煤样自然发火及温升特性测试研究

陆凯 刘东 尹彬

摘 要：煤炭自燃在我国煤矿开采的过程中是重要难题和主要灾害，尤其是在较浅埋藏、容易自燃的煤层综采放顶煤回采过程中煤炭自燃时有发生。通过绝热氧化法和程序升温法在对工作面煤层温升特性和氧化气体随温度的变化规律进行测试分析的基础上，得出了气体浓度随温度的变化趋势，分析了煤氧化温度与气体产物的特性。CO的生成量在低温氧化阶段较小，煤温达到90 ℃之后其生成量迅速增加，CO的生成表明该煤层中的煤发生了氧化反应，C2H4的生成说明了该煤层的煤温超过了110 ℃，C2H2的生成则表明该煤层的煤温已经达到了至少200 ℃以上，因此，在开采的过程中要采取积极的防火和灭火措施。

关键词：煤炭自燃 绝热氧化 程序升温 指标气体

中图分类号：TD752.1 文献标识码：A 文章编号：1674-098X（2015）09（b）-0035-02

采空区是煤矿井下较易发生煤自燃的区域之一[1-2]，据统计，我国有重点煤矿采空区内发生的煤自燃占煤自燃发生总数的60%[3]。所以，对工作面采空区的自燃规律进行研究和分析，可以有效地、有针对性地采取切实可行的防火和灭火措施。不仅大大地提高了综采工作面生产的安全性，而且也尽可能地降低了综采工作面的防灭火费用及减少由于自燃发火所造成的损失，具有重要的经济和社会意义。煤层自然发火基础特性的测试研究是掌握火源分布规律、制定治理方案的前提基础。该文选取同煤大斗沟矿煤业有限公司4号煤层煤样作为测试煤样，对其自燃发生的难易程度、自热氧化温升特性和氧化气体产物生成规律进行了分析研究，以全面掌握煤自然发火特性以及规律。

1 自燃倾向性鉴定

煤的自燃倾向性，即煤自燃难易程度，是煤低温氧化性的体现，是煤的内在属性之一。煤的自燃倾向性与煤的氧化能力和氧化过程释热强度有关。易于氧化且在氧化过程释放热量多的煤自燃倾向性就强，也就易于自燃。煤自燃倾向性仅仅是煤的氧化性和热释放强度的问题，与影响煤自燃的条件如聚热环境、风速、空气湿度和空气中的氧气浓度等都没有关系[4]。煤自燃倾向性是煤矿防灭火等级划分的唯一依据，并且所有防灭火技术与措施都建立在煤自燃倾向性鉴定基础之上[5]。

1.1 测试仪器

采用ZRJ—1型煤自燃性测定仪器进行自燃的测定，该仪器是根据煤自燃倾向性色谱吸氧鉴定法的要求而研制出来的鉴定仪器。该仪器所利用的原理是利用双气路流动色谱法，测定煤炭在低温时可以吸附流态氧的特性，在限定条件下对吸氧量值进行测定，然后对煤自燃倾向性进行分类。

1.2 测试流程

实验按照《煤自燃倾向性色谱吸氧鉴定法》GB/T 20104-2006规定进行。

1.3 测试结果

按照上述实验过程对所取煤样进行实验。测得煤样的30 ℃物理吸氧量和自燃倾向性结果如表1所示。

2 煤自燃氧化温升特性

煤绝热氧化实验主要由绝热氧化装置以及温度采集系统两个部分组成的，绝热氧化装置的目的是使得热损失达到最小，温度采集系统则可以实时在线采集煤的温度。

（1）煤样选取。

煤样选取后，必须进行密封储存，然后运送到实验室进行分析。采样前要先去掉煤样的表面氧化层，然后，将煤样破碎成为0.18～0.38 mm煤粒，称取100 g，在环境温度为35 ℃的条件下进行空气干燥，以此煤样作为实验煤样。

