煤自燃傾向性測試方法研究現狀

徐帥，張茜，吳磊，胡浩

（山東科技大學安全與環境工程學院 山東 青島 266590）

0 引言

煤是十八世紀以來人們使用的主要能源之一，在我國生產和消費的一次能源中煤炭約占74%。當前，隨著科技的發展，原煤產量也在快速增長。截至2018 年底，我國共有煤礦5 800 個左右，煤炭產量達到35 億t，同比增長5.2%。據統計，我國25 個主要產煤省區內的130 多個大中型礦區均出現不同程度的煤自燃發火，其中40 個大中型礦井煤層自燃發火異常嚴重。全國657 處重點礦井中，54.9%的礦井有煤層自燃發火傾向，最短發火期小于3 個月的礦井數量占50%以上。此外，煤自燃還會產生大量的SO2、H2S、CO 和CO2等氣體，不僅對環境造成危害，嚴重時還會造成人員的傷亡。因此對煤自燃的防治研究越來越受到廣大學者們的重視[1]。

1 中國國內煤自燃研究現狀

中國國內對煤自燃理論和防治技術的研究起步都較晚，因此對煤自燃傾向性的測試方法及分類標準的研究還十分薄弱。目前我國采用色譜吸氧法，將煤的物理吸氧量作為劃分煤自燃傾向性的標準[2]。

色譜吸氧法是將煤樣經過處理后，在N2氛圍下去除水分，通入濃度為99.99%以上的氧氣，使煤樣在一定條件下吸附氧，然后將通入的氧氣立刻切換為氮氣，脫附煤表面的氧，利用儀器里面的熱導檢測器，檢測出氮氣流中的含氧量。通過測試 1g 干煤在常溫（30℃）、常壓（101325Pa）下的物理吸氧量并結合煤中揮發分和硫元素的含量作為劃分煤自燃傾向性的主要指標。但是色譜吸氧法只反映了煤在30℃時的物理吸附特性，卻忽略了煤自燃過程中最為主要的化學反應階段，測試結果能否反映出煤的自燃傾向性現已受到國內學者的普遍質疑。

2 國外煤自燃研究現狀

目前，國際上沒有統一的煤自燃傾向性的測試標準，不同的國家和地區使用不同的方法。世界上的主要產煤國家早期使用馬切雅什法（雙氧水法），著火點溫度降低值法，現在主要采用絕熱氧化法、交叉點溫度法和活化能等方法對煤自燃傾向性進行研究和鑒定[3]。

2.1 馬切雅什法（雙氧水法）

馬切雅什法是以煤樣經雙氧水（過氧化氫H2O2）處理時的升溫速度和產生的熱量作為煤自燃傾向性的劃分標準。易于自燃的煤樣，在溫度達到50℃后反應溫度迅速上升，最后可達到90℃以上；然而，不易自燃的煤樣在實驗開始后，溫度上升幾度或十幾度以后，溫度開始下降。但是該方法主要的缺陷是在測試過程中放熱不僅包括煤的氧化產熱，還有H2O2熱解產熱，同時對含硫較高的煤樣其測試指標偏高。

2.2 著火點溫度降低值法

著火點溫度降低值法是指在原煤樣及其氧化樣、還原樣中分別裝入適量的固體氧化劑亞硝酸鈉，充分研磨后分別倒入玻璃試管內，置于加熱電爐中進行升溫，測試其試樣的爆炸溫度。根據不同變質程度煤的氧化樣品與比還原樣品著火溫度的降低值來進行煤自燃傾向性判定，其差值越大，煤的自然傾向性越大，其差值不隨氧化劑變化而變化。但是該方法存在著部分煤樣不爆而無法進行分類，實驗所用的化學試劑對人體有害等缺點。

2.3 絕熱氧化法

該方法是使環境對煤的氧化升溫影響盡量降低，將煤樣放在反應容器內來模擬煤自熱的升溫過程。絕熱氧化得到的煤升溫的溫度-時間（T-t）曲線，即模擬煤自燃的過程曲線。根據該基本曲線，煤自燃研究工作者就采用不同的指標來對煤自燃傾向性進行分類，如最低自熱溫度（SHT）和煤自熱升溫速率（R70） 等。1970 年澳大利亞的ACIRL 通過使用絕熱氧化法測量了煤在40～70℃之間的平均自熱速率（R70） 來測試煤自燃的難易程度，如美國、加拿大、英國、澳大利亞等國主要采用R70 指標來劃分煤自然傾向性。絕熱氧化法實際上是一種模擬煤自燃過程的方法，但是由于絕熱條件不好且低溫氧化過程中產熱太小，通常只有幾到幾十毫瓦/克（mw/g）， 導致在很多時候并不能使煤體溫度上升，或者異常緩慢，造成實驗時間較長，甚至給實驗帶來困難或者失敗[5]。

2.4 交叉點溫度法

交叉點溫度法始于20 世紀初，將煤樣放置于程序升溫爐內的煤樣罐中，以一定的速率進行升溫，分別在爐子內部和煤樣罐的中心位置放置溫度探頭，由于煤與氧氣反應放熱使得煤樣升溫速率加快，因此，在某一溫度值，煤樣溫度必會超過環境溫度，通過觀測煤樣的升溫曲線和環境升溫曲線交叉時的溫度值（Crossing Point Testing，CPT）來劃分煤自燃傾向性，確定的交叉點溫度值越高，煤就越不易自燃。交叉點溫度法方法廣泛應用于印度、南非、土耳其、新西蘭等國家。但是該方法的結果容易受到環境的變化而改變，對實驗條件具有依賴性，另外部分CPT 結果相同的煤樣，其自然傾向性也會有很大的不同[6]。

2.5 活化能法

活化能是指煤與氧氣發生反應所需要的最小能量，將實驗計算出的活化能稱之為實驗活化能或者表觀活化能。1993 年，波蘭國家標準規定，分別在237℃和190℃兩種溫度下測試煤的氧化升溫速率，并根據計算所得活化能的大小劃分煤自燃傾向性。活化能法的測試時間較長，且僅能反映煤在較高溫度階段的特性[7]。

3 結語

盡管目前的測試方法和指標有很多，但是仍存在較大的局限性。原因主要有：①煤自燃的關鍵階段是低溫階段，但是部分指標且只能反映煤在較高溫度階段的特性。②很多指標是一種間接的測試指標，比如色譜吸氧法僅以煤的物理吸附特性來判定煤自燃傾向，卻忽略了煤自燃過程中最為主要的氧化性。③煤自燃是一個非線性動態發展的過程，某一溫度點或者某一階段并不能夠代替一個過程。因此，開發一種能夠反映全過程且測試簡便的方法對于測試煤的自燃傾向性具有重要意義。