蒙西侏罗纪煤层自燃机理参数测定分析研究_程根银.pdf

第 51 卷第 4 期 2020 年 4 月 Safety in Coal Mines Vol．51No．4 Apr． 2020 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 基金项目 国家自然科学基金联合基金资助项目 （U1361130） ； 国 家自然科学基金青年科学基金资助项目 （51804120） ； 中央高校基 本科研业务费资助项目 （3142018003， 3142018028） 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） 摘要 为了准确分析我国蒙西地区煤层自燃机理、 剖析煤炭自燃微观特性， 采用煤的工业分 析、 静态吸氧量以及程序升温实验方法， 研究煤中水分、 挥发分、 灰分、 耗氧量、 煤质有机气体等 生成速率对煤层自燃倾向特性的影响规律。与石炭纪煤样对比表明 侏罗纪煤层自燃倾向性与 煤样中的水分、 挥发分含量呈正相关， 而与灰分含量呈负相关； 侏罗纪煤样静态吸氧量均超过 0．70 cm3／g， 且高于石炭纪煤样； 约 130 ℃处始， 侏罗纪煤样 CO、 CO2生成速率分别为 0．08、 0．1 t/℃， CH4来源于煤体本身， 温度升高至 120 ℃生成 C2H6气体、 150 ℃时生成 C2H4气体， 低温氧化阶段 蒙西侏罗纪煤氧化复合作用更加剧烈。 关键词 侏罗纪煤层； 煤自燃氧化机理； 煤工业分析； 静态吸氧量； 程序升温 中图分类号 TD752．2文献标志码 A文章编号 1003－496X （2020 ） 04-0026-05 Determination and Analysis of Spontaneous Combustion Mechanism Parameters of Western Inner Mongolia Jurassic Coal Seam CHENG Genyin, REN Qiang, SI Junhong, WANG Yuhuai （School of Safety Engineering, North China Institute of Science and Technology, Sanhe 065201, China） Abstract To accurately analyze the spontaneous combustion mechanism of coal seams in western Inner Mongolia area of China and the microscopic characteristics of coal spontaneous combustion, Jurassic experimental coal samples and Carboniferous comparative coal samples were selected to reveal the moisture in coal through industrial analysis of coal, static oxygen uptake and temperature programmed experiments． The influence of water, volatiles, ash, oxygen consumption and coal organic gas generation rate on coal spontaneous combustion tendency was studied． After measuring and finishing, it is known that the spontaneous combustion tendency of the Jurassic coal seam is positively correlated with the moisture and volatile matter content in the coal sample, but negatively correlated with the ash content． The static oxygen uptake of Jurassic coal samples exceeded 0．70 cm3/g and was higher than that of Carboniferous coal samples． At about 130 C, the ation rates of CO and CO2in Jurassic coal samples were 0．08 t/C and 0．1 t/C, CH4is derived from the coal body itself, and the temperature rises to 120 C to generate C2H6, and 150 C precipitates C2H4． It indicates that the oxidation of the western Inner Mongolia Jurassic coal in the low -temperature oxidation stage is more severe． Key words Jurassic coal seam; coal spontaneous combustion oxidation mechanism; coal industry analysis; static oxygen uptake; programmed temperature rise DOI10．13347/j．cnki．mkaq．2020．04．006 程根银， 任强， 司俊鸿， 等．蒙西侏罗纪煤层自燃机理参数测定分析研究 ［J］ ．煤矿安全， 2020， 51 （4 ） 26-30． CHENG Genyin, REN Qiang, SI Junhong, et al． Determination and Analysis of Spontaneous Combustion Mechanism Parameters of Western Inner Mongolia Jurassic Coal Seam ［J］ ． Safety in Coal Mines, 2020, 51 （4） 26-30． 移动扫码阅读 26 ChaoXing Vol．51No．4 Apr． 2020 Safety in Coal Mines 第 51 卷第 4 期 2020 年 4 月 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。 2．2工业分析实验结果 煤样工业分析结果见表 1。 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 成煤时期 实验煤样 侏罗纪 大柳 塔矿 察哈素 矿 1 号 察哈素 矿 2 号 杨圪 楞矿 松树 滩矿 姚桥 煤矿 水分/g7．82914．08910．1340．9601．3251．950 挥发分/g 35．624 29．62430．482 19．8267．62911．837 灰分/g2．7799．8792．8363．7172．0409．216 固定碳/g 53．768 46．50956．548 75．497 89．00676．977 石炭纪 常村矿 2．933 10．245 12．725 74．097 表 1煤样工业分析结果 Table 1Industrial analysis results of coal samples 图 1TGA-2000 型全自动工业分析仪 Fig．1TGA-2000 automatic industrial analyzer 图 2煤工业分析流程 Fig．2Industrial analysis flow of coal 27 ChaoXing 第 51 卷第 4 期 2020 年 4 月 Safety in Coal Mines Vol．51No．4 Apr． 2020 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。 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 201042006 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。 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。 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、 成煤时代实验煤样吸氧量/ （cm3 g-1） 侏罗纪煤 大柳塔矿1．18 察哈素矿 1 号0．88 察哈素矿 2 号1．11 杨圪楞矿1．02 松树滩矿1．44 石炭纪 常村矿0．64 姚桥煤矿0．58 图 3ZRJ-1 型煤自燃倾向性测定仪 Fig．3ZRJ-1 coal spontaneous combustion liability tester 表 2静态吸氧量测定结果 Table 2Results of static oxygen uptake measurement 图 4煤低温氧化气体生成实验装置 Fig．4Experimental device for coal low-temperature oxidation gas generation 28 ChaoXing Vol.51No.4 Apr. 2020 Safety in Coal Mines 第 51 卷第 4 期 2020 年 4 月 图 6CH4、 C2H6和 C2H4产生速率随煤温变化曲线图 Fig.6Variation curves of production rates of CH4, C2H6and C2H4with coal temperature 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。 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。 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。 参考文献 ［1］ 曹健， 程根银， 牛振磊， 等．基于光纤传感技术的煤矿 图 5CO 和 CO2产生速率随煤温度变化曲线图 Fig.5Variation curves of CO and CO2production rates with coal temperature 29 ChaoXing 第 51 卷第 4 期 2020 年 4 月 Safety in Coal Mines Vol.51No.4 Apr. 2020 采空区温度探测应用研究 ［J］ ．内蒙古煤炭经济， 2016 （S3） 128－129． ［2］ 冯山．西北地区侏罗纪煤层采空区自然发火规律的数 值模拟研究 ［D］ ．北京 华北科技学院， 2016． ［3］ 余明高， 晁江坤， 贾海林．综放面采空区自燃 “三带” 的 综合划分方法与实践 ［J］ ．河南理工大学学报 （自然科 学版） ， 2013， 32 （2） 131－135． ［4］ 程根银， 周逸飞， 程宥， 等．蒙西侏罗纪煤差示扫描量 热试验及动力学研究 ［J］ ．中国煤炭， 2016， 42 （11） 91－95． ［5］ 程根银， 程宥， 曹健， 等．蒙西侏罗纪煤低温氧化红外 官能团分析 ［J］ ．华北科技学院学报， 2016， 13 （4） 88. ［6］ 程宥．内蒙古西部地区侏罗纪煤自燃氧化规律研究 ［D］ ．北京 华北科技学院， 2015． ［7］ 吴玉国．神东矿区综采工作面采空区常温条件下 CO 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