川东地区煤自燃危险指标及极限参数

邓 军，任帅京，任立峰，王彩萍，李青蔚

(1.西安科技大学 安全科学与工程学院，陕西 西安 710054；2.西安科技大学 陕西省煤火灾害防治重点实验室，陕西 西安 710054)

0 引 言

中国是世界上主要产煤国家之一，在未来的一段时间内，煤炭依旧是支撑国民经济发展的主要能源[1-3]。随着煤炭需求的增加，煤炭开采的力度逐渐增大，导致矿井事故也越来越多。其中煤自燃是引起矿井火灾的主要原因，不仅会造成环境污染和资源浪费，而且严重威胁矿井生产安全[4-5]。据统计，由于煤自燃而造成的经济损失每年约百亿元[6]。

煤炭自燃的主要根源在于煤低温氧化。当煤与氧接触时，低温氧化反应则开始进行，此过程是一个不可逆的放热反应，会产生热量，从而促进煤自燃的发生[7]。因此，不论从矿井安全的角度，还是从资源和环境的角度考虑，煤的低温氧化都备受关注。邓军等采用煤自燃程序升温装置研究了3种煤样在氧化升温过程中的自燃倾向性，通过分析煤低温氧化表观活化能，揭示了3种煤样自燃倾向性产生差异的原因[8]。高玉龙等分析了5种煤样的低温氧化内在特性，研究了煤氧化升温过程中的临界温度[9]。秦红星等通过研究煤的低温氧化特性，提出了不同温度阶段的标志气体，建立了煤温与气体浓度之间的关系式[10]。ZHAO等测试了干燥样品的自热特征，分析了水分含量，粒度和气体流速对煤低温氧化特性的影响[11]。WANG等研究了煤的耗氧特性以及氧化产物，揭示了煤低温氧化反应机理[12]。戴广龙采用顺磁共振与低温氧化相结合的实验方法，研究了4种不同变质程度煤样的自由基和气体变化规律，揭示了煤低温氧化特性[13]。陆伟等测试了不同氧化温度条件下煤内部结构的变化，得到了煤中含氧基团随温度的变化特征[14]。梁运涛等对3个煤样进行了低温氧化测试，根据传热传质和热力学理论建立了可以用来描述煤低温氧化的数学模型[15]。ZHANG等基于煤的低温氧化过程中元素发生的变化，研究了煤低温氧化动力学和热力学特征，探讨了煤自燃的机理[16]。许涛等分析了煤样在不同氧化温度下CO随温度的变化，建立了温度与CO浓度之间的函数模型，揭示了煤低温氧化的分段特性[17]。

以上主要针对不同变质程度煤样的氧化特性进行研究，而对于同一地区煤样的低温氧化特性研究较少。因此，以川东地区煤样为研究对象，利用程序升温装置研究了煤样在低温氧化过程中气体浓度以及放热强度的变化规律，研究结果对于评价川东地区煤的自燃倾向具有重要意义。

1 煤样处理及实验方法

实验煤样分别来自川东地区的白腊坪、柏林、斌郎、铁山南、金刚、小河嘴及中山矿井煤层工作面。实验前，分别破碎并筛选出5种粒径(0～0.9，0.9～3，3～5，5～7，7～10 mm)范围的煤样，取每种粒径范围的煤样各200 g，组成1 000 g混合均匀的煤样，将制备好的煤样保存在自封袋中。

实验装置采用煤自燃程序升温实验台，该装置主要由箱体、煤样罐、配气系统以及色谱组成。首先将制备好的煤样放在样品罐中，随后将样品罐放入升温箱中进行升温。实验的通气量和升温速率分别设置为120 mL/min和0.3 ℃/min，煤温每升高10 ℃对产生的气体进行分析，记录煤样从30～170 ℃范围内的气体变化。实验条件见表1。

2 试验结果及分析

2.1 耗氧速率和放热强度

耗氧速率可以表征煤与氧的反应强度，放热强度则反映了煤自发产热的总体能力，可以通过公式(1)和(2)[18-19]计算获得耗氧速率和放热强度，如图1，图2所示。

(1)

q=ΔH[VO2(T)-VCO(T)-VCO2(T)]+ΔHCOVCO(T)+ΔHCO2VCO(T)

