大同礦區侏羅系/石炭系雙系煤的熱重性能研究

龐葉青 史波波 張 奇 王仲偉

(1.大同煤礦集團有限公司通風處，山西省大同市，037003；2.中國礦業大學安全工程學院，江蘇省徐州市，221116)

大同礦區內侏羅系與石炭系雙系煤層賦存，其中侏羅系煤層賦存深度較淺，距地表約為240～350 m；而石炭系煤層賦存較深，為400～800 m。隨著開采深度的增加，優質的侏羅紀煤系儲量逐步減少，開采逐漸向石炭系煤系轉移，并已成為大同礦區高產高效主體煤層。以年產千萬噸特大型礦井同忻煤礦為例，同忻井田區域內上覆有同家梁、大斗溝、忻州窯等侏羅系礦井，雙系煤炭共存，間距一般在150～200 m。礦井的安全高效生產面臨以下問題及難題：煤自燃是大同礦區面臨的主要問題之一，石炭系和侏羅系煤層在成煤年代、煤自燃屬性、煤層賦存條件等方面都存在較大的差異；需要對雙系煤層進行協同考慮，尤其是隨著開采陣地逐漸向石炭系煤系轉移，侏羅系/石炭系雙系特厚煤層相互影響，給礦井火災的預測、防控提出了新的問題與挑戰。因此，需要進一步對比分析煤的自然發火特性與指標，為礦井的防滅火工作超前布置提供決策，保障礦井的高效安全生產。

煤自燃傾向性的鑒定是礦井防滅火技術與措施的重要基礎[1]。因此，煤自燃傾向性的科學鑒定具有非常重要的現實意義[2-3]，但是，由于煤本身結構的復雜性以及自燃過程的復雜性，國內外至今還沒有公認統一、標準化的鑒定方法和指標[4]。目前，相關領域的專家、學者主要通過交叉點溫度法、著火點法、靜態/動態吸氧法、DSC法等測定方法研究煤的自燃傾向性及關鍵指標[5]。除此以外，煤自燃還可以通過宏觀動力學進行表征，如：劉劍等運用動力學模型對煤進行熱重性能試驗，確定了煤的自燃氧化動力學，得出了自然發火期[6]；張斌等研究了褐煤自燃特性熱重性能試驗及氧化燃燒動力學特征，得出了褐煤的自燃傾向性[7]；孫福龍等運用熱重性能分析了煤樣活化能，并進行了基于活化能的煤的自燃傾向性研究[8]。基于此，本文對大同礦區侏羅系/石炭系雙系煤的熱重性能進行研究。

1 煤自燃活化能的氧化動力學求解方法

根據氣體分子運動理論，發生化學反應的前提條件是反應物分子之間發生有效碰撞[9]，活化能即為活化分子具有的最低能量Ec與平均能量Ea的差值，一般采取表觀活化能[10]來描述。煤與氧反應的表達式可表示為[11]：煤+O2→mCO2+gCO+其他產物，可用公式(1)來表示煤的氧化反應速度：

(1)

式中：t——反應的時間；

A——前因子；

E——表觀活化能；

R——摩爾氣體常數；

T——反應的熱力學溫度；

α——煤自燃氧化反應過程中的轉化率；

f(α)——煤氧化自燃反應的數學函數；

W——t時刻的未反應的煤樣重量；

W始、W終——研究過程的始末狀態煤樣重量。

引入程序設定的升溫速率β：

(2)

將式(2)代入式(1)，可得到：

(3)

將式(3)兩側分別在0～α和T0～T之間積分，得：

(4)

式中：T0——初始溫度。

由于起始反應T0溫度較低，反應速率很小(可忽略不計)，則式(4)可變換為：

(5)

(6)

式中：g(α)——f(α)的積分函數。

煤氧復合反應屬于一級化學反應[13]，f(α)表示為[14]：

將式(8)代入式(6)中，可得：

由ln[-ln(1-α)/T2]對1/T作圖，得到直線的斜率-E/R，即為煤自燃氧化反應的活化能E，轉化率α將通過下述的熱重試驗來獲取。

2 基于熱重試驗的煤自燃特性研究

2.1 試驗條件

試驗儀器采用帕克林姆(PerkinElme)公司生產的TGA-4000，試驗樣品選取大同礦區6個煤礦的煤樣，即侏羅系煤層的忻州窯礦、晉華宮礦、四臺礦，石炭系煤層的塔山礦、同忻礦和同發東周窯礦的煤樣，煤樣的工業分析見表1，篩分至80目以下，樣品質量20 mg左右，以O2、N2為載氣，流量分別為20 mL/min、80 mL/min，采用空氣進行試驗模擬，升溫速率設置為15℃/min，溫度區間設置為50℃～900℃。

