蒙西侏罗纪煤层自燃机理参数测定分析研究

程根银，任 强，司俊鸿，王玉怀

（华北科技学院 安全工程学院，河北 三河 065201）

预防煤层自燃是煤炭开采行业要解决的根本问题之一，随煤矿开采逐步向深度拓展，自然发火灾害愈加严重[1]。其中，蒙西地区侏罗纪煤变质程度较低、可燃物质偏多，造成大量优质资源的损失，产生的毒害气体危害作业人员的健康和生命以及对环境的污染[2-3]；程根银等在该地区进行了实验红外光谱、官能团分析和差示扫描量热法，得出含氧官能团的释放对煤层自燃倾向性的促进影响，揭示侏罗纪煤在低温氧化过程下的表观活化现象[4-5]；程宥对蒙西地区煤自燃过程进行了宏观和微观参数测定，得出该地区煤层自燃氧化特性[6]；吴玉国等系统研究了神东矿区煤层的自燃特性，但缺少对比试验研究而缺乏说服力[7]；杨永良与李夏青选取了西北地区4 组以上侏罗纪煤样，在煤的基础参数和吸氧量测定中取得了相关研究结论[8-9]；王凯等对陕北地区侏罗纪煤样进行了系统实验研究，运用“理论分析+实验研究”法分析了陕北侏罗纪煤的理化性质，根据氧化过程的热分析动力学特征研究耗氧速率、气体产生率、放热强度等自燃特性参数的意义[10]。

煤低温氧化过程的实质是煤体表面上的各种活性分子、基团与氧气发生物理吸附、化学吸附和化学反应并产生热量[11-12]。煤的形成是多种有机物与无机物共同作用的结果，因此了解煤的自燃氧化规律需要充分理解煤组成成分特性。通过系列实验测定蒙西地区煤样理化性质，分析侏罗纪煤层自燃氧化特征参数，通过研究侏罗纪煤样氧化规律，为研判侏罗纪煤层自然发火隐患及防治工作提供依据。

1 煤层自燃特性参数

选取侏罗纪煤样和石炭纪对比煤样作为实验对象，其中侏罗纪煤样分别是：大柳塔矿5-2煤层煤样、察哈素煤矿4-2煤层2 组煤样、杨圪楞矿前坝二号井焦煤煤样以及松树滩煤矿124 工作面煤样；2组对比煤样是：姚桥矿石炭纪煤样与山西常村矿石炭纪煤样。实验煤样均为井下采出的新鲜煤样，未经喷水、注水等措施处理，并用多层塑料纸及尼龙袋密封包裹进行保存运输。

煤的自燃特性参数包括水分、挥发分、灰分、静态吸氧量以及 CO2、CO、CH4、C2H6、C2H4、C2H2等有机气体，通过以上参数的实验室测定，从而确定不同因素对煤层自燃倾向性的影响规律。

2 煤样工业分析

2.1 工业分析实验过程

采用TGA-2000 型全自动分析仪进行煤样工业分析，TGA-2000 型全自动工业分析仪如图1。煤工业分析实验流程如图2。分别称取煤样各100 g，将煤样升温至105 ℃时测定并记录水分含量；再升温至900 ℃时通入N2，并测定煤样挥发分；将温度调至845 ℃并保持恒定，通入N2后测定灰分含量；100 g 与以上3 个测量数据的差值则得到固定碳含量。

图1 TGA-2000 型全自动工业分析仪Fig.1 TGA-2000 automatic industrial analyzer

图2 煤工业分析流程Fig.2 Industrial analysis flow of coal

2.2 工业分析实验结果

煤样工业分析结果见表1。

表1 煤样工业分析结果Table 1 Industrial analysis results of coal samples

由表1 可知，大柳塔矿和察哈素矿煤样水分含量明显高于其他煤样，经过鉴定2 组煤样煤层为易自燃煤层；杨圪楞矿和松树滩矿煤样水分含量稍低于石炭纪煤样，事实上石炭纪煤样为不自燃煤层，由此表明侏罗纪煤样自燃倾向性与水分含量呈正相关。除松树滩无烟煤外，侏罗纪煤样中整体挥发分含量均高于石炭纪煤样，与选取煤样的整体变质程度较低相一致；一般情况下，热解产物量随煤样挥发分含量增加而增加，仅从挥发分分析，侏罗纪煤在自燃氧化阶段释放更多热量，自燃倾向性也更高。除察哈素矿1 号矿煤样外，侏罗纪煤样中的灰分普遍低于石炭纪煤样，属低灰煤乃至超低灰煤。侏罗纪煤样灰分含量低，表示可燃烧物质的比例偏高，说明煤在燃烧过程中单位放热量较高，升温速度更快，证明侏罗纪煤样具有更高的自燃倾向性。

3 煤样静态吸氧量分析

根据煤氧化复合理论[13]，煤在低温下化学活性随吸氧能力呈正相关，具有较高自燃倾向性；当煤样遇到充足的氧气与良好的蓄热条件时，煤氧复合作用产生的热量使得煤温持续上升，达到燃点时出现煤炭燃烧，因此通过测定煤的氧化过程中氧气消耗量可以预判煤的自燃倾向性。

3.1 煤样静态吸氧量实验方法

采用ZRJ-1 型煤自燃倾向性测定仪测定实验煤样的静态吸氧量，ZRJ-1 型煤自燃倾向性测定仪如图3。测定原理是运用朗格缪尔单分子层的吸附方程表达式与测定煤吸附流态氧的双气路色谱法相结合来测定吸氧量。

