煤变质程度对煤自燃特性的影响

张九零，朱 定，朱 壮

(1.华北理工大学 矿业工程学院，河北 唐山 063200； 2.中车唐山机车车辆有限公司，河北 唐山 063009)

煤自燃不仅造成大量煤炭资源的消耗，还会造成严重的大气污染，导致地区生态环境恶化，更可能造成井下工作人员伤亡。同时由其引发的二次事故如爆炸等会对井下工作人员造成更大的伤害[1]。众多学者对煤自燃从多个方面进行了深入的研究，如周冬等[2]对采空区内煤自燃气体特征及产生规律进行了分析研究，得出不同变质程度煤升温曲线，以及升温过程中放出CO和CH4的速率；郝宇等[3-5]对不同瓦斯气氛下煤自燃特性进行分析，并对不同氧浓度下的煤低温氧化反应作了充分研究；许满贵等[4]通过 BET 吸附实验与程序升温研究，表明煤样的孔结构与煤样自燃反应性有一定的正相关关系；郭炜舟、李雪明等[6-7]就地温与碱性条件对煤自燃的影响规律进行研究，表明碱性水有抑制煤自燃的作用；郭亚军等[8]进行了风量对煤自燃极限参数影响的实验研究；刘宇帅[9]对不同变质程度煤自燃特性进行了实验研究，通过分析煤升温过程中CO、CO2、CH4浓度的变化，得出煤的自燃倾向性在一定程度上随煤的变质程度增高而降低；张辛亥等[10]基于活化能指标研究了不同变质程度煤的自燃倾向性，指出煤的变质程度越高其表面活化能越大，越不容易发生自燃；王彩萍等[11]通过红外光谱实验分析了多种不同变质程度的煤，揭示了煤氧化过程中微观结构变化与煤自燃倾向性的内在关系；谭波等[12]通过对不同变质程度烟煤的自燃极限参数进行了对比分析，低温放热阶段变质程度相对较低的煤耗氧速率较快，放热强度较高；刘文永等[13]通过升温实验对不同变质程度烟煤进行了研究，分析了变质程度与自燃特性之间的关系；周新华等[14]根据煤自燃机理的煤、氧复合理论，建立了鉴定煤自然发火倾向性影响因素的模糊综合评判新方法。笔者利用差示扫描量热仪(DSC)分别对5种不同变质程度煤自燃特性进行相关研究。差示扫描量热分析仪具有可定量测定多种动力学和热力学参数、高分辨能力、较宽的温度范围、高灵敏度、样品用量少等优点。该研究成果可为今后煤矿井下火灾的治理预防工作提供有力帮助，对保障井下正常的安全生产、保障人员安全具有十分重要的指导作用。

1 煤样选取与制备

煤的变质程度由高到低分别是无烟煤、烟煤(贫煤、瘦煤、焦煤、肥煤、1/3焦煤、气煤、弱黏煤、不黏煤、长焰煤)、褐煤。本实验选取5种不同变质程度的煤样，分别为常村无烟煤、范各庄肥煤、东欢坨气煤、内蒙古长焰煤、崔矿褐煤。将现场取得的新鲜煤样装入密闭塑料袋进行密封，在实验室分别将几种煤样剥去表面氧化层，然后用破碎机将试样破碎、筛分，得到粒径为0.048～0.147 mm(300～100目)煤样，每份煤样取30 g用于实验。按煤变质程度由高到低将常村无烟煤、范各庄肥煤、东欢坨气煤、内蒙古长焰煤、崔矿褐煤依次编号为1#、2#、3#、 4#、5#。

2 实验方案

实验条件控制：采用DSC200F3Maia®型差示扫描量热仪，实验温度范围25～400 ℃；试样量20 g;升温速率10 ℃/min；实验保护气体(保护气体是在进行实验时对差示扫描量热仪中的部件加以保护，从而达到抗氧化的目的)为氮气;输出压力为 0.04 MPa；流速为60～70 mL/min；实验所用的吹扫气1为氧气，流速为20.0 mL/min，吹扫气2为氮气，流速为80.0 mL/min；铝制小坩埚加盖扎孔处理;实验采用液氮冷却。

