不同含水率對煤自燃特性的影響

摘要：煤層注水、采空區(qū)積水和井下水害等因素會使待開采煤層和處于自燃帶的遺煤不同程度地增加含水率，而水分對煤自燃的影響是十分復(fù)雜的。本文應(yīng)用程序升溫試驗，結(jié)合紅外分析，對某礦區(qū)不同含水率煤樣的氧化規(guī)律進(jìn)行研究，測定其交叉點溫度、氣體產(chǎn)物和官能團(tuán)變化，分析不同含水率對煤自燃特性的影響，從而更好地抑制煤自燃。

關(guān)鍵詞：煤；含水率；自燃特性；官能團(tuán)

中圖分類號：TD752.2 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1008-9500（2024）03-00-03

DOI：10.3969/j.issn.1008-9500.2024.03.006

Abstract： Factors such as coal seam water injection， goaf water accumulation， and underground water damage can increase the moisture content of the coal seam to be mined and residual coal in the spontaneous combustion zone to varying degrees， and the effect of water on coal spontaneous combustion is very complex. This paper applies program heating experiments and infrared analysis to study the oxidation law of coal samples with different moisture contents in a certain mining area， and measures the intersection temperature， gas products， and functional group changes， and analyzes the effect of different moisture contents on coal spontaneous combustion characteristics， so as to better suppress coal spontaneous combustion.

Keywords： coal; moisture content; spontaneous combustion characteristics; functional group

煤自燃是煤炭行業(yè)危險性和破壞性極大的災(zāi)害，會使大量煤炭資源被燒毀，造成巨大的經(jīng)濟(jì)損失和人員傷亡[1]。煤層注水、采空區(qū)積水和井下水害等因素會使待開采煤層和采空區(qū)遺煤不同程度地增加含水量[2]。水分在煤炭自燃過程中扮演重要角色，一定的含水率對煤自燃氧化進(jìn)程起到加速或阻礙的作用[3]。目前，國內(nèi)外學(xué)者采用程序升溫法、絕熱氧化法、交叉點溫度法和熱重分析法等方法對煤樣自燃過程進(jìn)行研究，但對于不同含水率在低溫氧化階段對煤自燃的影響，研究方法單一且研究結(jié)論不統(tǒng)一。張九零等[4]采用差示掃描量熱技術(shù)與程序升溫法相結(jié)合的方法，發(fā)現(xiàn)煤樣含水率在1%～7%，能促進(jìn)煤升溫氧化與自燃。周鑫隆等[5]應(yīng)用熱重分析-差示掃描量熱（Themal Gravimetric-Differential Scanning Calorimeter，DSCTG-DSC）技術(shù)對某煤礦不同含水率煤樣進(jìn)行研究，認(rèn)為含水率為2.17%～7.93%的煤樣最易自燃。雷丹等[6]利用程序升溫法，結(jié)合不同含水率煤樣的耗氧量變化規(guī)律，得出煤樣耗氧量與含水率沒有較一致的規(guī)律。綜上所述，水分對煤氧化過程的作用是重要的，因此不同含水率對煤樣自燃傾向性影響的研究是十分必要的。

1 試驗部分

1.1 煤樣的制備

在某煤礦工作面采集煤樣進(jìn)行破碎篩分，選取粒徑0.18～0.38 mm的煤樣密封保存，測得此時煤樣的含水率為15.21%，將此煤樣作為本次試驗含水率最大的煤樣。選取篩分好的煤樣3份，每份質(zhì)量為20 g，在預(yù)設(shè)溫度105 ℃、壓強(qiáng)-0.1 MPa的真空干燥箱中干燥2 d，測得此時煤樣含水率為10.02%；干燥5 d，測得含水率為5.11%；干燥8 d，測得含水率為1.2%。對4種含水率的煤樣分別進(jìn)行程序升溫試驗，記錄交叉點溫度、CO產(chǎn)生量與CO2產(chǎn)生量的變化。

1.2 不同含水率煤樣低溫氧化試驗

程序升溫試驗?zāi)軌蜉o助進(jìn)行煤體的自燃傾向性判斷，分析水浸對煤體自燃特性的影響。試驗采用ZRD-6型煤低溫氧化全過程多功能測試系統(tǒng)。取20 g樣品放入高40 cm、直徑10 cm的煤樣罐內(nèi)。煤樣罐上下均填充超細(xì)玻璃棉并鋪設(shè)石棉墊片，使煤樣置于罐體中心，并插入溫度傳感器，用于記錄溫度，上下兩端插入出氣口和進(jìn)氣口。程序升溫試驗選用的空氣（流量50 mL/min）以272.15 ℃/min的速率從30 ℃升溫到180 ℃，每隔15 min記錄溫度和氣體數(shù)據(jù)。

1.3 不同含水率煤樣的紅外分析試驗

傅立葉變換紅外光譜儀（Fourier Transform Infrared Spectrometer，F(xiàn)TIR）的波數(shù)取值范圍為400～4 000 cm-1，分辨率為4 cm-1，掃描次數(shù)為16次。稱取煤樣和干燥后的溴化鉀（KBr），以1∶100的比例放入瑪瑙研缽中進(jìn)行研磨混合，然后放入壓片磨具中，加壓到20 MPa，維持一定時間后制成薄片，放入樣品室中。

2 試驗結(jié)果分析

2.1 不同含水率煤樣交叉點溫度試驗

從表1可以看出，煤樣的含水率與交叉點溫度成正相關(guān)，隨著含水率的升高，其交叉點溫度也不斷上升，這表明水含量的增加會抑制煤的自燃傾向性，并影響煤的交叉點溫度。對比原煤，含水煤樣在升溫過程中會首先經(jīng)歷水分蒸發(fā)過程，這直接導(dǎo)致煤的交叉點溫度升高。交叉點溫度的升高則說明煤的自燃傾向性降低，煤樣含水率越高，火災(zāi)增長指數(shù)越低，火災(zāi)性能指數(shù)越高。

