易自燃煤层静态吸氧量影响因素实验研究

周煜博，问荣峰

(1.山西潞安集团余吾煤业有限责任公司，山西 长治 046100；2.华能煤业有限公司，北京 100070)

我国是矿井火灾比较严重的国家之一，有煤炭自燃的矿井占矿井总数的56%，有自然发火危险煤层占累计可采煤层数的60%，煤炭自燃而引起的火灾占矿井火灾总数的85%～90%，而其中采空区煤自燃又占据内因火灾的60%[1，2]。实验煤层煤的吸氧量为0.99cm3/g干煤，自燃倾向性等级为Ⅰ类易自燃。工作面煤层最厚达7m，而最大采高为5.5m，因此，工作面在开采过程中不可避免的产生遗煤，形成自然发火隐患。而该煤层的最短自然发火期为37d，从而加剧了采空区自燃的危险程度，因此需对易自燃煤层采空区的发火机理、煤层氧化特征等进行研究。煤氧复合学说认为煤炭自燃是由于其具有吸附空气中氧的特性，包括表面吸附及化学吸附，在吸附过程中还伴随有煤与氧的化学反应，从而产生相当的热量导致自燃[3]，国内外对煤低温氧化的研究成果众多[4-8]。煤发生氧化开始于其表面的反应，而其发生的基础条件就是对于氧气的吸附，吸附量与煤的表面性质和孔隙结构有关。根据煤氧化合理论，煤在低温下，吸氧能力越强，表示其化学活动性越强，则自燃的可能性愈大[9]。因此，本文根据煤样物理吸附过程，研究煤体粒度、温度及孔隙结构等因素对静态吸氧量的影响，为煤层自然发火的预测和防治提供借鉴[10-17]。

1 实验方法

煤样采自易自燃煤层，煤种长焰煤煤种，属不粘煤(BN31)和少量长焰煤(CY41)。在国土资源实物地质资料中心岩矿测试实验室进行了煤样工业分析，测试数据如下：挥发分为34.32%，真相对密度为1.48，全水分为7.46%，灰分为3.75%，全硫为0.66%。

煤样制作：将煤样利用碎煤机破碎，利用煤样筛将煤样筛为6～7目、7～16目、16～18目、35～60目、70～80目共5组不同粒度的煤。采用手工方法将块煤粉碎成粒径为1.00～1.18mm和1.18～2.8mm两组不同粒径煤样，然后将煤样放入马弗炉中，恒温箱的温度从低到高设定5个点，分别是25℃、100℃、200℃、300℃、350℃。在第一个温度点25℃恒温2h，取出该温度下煤样立即放入干燥的煤样袋中，并密封好。再将恒温箱温度升到下一个温度点100℃，放入新的煤样，同样恒温2h取出装袋密封，如此下去制出不同氧化温度下的试验煤样。

实验方法：采用ZRJ-1型煤自燃倾向性测定仪对不同粒径的煤样进行静态吸氧量测试。称取煤样1g置于煤自燃倾向性测定仪内，吸附20min，再脱附2min得出实管峰面积，将煤样取出，吸附5min，脱附2min得出空管峰面积，通过计算实管峰面积及空管峰面积以及工业分析数据，得出煤样的静态吸氧量。

2 不同因素对煤吸氧量的研究分析

2.1 粒度对吸氧量的影响

针对5组不同粒度煤样的吸氧量进行实验，分别为6～7目、7～16目、16～18目、35～60目、70～80目，粒度越大其粒径越小，上述5组煤样对应粒径为2.80～3.35mm、1.18～2.80mm、1.00～1.18mm、0.25～0.50mm、0.18～0.212mm。煤样不同粒度与静态吸氧量的关系如图1所示。

图1 粒度与静态吸氧量的关系

分析发现，对于0.25～0.5mm，1.00～1.18mm、1.18～2.8mm以及2.80～3.35mm的煤样，静态吸氧量随煤样平均粒度增大而增加，而0.18～0.212mm煤样的吸氧量要比0.25～0.5mm煤样的吸氧量小。结果表明，随着粒度的增大，煤的吸氧量逐渐增大，这是由于随着煤粒度的增大，煤的比表面积越大，更容易与氧气接触，更有利于氧化反应的进行，因此自燃倾向性越大。当煤的粒度小到一定程度，达到70～80目时，氧气便难以进入煤体内部，影响煤的氧化反应。

2.2 温度对吸氧量的影响

选择7～16目和16～18目两种粒度煤样在不同在温度下的吸氧量，温度分别为常温和100℃、200℃、300℃、350℃，得出两种煤样的静态吸氧量测试结果，如图2所示。

图2 不同温度与静态吸氧量的关系

由实验结果可以看出，随着煤样加热温度的升高，煤样的吸氧量经历了先增加后减小的过程。25～100℃，温度升高造成煤样表面微孔增加，煤样表面不平整导致分形维数增加，反应在吸氧量上便是吸氧量的增加。100～350℃，由于煤温升高后煤中的焦质成分渗出使煤的孔隙表面粗糙度降低，煤的分形维数下降，同样吸氧量降低。

分形维数可采用气体吸附法中其中一种方法计算，即根据不同粒度范围将固体颗粒分类级，然后测出不同级别颗粒的Bruanuer-Emmett-Teller(BET)表面积，则分维Ds表示为[10]：