（2）绝热氧化實验。

将80 g经过空气干燥测试的煤样放入绝热煤样罐内进行保存，首先与气路和温度传感器相连接，向煤样罐中通入氮气，以此来检查装置的密闭性，然后将箱内温度控制在50 ℃恒温，对煤样干燥24 h，目的是消除煤低温氧化过程中所形成的外在水分对煤氧化产热的影响。干燥以后，在氮气保护下使煤样温度降低到实验起始温度40 ℃并稳定，然后马上将氮气切换为氧气，并将温度控制箱内的温度改为0 ℃跟踪控制，同时，启动数据采集系统采集煤样的温度，并对环境温度进行监测。

3 煤氧化温度与气体产物特性

通过上述方法和步骤对试样进行绝热氧化实验，随着温度的升高，煤样中有不同的气体生成。

3.1 实验原始数据（见表2）

3.2 气体浓度随温度的变化趋势

对采集面煤样实验的过程中可以发现，煤样中气体的生成情况其浓度是随时间而进行变化的，具体的变化趋势如图1、图2所示。

3.3 指标气体分析

由图1、图2分析可以发现，煤样从40 ℃到200 ℃的温度范围内，其氧化过程中规律性地产生了CO、CO2、CH4、C2H6、C3H8和C2H4气体，在该温度范围内，此煤样并没有生成C2H2气体。而CO、CO2和CH4是在30℃的时候就开始产生，CH4的生成量相对较小，这是因为在煤样采集以后，放置的时间过长，煤样本身吸附的CH4散发了出来。CO在低温氧化的时候生成量比较小，但是超过90 ℃后其生成量呈现迅速增加的趋势，这表明此时煤样已经开始迅速地氧化，物理吸附的作用越来越弱，而相反地，化学吸附和化学反应越来越强。C2H6和C3H8在低温氧化的时候就出现，但浓度不大；C2H4出现稍晚，110 ℃以后出现且浓度很小。C2H2在40 ℃到200 ℃的温度范围内没有出现，表明当温度高于200 ℃的时候它从才会出现，C2H2的产生也说明了煤样已经发生了剧烈的化学反应。综上所述，在采集煤样时，应该以CO作为指标性气体，C2H6、C3H8、C2H4、C2H2作为辅助气体来掌握煤炭自燃的情况；CO的生成表明该煤层中的煤发生了氧化反应，C2H4的生成说明了该煤层的煤温超过了110 ℃，C2H2的生成则表明该煤层的煤温已经达到了至少200 ℃以上，因此，在开采的过程中要采取积极的防火和灭火措施。

4 结语

（1）通过对煤样煤质的分析结合煤样自燃倾向性实验测试数据得出该煤层自然发火等级为二级属于自燃煤层，研究了煤的氧化升温特性，得到了4号煤自燃临界温度为70.4 ℃，在煤温达到临界温度后自燃进入加速氧化阶段。

（2）在实验室对煤样进行程序升温控制测试，得出了气体浓度随温度的变化趋势，分析了煤氧化温度与气体产物的特性，并结合实际情况得出了在采集煤样时，应该以CO作为指标性气体，C2H6、C3H8、C2H4、C2H2作为辅助气体来掌握煤炭自燃的情况；CO的生成表明该煤层中的煤发生了氧化反应，C2H4的生成说明了该煤层的煤温超过了110℃，C2H2的生成则表明该煤层的煤温已经达到了至少200 ℃以上，因此，在开采的过程中要采取积极的防火和灭火措施。通过对煤样的实验室研究得出了煤自然发火特性的基础参数，为采区积极的防灭火措施提供了数据支持。

参考文献

[1] 尹彬.均压防灭火技术在苏海图煤矿的应用研究[D].阜新：辽宁工程技术大学，2013.

[2] 贾宝山，尹彬，林立峰，等.堵漏技术在无煤柱开采防火中的应用[J].火灾科学， 2012，21（1）：35-39.

[3] 王德明.矿井火灾学[M].徐州：中国矿业大学出版社，2008.

[4] 秦书玉，赵书田，张永吉，等.煤矿井下内因火灾防治技术[M].沈阳：东北大学出版社，1993.

[5] 张榜雄，魏锦平.综放采场自然发火防治技术及实践[M].北京：煤炭工业出版社，2008.