(2)

表1 各组煤样的实验条件Table 1 Experimental conditions of coal samples

图1 耗氧速率随温度的变化Fig.1 Change of oxygen consumption rate with temperature

图2 放热强度随温度的变化Fig.2 Change of exothermic intensity with temperature

从图1，图2可知，随着温度升高，每个矿井煤样的耗氧速率的变化规律与放热强度的变化规律完全一致，在80 ℃之前耗氧速率和放热强度的变化较小，在80 ℃后，二者随温度的升高以指数形式增大。在80 ℃之前，由于温度较低，煤主要发生物理和化学吸附，煤与氧的化学反应较弱，导致耗氧速率和放热强度变化不明显。随着温度的进一步升高，煤样获得了更多地能量，煤结构中原本不易发生反应的基团逐渐被激活，使得参与反应的活性基团种类和数量逐渐增多[20]，煤与氧的化学反应增强，宏观表现为煤样的耗氧速率和放热强度快速增大。放热强度反应了煤氧化放热的总能力，是煤发生自燃的内在特征。中山矿煤样最易与氧发生反应，斌郎矿煤样与氧反应最弱，其余煤样的氧化活性从大到小依次为：小河嘴矿，铁山南矿，白腊坪矿，金刚矿，柏林矿。

2.2 CO和CO2的变化规律

CO，CO2浓度以及CO/CO2随温度的变化规律分别如图3，图4所示。

图3 CO和CO2浓度随温度的变化Fig.3 CO and CO2 concentrations as a function of temperature

从图4可以看出，CO和CO2比值随着温度升高逐渐增加。在30～80 ℃范围内，二者的比值增加比较缓慢，超过80 ℃之后，比值以近似线性增长。在80 ℃之前，由于CO和CO2浓度的变化都不明显，导致CO和CO2比值增加比较缓慢。随着温度逐渐升高，煤与氧的反应增强，对氧气的消耗逐渐增大，使得氧气供给不足，CO的产生量逐渐增多，导致CO和CO2比值快速升高。通过对各矿井煤样CO和CO2比值进行拟合，得到式(3)

y=A+B1x+B2x2+B3x3

(3)

式中y为CO和CO2比值；A，B1，B2和B3分别为拟合参数；x为煤温，℃。

从式(3)可以看出，煤温与CO和CO2的比值有着很好对应关系，可以较好的反映煤与氧的反应程度。比率指标受空气或煤层气影响较小，能够区别于其他排放源。因此，CO和CO2比值可以作为川东地区煤炭自燃预测的主要指标。

图4 CO/CO2随温度的变化Fig.4 Change of CO/CO2 with temperature

2.3 CH4，C2H6和C2H4的变化规律

CH4，C2H6和C2H4随温度的变化如图5所示。

图5 CH4，C2H6和C2H4随温度的变化Fig.5 Change of CH4，C2H6 and C2H4 with temperature

从图5可知，CH4，C2H6和C2H4浓度随温度升高逐渐增大。从图5(a)可知，不同矿井的煤样随氧化温度升高CH4产生量的差异性逐渐增大，同一温度下CH4产生量从大到小的顺序为：柏林矿，中山矿，金刚矿，小河嘴矿，白腊坪矿，斌郎矿，铁山南矿。煤样中的CH4主要来源于吸附和游离的CH4以及高温热解产生的CH4。在开始升温时各矿井的煤样就产生了CH4气体，表明各矿井煤层中本身含有CH4气体，随着温度升高原始CH4气体发生解吸。从CH4产生量可以看出，柏林矿煤样中CH4气体的赋存量最多，铁山南矿的赋存量最少。从表2可以看出，白腊坪矿、柏林矿、金刚矿、小河嘴矿以及中山矿的煤样在较低温度下就有C2H6气体产生，表明这些矿井煤样中原本赋存有一定量的C2H6气体，随着温度的增大逐渐发生解吸。斌郎矿和铁山南矿井煤层中没有赋存C2H6气体，所以在低温下没有产生C2H6气体。随着温度的进一步升高，煤与氧的化学反应逐渐增强，导致煤样内部结构发生不同程度的裂解和断裂，从而产生大量的CH4，C2H6和C2H4气体。C2H4气体的产生表明了煤内部结构中的侧链发生断裂，并且发生氧化反应，煤样进入快速氧化阶段。从C2H4气体产生的起始温度可以看出，斌郎矿、铁山南矿以及金刚矿煤样相对比较稳定，在较高温度下才会发生裂解。从上述分析可知，川东地区煤层中没有赋存C2H4气体，C2H4气体是煤分子结构在高温作用下裂解的产物，因此，C2H4气体可以作为川东地区煤自燃预测的标志性气体。

