大同矿区侏罗系/石炭系双系煤的热重性能研究

庞叶青 史波波 张 奇 王仲伟

(1.大同煤矿集团有限公司通风处，山西省大同市，037003；2.中国矿业大学安全工程学院，江苏省徐州市，221116)

大同矿区内侏罗系与石炭系双系煤层赋存，其中侏罗系煤层赋存深度较浅，距地表约为240～350 m；而石炭系煤层赋存较深，为400～800 m。随着开采深度的增加，优质的侏罗纪煤系储量逐步减少，开采逐渐向石炭系煤系转移，并已成为大同矿区高产高效主体煤层。以年产千万吨特大型矿井同忻煤矿为例，同忻井田区域内上覆有同家梁、大斗沟、忻州窑等侏罗系矿井，双系煤炭共存，间距一般在150～200 m。矿井的安全高效生产面临以下问题及难题：煤自燃是大同矿区面临的主要问题之一，石炭系和侏罗系煤层在成煤年代、煤自燃属性、煤层赋存条件等方面都存在较大的差异；需要对双系煤层进行协同考虑，尤其是随着开采阵地逐渐向石炭系煤系转移，侏罗系/石炭系双系特厚煤层相互影响，给矿井火灾的预测、防控提出了新的问题与挑战。因此，需要进一步对比分析煤的自然发火特性与指标，为矿井的防灭火工作超前布置提供决策，保障矿井的高效安全生产。

煤自燃倾向性的鉴定是矿井防灭火技术与措施的重要基础[1]。因此，煤自燃倾向性的科学鉴定具有非常重要的现实意义[2-3]，但是，由于煤本身结构的复杂性以及自燃过程的复杂性，国内外至今还没有公认统一、标准化的鉴定方法和指标[4]。目前，相关领域的专家、学者主要通过交叉点温度法、着火点法、静态/动态吸氧法、DSC法等测定方法研究煤的自燃倾向性及关键指标[5]。除此以外，煤自燃还可以通过宏观动力学进行表征，如：刘剑等运用动力学模型对煤进行热重性能试验，确定了煤的自燃氧化动力学，得出了自然发火期[6]；张斌等研究了褐煤自燃特性热重性能试验及氧化燃烧动力学特征，得出了褐煤的自燃倾向性[7]；孙福龙等运用热重性能分析了煤样活化能，并进行了基于活化能的煤的自燃倾向性研究[8]。基于此，本文对大同矿区侏罗系/石炭系双系煤的热重性能进行研究。

1 煤自燃活化能的氧化动力学求解方法

根据气体分子运动理论，发生化学反应的前提条件是反应物分子之间发生有效碰撞[9]，活化能即为活化分子具有的最低能量Ec与平均能量Ea的差值，一般采取表观活化能[10]来描述。煤与氧反应的表达式可表示为[11]：煤+O2→mCO2+gCO+其他产物，可用公式(1)来表示煤的氧化反应速度：

(1)

式中：t——反应的时间；

A——前因子；

E——表观活化能；

R——摩尔气体常数；

T——反应的热力学温度；

α——煤自燃氧化反应过程中的转化率；

f(α)——煤氧化自燃反应的数学函数；

W——t时刻的未反应的煤样重量；

W始、W终——研究过程的始末状态煤样重量。

引入程序设定的升温速率β：

(2)

将式(2)代入式(1)，可得到：

(3)

将式(3)两侧分别在0～α和T0～T之间积分，得：

(4)

式中：T0——初始温度。

由于起始反应T0温度较低，反应速率很小(可忽略不计)，则式(4)可变换为：

(5)

(6)

式中：g(α)——f(α)的积分函数。

煤氧复合反应属于一级化学反应[13]，f(α)表示为[14]：

将式(8)代入式(6)中，可得：

由ln[-ln(1-α)/T2]对1/T作图，得到直线的斜率-E/R，即为煤自燃氧化反应的活化能E，转化率α将通过下述的热重试验来获取。

2 基于热重试验的煤自燃特性研究

2.1 试验条件

试验仪器采用帕克林姆(PerkinElme)公司生产的TGA-4000，试验样品选取大同矿区6个煤矿的煤样，即侏罗系煤层的忻州窑矿、晋华宫矿、四台矿，石炭系煤层的塔山矿、同忻矿和同发东周窑矿的煤样，煤样的工业分析见表1，筛分至80目以下，样品质量20 mg左右，以O2、N2为载气，流量分别为20 mL/min、80 mL/min，采用空气进行试验模拟，升温速率设置为15℃/min，温度区间设置为50℃～900℃。