2.2 不同含水率煤樣CO及CO2生成試驗

不同含水率煤樣的CO和CO2產(chǎn)生過程可以分為3個階段，即緩慢氧化階段、加速氧化階段和快速氧化階段，如圖1所示。緩慢氧化階段，不同含水率煤樣的CO和CO2產(chǎn)生量差距不大。隨著溫度的升高，煤樣進(jìn)入加速氧化階段，CO和CO2產(chǎn)率和產(chǎn)生量迅速提高，且含水率越高，產(chǎn)率和產(chǎn)生量越低。加速氧化階段，相比其他含水率煤樣，含水率1.20%的煤樣CO和CO2開始釋放的時間提前，釋放量大于其他含水率煤樣。隨著交叉點溫度的到達(dá)，煤樣進(jìn)入快速氧化階段，除含水率1.20%的煤樣外，其他含水率煤樣的CO和CO2釋放速率迅速增加。水分對煤樣的擴(kuò)孔作用成為主要的影響因素，煤樣孔隙的發(fā)育為煤樣受熱分解產(chǎn)生的活性位點打開O2運(yùn)輸通道，使活性位點與O2大量接觸、氧化，煤樣進(jìn)入快速氧化階段，自燃傾向性提高。這與前人研究結(jié)論完全吻合，即受水浸泡后，煤樣CO和CO2生成速率提高[7]。

2.3 不同含水率煤樣的紅外光譜試驗

利用紅外光譜試驗，對含水率分別為1.20%、5.11%、10.02%、15.21%的煤樣的蒸干殘留物進(jìn)行光譜分析。經(jīng)試驗測定，不同含水率煤樣的官能團(tuán)相對含量存在差異（尤其是羥基官能團(tuán)），而官能團(tuán)是影響煤體氧化特性的重要因素，必定會對煤自燃特性產(chǎn)生影響。為了更準(zhǔn)確地分析相關(guān)數(shù)據(jù)，利用PeakFit軟件對不同含水率煤樣的FTIR圖像進(jìn)行分峰擬合。其中，苯環(huán)上的C=C（Car）振動峰為1 610 cm-1；羰基（C=O）結(jié)構(gòu)歸屬峰為1 650～1 750 cm-1；羧基（-COOH）振動峰為1 710 cm-1；甲基（-CH3）反對稱伸縮振動峰和亞甲基（-CH2-）堆成伸縮振動峰分別為2 955 cm-1和2 922 cm-1。根據(jù)分峰方法，對不同煤樣的FTIR圖譜進(jìn)行半定量分析，結(jié)果如表2所示。

不同含水率煤樣氧化后，經(jīng)紅外光譜分析，代表芳環(huán)C=C振動的吸收峰強(qiáng)度明顯增大，說明煤的有機(jī)骨架結(jié)構(gòu)比例增加。半定量分析顯示，隨著含水率的升高，煤樣中的-CH3、-CH2-結(jié)構(gòu)呈現(xiàn)先增后減的趨勢，這表明煤中脂肪族側(cè)鏈長度變短或橋鍵含量降低。隨著含水率的增高，C=O和-COOH含量同樣呈現(xiàn)先增后減的趨勢，這說明煤中的含氧官能團(tuán)含量升高。隨著溫度的升高，水分蒸發(fā)，煤樣的O2運(yùn)輸通道被打開，煤樣受熱產(chǎn)生的活性位點與O2大量接觸，后期產(chǎn)氣速率和產(chǎn)氣量明顯升高。

3 結(jié)論

程序升溫試驗表明，煤樣含水率越大，交叉點溫度越高，對于含水率5.11%、10.02%、15.21%的煤樣，其交叉點溫度均高于含水率1.20%的煤樣。根據(jù)CO和CO2產(chǎn)生量，不同含水率煤樣的程序升溫試驗可以分為3個階段，即緩慢氧化階段、加速氧化階段和快速氧化階段。緩慢氧化階段，煤樣CO、CO2釋放量沒有太大差距。隨著溫度的升高，煤樣進(jìn)入加速氧化階段，CO、CO2釋放量開始上升，含水率1.20%的煤樣開始加速氧化，但其他含水率煤樣產(chǎn)生CO和CO2的時間相對延長，煤樣含水率越高，水分蒸發(fā)時間越長，氣體產(chǎn)率越慢。隨著溫度的升高，水分快速蒸發(fā)，水分對煤樣的擴(kuò)孔作用明顯，快速氧化階段，高含水率煤樣生成CO和CO2的速率迅速增加，超越低含水率煤樣。不同含水率煤樣氧化后，經(jīng)紅外光譜分析，脂肪族側(cè)鏈長度變短，橋鍵含量降低，隨著含水率的增加，含氧官能團(tuán)含量呈現(xiàn)先減后增的變化趨勢。根據(jù)煤樣氧化后氣體產(chǎn)物和官能團(tuán)變化，水分在前期對煤氧化起到抑制作用，后期則對煤氧化起到促進(jìn)作用。

參考文獻(xiàn)

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6 雷 丹，王德明，仲曉星，等.水分對煤低溫氧化耗氧量影響的研究[J].煤礦安全，2011（7）：28-31.

7 文 虎，王 棟，趙彥輝，等.水浸煤體自燃特性實驗研究[J].煤炭技術(shù)，2015（1）：261-263.

收稿日期：2024-01-24

作者簡介：張昊譞（1997—），男，吉林松原人，碩士。研究方向：礦井火災(zāi)防治。