表2 C2H6和C2H4产生的起始温度Table 2 Initial temperatures for C2H6 and C2H4 generation ℃

2.4 煤自燃极限参数

煤自燃是由外部条件和内在自燃属性共同决定的，外部条件指能够引起煤自燃一些必要条件，主要包括：上限漏风强度、下限氧体积分数以及最小浮煤厚度等。只有同时满足外部环境中的氧浓度大于下限氧浓度、松散煤体厚度大于最小浮煤厚度以及漏风强度小于上限漏风强度3个条件时，煤才会发生自燃[19]。上述3个极限参数可以通过如下公式计算

(4)

Cmin=

(5)

(6)

依据实验条件下的漏风强度(0.025 5 cm3/(cm2·s))，计算出各矿井煤样的最小浮煤厚度如图6(a)所示。选择7个矿井煤样的最小浮煤厚度最大值计算煤样的下限氧体积分数和上限漏风强度，如图6(b)和(c)所示。

图6 极限参数随温度的变化Fig.6 Variation of limit parameters with temperature

从图6 可知，最小浮煤厚度和下限氧体积分数变化趋势一致，随着温度的升高，二者先增大后逐渐降低，上限漏风强度则先降低后升高。各个矿井煤样的极限参数的最值都分布在60～85 ℃温度范围内，与煤自燃临界温度比较相近。在临界温度之前，煤与氧主要发生物理和化学吸附，复合反应较弱，从而煤氧化放热较少，导致向环境散热量大于氧化放热量。因此，随着温度的升高，上限漏风强度逐渐降低，下限氧体积分数和最小浮煤厚度逐渐升高。随着温度升高，煤与氧的复合作用增强，煤与氧化学反应产生的热量逐渐增大，使得氧化产热量大于向环境散热量，导致上限漏风强度逐渐升高，下限氧体积分数和最小浮煤厚度逐渐降低。通过对各矿井煤样极限参数随温度的变化进行分析，可得出最小浮煤厚度、下限氧体积分数及上限漏风强度最值所在范围分别为：112～144 cm，12%～17%和0.024～0.041 cm/s，为防治川东地区煤自燃提供理论指导。

3 结 论

1)每个矿井煤样的放热强度变化规律与耗氧速率的变化规律一致。通过对比各矿井煤样的放热强度和耗氧速率，可以得出，中山矿煤样最易与氧发生反应，斌郎矿煤样与氧反应最弱，其余煤样的氧化特性由大到小依次为：小河嘴矿，铁山南矿，白腊坪矿，金刚矿，柏林矿。

2)通过分析低温氧化过程中气体产物的变化特征，发现川东地区煤层中没有赋存C2H4气体，C2H4气体是煤在高温作用下裂解的产物，以及CO和CO2比值与煤温有着很好变化规律。因此，CO和CO2比值和C2H4气体可以作为川东地区煤自燃预测预报的主要指标。

3)通过对各矿井煤样极限参数进行计算分析，得出川东地区矿井的最小浮煤厚度、下限氧体积分数以及上限漏风强度最值所在范围分别为：112～144 cm，12%～17%和0.024～0.041 cm/s，其中白腊坪矿最容易满足自燃条件。