式中，S为每一级颗粒的比表面积；Dp为同一粒径范围内颗粒的平均粒径。

由式(1)可知，比表面积是确定分形维数的主要影响因素，两者呈正比关系，同时吸氧量的大小是根据煤样表面吸附水平来衡量的。由于16～18目煤样的粒度大于7～16目的粒度，所以16～18目煤样的比表面积大于7～16目的比表面积，分形维数更大，吸附性更强，因此在相同温度条件下，16～18目煤样的吸氧量都大于7～16目的吸氧量。

2.3 升温氧化过程中孔隙发育对吸氧量的影响

选择7～16目和16～18目两种粒度煤样，研究温度分别为常温和100℃、200℃、300℃、350℃时，孔隙的变化规律和不同孔隙发育程度对吸氧量的影响规律。

2.3.1 升温氧化过程中孔隙发育变化特征

1)孔隙体积、孔隙率随氧化温度的变化规律。氧化过程中孔隙体积、孔隙率随温度的变化曲线分别如图3、图4所示。由图3、图4可知煤的孔隙率及孔隙体积在常温(25℃)下的值为最小，不同目数的煤样变化趋势完全相同，在常温至350℃过程中，孔隙率及孔隙体积经历了先增大后减小再增大的过程。因不同目数的煤样变化趋势相同，故一起进行分析：常温至200℃的升温过程中，煤体发生缓慢氧化反应使得煤的孔隙数量快速增加，煤的孔隙结构发生改变。200～300℃孔隙率及孔隙体积减小是因为煤体孔隙结构发生变化，煤体发生软化、熔融，表现出塑性并生成胶质体，使得一些孔隙变小甚至关闭，另外煤的热收缩性也变的较为明显。这两个因素及氧化反应的发生综合作用导至孔隙率及孔隙体积下降。300～350℃氧化反应增强，气体析出量增加，孔隙率及孔隙体积趋于增加。比较不同目数的孔隙率及孔隙体积，16～18目的孔隙率及孔隙体积在不同温度下均大于7～16目的孔隙率及孔隙体积，分析认为颗粒小的煤更易发生氧化反应，故孔隙率及孔隙体积大于颗粒大的煤样。综上所述，不粘煤的孔隙率和总孔隙体积的变化严格受氧化温度的控制。且煤样颗粒越小，孔隙率和孔隙体积越大。

图3 氧化过程中孔隙体积随温度的变化曲线

图4 氧化过程中孔隙率随温度的变化曲线

2)孔隙体积的分布特征。煤样氧化过程中不同孔径孔隙体积分布(即微孔、过渡孔、中孔、大孔体积占孔隙总体积的百分比)随温度的演化规律如图5所示，主要从这2个角度分析孔隙体积的分布特征。由图5可知，不同目数的煤在25～200℃的氧化过程中，大孔及过渡孔占的比例略大，而在200～350℃的氧化过程中，大孔及中孔占的比例逐渐增大，占主导地位，过渡孔所占比例逐渐减小，不同目数的煤样微孔比例变化不大。

图5 氧化过程中不同孔径孔隙体积随温度的变化曲线

2.3.2 孔隙比表面积的变化特征

由于煤样孔隙的不确定性，所以很难通过控制孔隙大小这一单一变量来研究其对吸氧量的影响，因此通过研究孔隙与比表面积的关系，来间接反映孔隙发育与吸氧量的关系。

1)孔隙总比表面积随氧化温度的变化规律。升温氧化过程中孔隙比表面积随温度变化曲线如图6所示，不同目数煤的孔隙比表面升温氧化过程中表现出先增大后减小的趋势。25℃至100℃升温过程中，比表面积增大，吸附性能增强，渗透性下降。而100℃至350℃升温过程中，比表面积呈下降趋势，吸附性能下降，渗透性增强。

图6 氧化过程中总比表面积随温度的变化曲线

2)不同孔径孔隙比表面积的分布特征。孔隙比表面积百分比(亦称为孔隙比表面积分布)是指不同孔隙直径的孔，即微孔、过渡孔、中孔及大孔的比表面积占试样总孔隙比表面积的比例。升温氧化过程中不同孔径孔隙比表面积随温度的变化曲线如图7所示。由图7可知，不同目数的煤样，微孔和过渡孔是组成煤比表面积的主要孔隙，而中孔及大孔占的比例却很少。过渡孔比表面积占75%左右，微孔比表面积占15%左右，中孔比表面积仅占10%左右，而大孔比表面积占比几乎为0%。因此可推测过渡孔对吸氧量影响最大，微孔次之，中、大孔影响较小，但中孔和大孔仍然是孔隙体系的主要组成部分，微孔和过渡孔的体积比较小，但是有较大的内表面积，是构成煤比表面积的主要部分，但不是构成煤孔隙体积的主要组成部分。

图7 氧化过程中不同孔径孔隙比表面积随温度的变化曲线

3 结 论

1)易自燃煤层煤样静态吸氧量随平均粒度增大，呈现先增加后减少的规律。粒度为在6～60目之间时吸氧量呈指数增加，并在35～60目达到最大值，随后逐渐降低。

2)随着煤样加热温度的升高，煤样静态吸氧量先增加后减小。25～100℃，温度升高造成煤样表面微孔增加，吸氧量增加，100℃时到达最大，100～350℃，煤温升高渗出焦质成分使煤的孔隙表面粗糙度降低，吸氧量降低。

3)升温氧化过程中，中孔和大孔是煤孔隙体积的主要组成部分，但二者孔隙比表面积仅占10%，对吸氧量的影响较小；微孔和过渡孔比表面积占比分别为15%和75%，因此过渡孔对吸氧量影响最大，微孔次之，而且过渡孔在煤孔隙体积中比例较大，所以在预防采空区自然发火时需要针对这一方面做出有效措施。