在快速增长。截至2018 年底，我国共有煤矿5 800 个左右，煤炭产量达到35 亿t，同比增长5.2%。据统计，我国25 个主要产煤省区内的130 多个大中型矿区均出现不同程度的煤自燃发火，其中40 个大中型矿井煤层自燃发火异常严重。全国657 处重点矿井中，54.9%的矿井有煤层自燃发火倾向，最短发火期小于3 个月的矿井数量占50%以上。此外，煤自燃还会产生大量的SO2、H2S、CO 和CO2等气体，不仅对环境造成危害，严重时还会造成人员的伤亡。因此对煤自燃的防治研究越来越受到广大学者们的重视[1]。

1 中国国内煤自燃研究现状

中国国内对煤自燃理论和防治技术的研究起步都较晚，因此对煤自燃倾向性的测试方法及分类标准的研究还十分薄弱。目前我国采用色谱吸氧法，将煤的物理吸氧量作为划分煤自燃倾向性的标准[2]。

色谱吸氧法是将煤样经过处理后，在N2氛围下去除水分，通入浓度为99.99%以上的氧气，使煤样在一定条件下吸附氧，然后将通入的氧气立刻切换为氮气，脱附煤表面的氧，利用仪器里面的热导检测器，检测出氮气流中的含氧量。通过测试 1g 干煤在常温（30℃）、常压（101325Pa）下的物理吸氧量并结合煤中挥发分和硫元素的含量作为划分煤自燃倾向性的主要指标。但是色谱吸氧法只反映了煤在30℃时的物理吸附特性，却忽略了煤自燃过程中最为主要的化学反应阶段，测试结果能否反映出煤的自燃倾向性现已受到国内学者的普遍质疑。

2 国外煤自燃研究现状

目前，国际上没有统一的煤自燃倾向性的测试标准，不同的国家和地区使用不同的方法。世界上的主要产煤国家早期使用马切雅什法（双氧水法），着火点温度降低值法，现在主要采用绝热氧化法、交叉点温度法和活化能等方法对煤自燃倾向性进行研究和鉴定[3]。

2.1 马切雅什法（双氧水法）

马切雅什法是以煤样经双氧水（过氧化氢H2O2）处理时的升温速度和产生的热量作为煤自燃倾向性的划分标准。易于自燃的煤样，在温度达到50℃后反应温度迅速上升，最后可达到90℃以上；然而，不易自燃的煤样在实验开始后，温度上升几度或十几度以后，温度开始下降。但是该方法主要的缺陷是在测试过程中放热不仅包括煤的氧化产热，还有H2O2热解产热，同时对含硫较高的煤样其测试指标偏高。

2.2 着火点温度降低值法

着火点温度降低值法是指在原煤样及其氧化样、还原样中分别装入适量的固体氧化剂亚硝酸钠，充分研磨后分别倒入玻璃试管内，置于加热电炉中进行升温，测试其试样的爆炸温度。根据不同变质程度煤的氧化样品与比还原样品着火温度的降低值来进行煤自燃倾向性判定，其差值越大，煤的自然倾向性越大，其差值不随氧化剂变化而变化。但是该方法存在着部分煤样不爆而无法进行分类，实验所用的化学试剂对人体有害等缺点。

2.3 绝热氧化法

该方法是使环境对煤的氧化升温影响尽量降低，将煤样放在反应容器内来模拟煤自热的升温过程。绝热氧化得到的煤升温的温度-时间（T-t）曲线，即模拟煤自燃的过程曲线。根据该基本曲线，煤自燃研究工作者就采用不同的指标来对煤自燃倾向性进行分类，如最低自热温度（SHT）和煤自热升温速率（R70） 等。1970 年澳大利亚的ACIRL 通过使用绝热氧化法测量了煤在40～70℃之间的平均自热速率（R70） 来测试煤自燃的难易程度，如美国、加拿大、英国、澳大利亚等国主要采用R70 指标来划分煤自然倾向性。绝热氧化法实际上是一种模拟煤自燃过程的方法，但是由于绝热条件不好且低温氧化过程中产热太小，通常只有几到几十毫瓦/克（mw/g）， 导致在很多时候并不能使煤体温度上升，或者异常缓慢，造成实验时间较长，甚至给实验带来困难或者失败[5]。

2.4 交叉点温度法

交叉点温度法始于20 世纪初，将煤样放置于程序升温炉内的煤样罐中，以一定的速率进行升温，分别在炉子内部和煤样罐的中心位置放置温度探头，由于煤与氧气反应放热使得煤样升温速率加快，因此，在某一温度值，煤样温度必会超过环境温度，通过观测煤样的升温曲线和环境升温曲线交叉时的温度值（Crossing Point Testing，CPT）来划分煤自燃倾向性，确定的交叉点温度值越高，煤就越不易自燃。交叉点温度法方法广泛应用于印度、南非、土耳其、新西兰等国家。但是该方法的结果容易受到环境的变化而改变，对实验条件具有依赖性，另外部分CPT 结果相同的煤样，其自然倾向性也会有很大的不同[6]。

2.5 活化能法

活化能是指煤与氧气发生反应所需要的最小能量，将实验计算出的活化能称之为实验活化能或者表观活化能。1993 年，波兰国家标准规定，分别在237℃和190℃两种温度下测试煤的氧化升温速率，并根据计算所得活化能的大小划分煤自燃倾向性。活化能法的测试时间较长，且仅能反映煤在较高温度阶段的特性[7]。

3 结语

尽管目前的测试方法和指标有很多，但是仍存在较大的局限性。原因主要有：①煤自燃的关键阶段是低温阶段，但是部分指标且只能反映煤在较高温度阶段的特性。②很多指标是一种间接的测试指标，比如色谱吸氧法仅以煤的物理吸附特性来判定煤自燃倾向，却忽略了煤自燃过程中最为主要的氧化性。③煤自燃是一个非线性动态发展的过程，某一温度点或者某一阶段并不能够代替一个过程。因此，开发一种能够反映全过程且测试简便的方法对于测试煤的自燃倾向性具有重要意义。