表1 大同礦區典型礦井煤樣的工業分析匯總 %

2.2 試驗結果與分析

通過熱重性能試驗，可得到各煤樣的TG曲線。以同發東周窯礦煤樣的TG和DTG曲線為例，如圖1所示。由圖1可以看出，煤樣首先由于失去水分而失重，T1是煤樣失水至質量最低點時對應的溫度，此時DTG數值為0。緊接著，煤樣開始吸附氧氣，吸氧量增加但進一步氧化釋放出氣體的產物速率相對較小，故煤樣重量出現緩慢增加的現象。當溫度升高到T2值時，煤樣開始較快的失重過程，并經過煤樣的著火點溫度T3。當溫度升至T4時煤樣燃燒速率最大，表現為DTG曲線的峰值。此后，煤樣繼續燃燒，直至燃燒結束，煤樣的質量不再發生變化。T5是燃燒完成，質量開始不變的溫度。各試驗煤樣特征溫度如表2所示。

圖1 同發東周窯礦試驗煤樣的TG/DTG曲線

結合表1及表2可以看出：T1和T2值還與煤樣的水分、灰分有密切的關系。煤樣的水分越大，T1和T2越大。這主要是因為升溫前期，能量需要將煤樣中的水分蒸發，之后才能進入大范圍的煤氧復合時期。煤樣灰分越大，T1和T2也越大。這是因為灰分含量越大，固定碳含量越小，這樣煤-氧復合的能力就較差，煤樣吸氧量、干裂溫度T1均受影響而響應減小。這樣就造成了石炭系礦井塔山、同忻煤樣的干裂溫度T1和質量極大值溫度T2與侏羅紀礦井煤樣的溫度相差不大。

表2 大同礦區試驗煤樣的特征點溫度

3 煤樣各特征階段的活化能解算

煤的熱重性能試驗表明，煤的自燃氧化燃燒過程大致可以分為失水失重階段(初始溫度～T1)、氧化增重階段(T1～T2)、緩慢燃燒階段(T2～T3)、劇烈燃燒階段(T3～T5)4個階段，這4個階段對應的活化能并不相同。以同發東周窯礦煤樣為例，煤的第一階段——失水失重階段的活化能求解如圖2(a)所示，擬合曲線方程y=-1827.7x- 6.9946，R2=0.9229，E=15.20 kJ，氧化增重、緩慢燃燒、劇烈燃燒階段的分別見圖2(b)～(d)，擬合曲線方程分別為：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。

分析本試驗的試驗數據，并與試驗煤樣自然發火歷史、自然資料等進行對比，對比結果見表3。由表3可以看出，緩慢燃燒階段活化能越小，煤樣越容易自燃。

基于著火活化能的指標，可以反映出煤在自燃氧化過程中自燃傾向性的大小，用以揭示煤炭自燃的本質特征。在其他條件基本相同的情況下，煤樣的活化能與其揮發分含量有關，煤樣中揮發分越低，其活化能越大，反之越小。

由表3可以看出，侏羅紀礦井忻州窯、晉華宮、四臺各特征階段的活化能均小于石炭系礦井塔山、同忻、同發東周窯各特征階段的活化能，這也與各煤樣工業分析指標數據及現場生產實際相對應。

圖2 同發東周窯礦煤樣ln[-ln(1-α)/T2]～1/T關系圖

表3 活化能解算數據 kJ

4 結論

隨著開采深度的增加，大同礦區優質的侏羅紀煤系儲量逐步減少，開采逐漸向石炭系煤系轉移，并已成為大同礦區高產高效主體煤層。對大同礦區典型礦井的雙系特厚煤層煤自燃災害進行深入研究，對比分析石炭系-侏羅系雙系煤的自燃特性的差別。通過試驗分析得到的結論可為井下制定防滅火措施、選擇阻化劑種類等提供一定依據，對煤礦防滅火工作具有重要意義。

(1)選取的大同礦區煤樣在400℃左右質量變化很小，從400℃左右開始煤樣氧化燃燒反應劇烈，質量急劇減小，煤樣進入較快的失重階段，且隨著揮發分的增加，煤樣的特征溫度值不斷減小。干裂溫度T1、質量極大值溫度T2與煤樣的水分Mad和灰分Aad有著密不可分的關系。

(2)因水分Mad、灰分Aad以及揮發分Vad等含量的不同，忻州窯、晉華宮、四臺礦的侏羅紀煤樣相比塔山、同忻、同發東周窯的石炭系煤樣的各特征溫度低20℃～100℃。

(3)侏羅紀礦井忻州窯、晉華宮、四臺各特征階段的活化能均小于石炭系礦井塔山、同忻、同發東周窯各特征階段的活化能，這與各煤樣工業分析指標數據及現場生產實際相對應。通過對比分析發現，大同礦區侏羅系的煤自燃危險性相對于石炭系更高。