图3 ZRJ-1 型煤自燃倾向性测定仪Fig.3 ZRJ-1 coal spontaneous combustion liability tester

3.2 煤样静态吸氧量实验过程

分别称取各实验煤样100 g，要求全部煤样粉碎至 0.10～0.15 mm 粒级的煤粉占比为 65%～75%，再称1.0 g 分析煤样分别装入两端塞少量玻璃棉的4 支样品管内，接入试验仪器中以备测定。严格按照国标GB/T 20104—2006 煤自燃倾向性色谱吸氧鉴定法[14]操作要求，对蒙西侏罗纪煤样和石炭纪煤样进行低温氧化吸氧量测定实验，静态吸氧量测定结果见表2。

表2 静态吸氧量测定结果Table 2 Results of static oxygen uptake measurement

结果显示，侏罗纪煤样静态吸氧量普遍高于石炭纪煤样，大柳塔矿、察哈素矿和杨圪楞矿煤样挥发分大于18%，吸氧量大于0.70 cm3/g，按照煤自燃倾向性等级分类标准，属于容易自燃煤；松树滩矿煤样的全硫含量小于2.0%，则属于不燃煤层，无自燃倾向性，实验结果与现场实际相符合。

另外，自燃倾向性鉴定法表明煤氧吸附特性与其变质程度具有一致性，即自燃的可能性随着煤吸氧量呈现正相关。从实验结果中看出，大柳塔矿煤样的吸氧量最高，说明自燃倾向性最大，同时该煤样挥发分最高，属于7 组煤样中变质程度最低的长焰煤，表明2 组实验具有相同性。

4 煤样程序升温实验分析

在煤与氧复合过程中，标志性气体的种类与浓度随温度变化而呈现出一定规律性。分析煤在低温氧化过程中的产生规律，对研究煤自燃机理、确定煤自然发火倾向性以及煤自燃预报预测具有重要研究价值。

利用程序升温实验装置，结合气相色谱仪，分析蒙西侏罗纪煤样在低温氧化阶段（20～200 ℃）下气体生成速率随温度变化的关系。选取侏罗纪察哈素1 号矿与2 号矿、松树滩矿、杨圪楞矿以及石炭纪姚桥矿煤样作为研究对象，通过自然落锤法破碎并筛选粒径为 1.25～3.00 mm 的煤样，实验过程中设定升温速率为1 ℃/min、空气流量为100 mL/min。

4.1 煤样程序升温实验方法

煤低温氧化气体生成实验装置如图4。

图4 煤低温氧化气体生成实验装置Fig.4 Experimental device for coal low-temperature oxidation gas generation

利用空压机将空气送至煤自然发火模拟装置中，加热后从煤样罐进入，对煤样升温，再从顶部流出，束管监测系统在微机控制下抽取该气体，并送至气相色谱仪，测定 CO2、CO、CH4、C2H6、C2H4、C2H2、N2、O2等可能生成气体的含量，并自动保存结果。

4.2 煤样程序升温实验结果分析

实验中测定了各实验煤样在不同温度下的CO、CO2、CH4、C2H6、C2H4的浓度值，实验结果如下。

1）CO、CO2气体生成变化规律。CO 和 CO2产生速率随煤温度变化曲线图如图5。由图5 可以看出，130 ℃左右时侏罗纪煤样中CO 和CO2生成速率高于石炭纪煤样，说明侏罗纪煤样在低温氧化阶段的复合作用更加剧烈。侏罗纪煤的活性结构含量大于姚桥矿煤样，且大量参与到氧化反应中，是煤样复合作用在低温氧化阶段的主要反应类型。

图5 CO 和CO2 产生速率随煤温度变化曲线图Fig.5 Variation curves of CO and CO2 production rates with coal temperature

2）CH4、C2H6、C2H4气体生成变化规律。CH4、C2H6和C2H4产生速率随煤温变化曲线图如图6。温度升高过程中煤样逐渐释放烷烃、烯烃等气体，CH4最初来源于煤体赋存瓦斯，侧链和活泼基团随温度升高过程中，于 120 ℃附近产生 C2H6，于 150 ℃附近产生C2H4，未检测到C2H2。通过与石炭纪煤样气体生成情况对比得到，侏罗纪煤气体生成速率高于石炭纪煤样。

5 结 论

1）通过煤工业分析实验，将蒙西侏罗纪煤样分析结果与石炭纪成煤时期煤样进行对比，得出蒙西侏罗纪煤样高水分、高挥发分等对煤炭自燃具有促进作用，低灰分抑制煤的自燃。

图6 CH4、C2H6 和C2H4 产生速率随煤温变化曲线图Fig.6 Variation curves of production rates of CH4, C2H6 and C2H4 with coal temperature

2）通过静态吸氧量实验，得出蒙西侏罗纪煤样静态吸氧量普遍高于石炭纪煤氧，按照煤自燃倾向性国家标准划分，属于容易自燃煤，自燃倾向性较大，需要采取相关措施予以预防。

3）蒙西侏罗纪煤样各标志性气体的生成量、产生速率高于石炭纪，且温度变化时间亦早于石炭纪，蒙西侏罗纪煤种活性基团被氧化侧链等各类活性官能团活性相对较高，相应地造成侏罗纪煤样在低温氧化阶段的复合作用更加剧烈，放热量更大。