3 数据分析

3.1 热流差零值点分析

实验获得的热流差零值点及吸热峰峰值温度如表1所示。

表1 不同煤样热流差零值点及吸热峰峰值温度

热流差零值点：吸热速率与放热速率达到平衡时所对应的温度值点。由表1可知，1#常村无烟煤变质程度最高，在同等实验条件下，相比其他实验煤样其热流差零值点温度明显高出许多。随着煤的变质程度逐渐降低，热流差零值点随之降低并表现出良好的一致性。热流差零值点温度由高到低依次为：1#常村无烟煤、2#范各庄肥煤、3#东欢坨气煤、4#内蒙古长焰煤、5#崔矿褐煤。

3.2 吸热峰峰值温度分析

吸热峰峰值温度表示吸热速率达到最大值时所对应的温度值。经过升温实验(10 ℃/min)得到 5种不同煤样的吸热峰峰值温度。由表1可知，在相同升温速率条件下，随着煤样的变质程度不断降低，其吸热峰峰值温度呈现出先升高、再降低、最后又升高的趋势。4#内蒙古长焰煤吸热峰峰值比变质程度更高的3#东欢坨气煤的吸热峰峰值低。总体上吸热峰峰值温度随着变质程度降低呈现出升高的态势。

3.3 吸、放热速率分析

差式扫描量热实验结果如图1所示，图中曲线离开基线(虚线)的位移表示吸热或放热速率。

图1 差式扫描量热实验结果

由图1可知,进入吸热阶段，煤样迅速吸热，然后吸热速率缓慢增加，5#崔矿褐煤变质程度最低，吸热速率增长最快，吸热速率最高，达到吸热峰值后吸热速率迅速下降，下降速度也最快;1#常村无烟煤变质程度最高,吸热速率最低;2#范各庄肥煤、3#东欢坨气煤、4#内蒙古长焰煤吸热速率相差不大。在 160～220 ℃内，煤样达到热流差零值点，随着温度继续升高，煤样先后进入到放热阶段，放热速率先逐步加快后趋于平缓。在220～300 ℃时，3#东欢坨气煤放热速率增长最快，放热速率也最大；其他煤样放热速率由快到慢依次为5#崔矿褐煤、4#内蒙古长焰煤、2#范各庄肥煤、1#常村无烟煤；除3#东欢坨气煤放热速率最大外，其他煤样表现出变质程度越低放热速率越高。在300～400 ℃时，2#范各庄肥煤放热速率仅次于3#东欢坨气煤，放热速率由高到低依次为3#东欢坨气煤、2#范各庄肥煤、5#崔矿褐煤、4#内蒙古长焰煤、1#常村无烟煤。

3.4 综合分析

在煤样加热到80～130 ℃时，煤样分别先后达到吸热峰峰值温度，变质程度越高吸热峰峰值温度越低。随着煤样温度升高，在160～220 ℃内，煤样先后达到热流差零值点，表明煤变质程度越高热流差零值点越高。随着实验温度的增加，煤逐渐达到放热阶段，放热速率也在不断地升高。3#东欢坨气煤放热速率增长最快，2#范各庄肥煤次之。在220～300 ℃ 时，放热速率由高到低依次为3#东欢坨气煤、5#崔矿褐煤、4#内蒙古长焰煤、2#范各庄肥煤、1#常村无烟煤。大体上看，变质程度越低，煤样的放热速度越快。在300～400 ℃时，煤的放热速率呈现出异向性，其中3#东欢坨气煤煤样DSC曲线下降趋势最快，表明其放热速率相对其他煤样最大，其他4个煤样对应的曲线斜率较小，放热速率增长较慢。

4 结论

1)同等条件下，变质程度越高的煤样，热流差零值点温度越高，零值点出现越晚，表明变质程度越高的煤越不容易发生自燃。

2)低温氧化时，变质程度越高的煤样，吸热峰峰值温度越低，吸热速率越低。煤自燃后，煤体将会快速释放热量，放热速率先逐渐加快，后趋于平缓，大体上看变质程度高的煤放热速率较低。

3)1#至5#煤样热流差零值点温度与吸热峰峰值温度之间差值分别为133.6、106.8、83.9、77.2、48.0 ℃，煤的变质程度越高，其热流差零值点温度与吸热峰峰值温度之间差值越大。