表1 大同矿区典型矿井煤样的工业分析汇总 %

2.2 试验结果与分析

通过热重性能试验，可得到各煤样的TG曲线。以同发东周窑矿煤样的TG和DTG曲线为例，如图1所示。由图1可以看出，煤样首先由于失去水分而失重，T1是煤样失水至质量最低点时对应的温度，此时DTG数值为0。紧接着，煤样开始吸附氧气，吸氧量增加但进一步氧化释放出气体的产物速率相对较小，故煤样重量出现缓慢增加的现象。当温度升高到T2值时，煤样开始较快的失重过程，并经过煤样的着火点温度T3。当温度升至T4时煤样燃烧速率最大，表现为DTG曲线的峰值。此后，煤样继续燃烧，直至燃烧结束，煤样的质量不再发生变化。T5是燃烧完成，质量开始不变的温度。各试验煤样特征温度如表2所示。

图1 同发东周窑矿试验煤样的TG/DTG曲线

结合表1及表2可以看出：T1和T2值还与煤样的水分、灰分有密切的关系。煤样的水分越大，T1和T2越大。这主要是因为升温前期，能量需要将煤样中的水分蒸发，之后才能进入大范围的煤氧复合时期。煤样灰分越大，T1和T2也越大。这是因为灰分含量越大，固定碳含量越小，这样煤-氧复合的能力就较差，煤样吸氧量、干裂温度T1均受影响而响应减小。这样就造成了石炭系矿井塔山、同忻煤样的干裂温度T1和质量极大值温度T2与侏罗纪矿井煤样的温度相差不大。

表2 大同矿区试验煤样的特征点温度

3 煤样各特征阶段的活化能解算

煤的热重性能试验表明，煤的自燃氧化燃烧过程大致可以分为失水失重阶段(初始温度～T1)、氧化增重阶段(T1～T2)、缓慢燃烧阶段(T2～T3)、剧烈燃烧阶段(T3～T5)4个阶段，这4个阶段对应的活化能并不相同。以同发东周窑矿煤样为例，煤的第一阶段——失水失重阶段的活化能求解如图2(a)所示，拟合曲线方程y=-1827.7x- 6.9946，R2=0.9229，E=15.20 kJ，氧化增重、缓慢燃烧、剧烈燃烧阶段的分别见图2(b)～(d)，拟合曲线方程分别为：y= -9980.9x+3.3499，R2= 0.9583，E=82.98 kJ；y=-23496x+14.619，R2= 0.9641，E=195.35 kJ；y=-16741x+2.8078，R2=0.9207，E=139.18 kJ。

分析本试验的试验数据，并与试验煤样自然发火历史、自然资料等进行对比，对比结果见表3。由表3可以看出，缓慢燃烧阶段活化能越小，煤样越容易自燃。

基于着火活化能的指标，可以反映出煤在自燃氧化过程中自燃倾向性的大小，用以揭示煤炭自燃的本质特征。在其他条件基本相同的情况下，煤样的活化能与其挥发分含量有关，煤样中挥发分越低，其活化能越大，反之越小。

由表3可以看出，侏罗纪矿井忻州窑、晋华宫、四台各特征阶段的活化能均小于石炭系矿井塔山、同忻、同发东周窑各特征阶段的活化能，这也与各煤样工业分析指标数据及现场生产实际相对应。

图2 同发东周窑矿煤样ln[-ln(1-α)/T2]～1/T关系图

表3 活化能解算数据 kJ

4 结论

随着开采深度的增加，大同矿区优质的侏罗纪煤系储量逐步减少，开采逐渐向石炭系煤系转移，并已成为大同矿区高产高效主体煤层。对大同矿区典型矿井的双系特厚煤层煤自燃灾害进行深入研究，对比分析石炭系-侏罗系双系煤的自燃特性的差别。通过试验分析得到的结论可为井下制定防灭火措施、选择阻化剂种类等提供一定依据，对煤矿防灭火工作具有重要意义。

(1)选取的大同矿区煤样在400℃左右质量变化很小，从400℃左右开始煤样氧化燃烧反应剧烈，质量急剧减小，煤样进入较快的失重阶段，且随着挥发分的增加，煤样的特征温度值不断减小。干裂温度T1、质量极大值温度T2与煤样的水分Mad和灰分Aad有着密不可分的关系。

(2)因水分Mad、灰分Aad以及挥发分Vad等含量的不同，忻州窑、晋华宫、四台矿的侏罗纪煤样相比塔山、同忻、同发东周窑的石炭系煤样的各特征温度低20℃～100℃。

(3)侏罗纪矿井忻州窑、晋华宫、四台各特征阶段的活化能均小于石炭系矿井塔山、同忻、同发东周窑各特征阶段的活化能，这与各煤样工业分析指标数据及现场生产实际相对应。通过对比分析发现，大同矿区侏罗系的煤自燃危险性相对于石炭系更高。