甘 建

（棗莊礦業(yè)（集團）有限責任公司,山東 棗莊 277000）

1 選取煤樣并對放熱特性與質量變化進行實驗

選取中煤平朔三號井煤礦長焰煤及新疆準東煤田南露天煤礦的長焰煤作為測試煤樣。將新采的塊狀煤樣剝去外層已氧化的部分，取煤芯研磨后，篩選出粒徑在0.096mm-0.15mm之間的顆粒煤作為測試煤樣。

采用SDT熱分析儀對中煤平朔三號井以及新疆準東煤田南露天煤礦長焰煤進行TG-DSC測試，分析原煤及不同風干程度條件下的浸水煤樣在氧化及燃燒過程中的放熱特性與質量變化特性，實驗過程如下：

（1）將研磨所得的煤樣顆粒放入水中，充分浸泡30天。取出煤樣，先常溫空氣氛圍中風干2小時，再放入真空干燥箱中干燥，通過控制真空干燥時間得到不同水分含量的浸水煤作為測試煤樣。

（2）取10mg測試煤樣放入坩堝中，以100mL/min的流量通入干空氣。

（3） 設定SDT控溫程序，初始溫度20℃，終止溫度800℃，升溫速率2℃/min,運行試驗，記錄煤樣在反應過程中熱流及熱重的變化。

（4）對兩種低階煤的原煤及不同水分含量的浸水煤重復進行的實驗過程。

2 對實驗中測得的數(shù)據(jù)進行分析

通過以上實驗過程測試得到三號井煤樣及新疆煤樣的原煤及不同水分含量浸水煤反應過程的TG-DSC圖譜，得知受風干程度的影響，三號井與新疆煤樣的熱重和熱流曲線雖然不完全相同，但在整個反應階段熱重與熱流曲線的變化趨勢是基本相同的。由熱重曲線可以看出，煤樣的整個反應過程為一個先失重后緩慢變化接著由于燃燒而快速失重的質量變化過程，第一階段的失重過程主要是由煤的外在水分蒸發(fā)同時伴隨著煤體內吸附氣體的解吸所造成，由于外在水分是這階段質量減小的主要原因，因此該階段通常被稱為水分蒸發(fā)失重階段，從熱重曲線上也可以看出，水分較大的TG曲線第一階段的失重量較大。

隨著溫度的升高，煤樣的孔隙表面積因水分和吸附氣體釋放而增加，煤內部結構阻力變小，并且表面的活性點變多，煤結構分子吸附氧氣能力大大增強，因此第二階段質量變化的過程被稱為吸氧增重過程。隨著熱量的不斷累積，溫度逐漸升高至煤樣的著火點，煤樣進入燃燒階段，質量開始迅速減小。與熱重曲線相對應的熱流曲線，可以分為熱流值變化緩慢的低溫氧化階段、熱流曲線開始較快上升的快速反應階段以及完整的放熱峰所代表的燃燒階段，而燃燒階段的反應速率也有明顯區(qū)別，體現(xiàn)為熱流曲線上不同高度的放熱峰。

參數(shù)隨浸水風干煤水分含量的變化關系可以看出，三號井煤樣和新疆煤樣均存在一個最易自燃浸水煤區(qū)間，在這個水分范圍內原煤的特征溫度大于浸水風干煤，浸水風干煤的放熱量高于原煤；并且在最易自燃浸水煤區(qū)間中，在實驗測試水分范圍內，三號井浸水風干煤和新疆浸水風干煤水分含量分別為6.84%和11.17%時，特征溫度值最小，放熱量最大，說明在這個水分含量時，浸水風干煤最容易自燃。在礦井采空區(qū)中，浸水煤在風干過程中，它的水分含量是不斷變化的，同時它的自燃特性也在變化，浸水風干煤水分含量過大或者過小都會抑制煤的自燃，只有當浸水風干煤水分含量在一定區(qū)間時，才會促進煤的自燃，并且有一個最容易自燃的水分含量。

3 對煤的低溫氧化過程的自燃特性進行實驗分析

煤的低溫氧化過程是一個極其復雜且受多種因素影響的化學反應過程，在此過程中會釋放出大量的氣體產(chǎn)物及熱量，煤本身的化學性質和物理性質較氧化前會發(fā)生顯著變化。煤的低溫氧化過程可以簡單的總結為：煤表面對氧氣的物理吸附、化學吸附、氧化反應、氣體及熱量的釋放。這種煤氧復合反應很難進行大規(guī)模的現(xiàn)場模擬，因此實驗室根據(jù)其原理設計一種操作簡單的測試裝置，即煤自燃特性測試系統(tǒng)。利用程序升溫的方法，可以得到煤樣在不同溫度下的氣體產(chǎn)生量及對應的煤樣中心溫度（罐溫），該方法操作簡便，能夠很好的模擬煤樣的低溫氧化過程。實驗主要測試浸水風干煤體與原煤在低溫氧化過程中所產(chǎn)生的CO、C2H4等氣體，并記錄氧氣濃度的變化。

實驗選取粒徑為40-80目的神東煤進行測試，現(xiàn)場采集新鮮煤樣并密封運到實驗室，在破碎及篩分過程中，將煤樣表層剝去并盡可能的采用手工破碎，防止破碎機產(chǎn)生的高溫對實驗的影響。在相同的環(huán)境及浸泡條件下，對煤樣進行浸泡。結合現(xiàn)場的實際情況，將煤樣分別進行不同時間的浸泡。浸泡好之后，取一定量的煤樣，放置在相同的溫度及濕度的空氣環(huán)境條件下，風干時間為96h，然后放入真空干燥箱，在相同的真空度條件下，進行40℃真空干燥48h，最大程度的去除煤樣的外在水分，消除水分對實驗結果的影響。

實驗過程及要求：

①用十萬分之一的天平稱取50g干燥好的煤樣，然后將煤樣裝在煤樣罐中，其中煤樣的底部及上部均為銅網(wǎng)，可以使干空氣更好的與煤樣接觸且防止堵塞煤樣罐的進氣口與出氣口，煤樣罐的蓋子內部需墊一層硅膠墊片防止漏氣。

②按照實驗流程將煤樣罐接入氣路中，并將熱電偶接好，打開干空氣瓶并利用肥皂泡檢查是否漏氣。開啟氣體采集系統(tǒng)和控溫系統(tǒng)，測試煤樣低溫氧化過程中不同溫度下的氣體產(chǎn)物及溫度變化。

可知不同浸水時間的神東煤風干煤體在氧化過程中CO的產(chǎn)生量變化情況，在40℃-70℃，CO的產(chǎn)生量平穩(wěn)增長；當溫度高于70℃時，CO的產(chǎn)生量呈指數(shù)式增長；另外從40℃-120℃中可以看出在120℃之前不同浸水時間的浸水風干煤體在低溫氧化過程中CO的產(chǎn)生量都大于原煤。

風干程度會對浸水低階煤的初始放熱溫度、著火點溫度、峰值點溫度、低溫氧化階段的放熱量以及整個反應過程的總放熱量造成影響。浸水煤風干后存在一個比原煤更易于自燃的水分含量范圍，在該范圍內，浸水煤的初始放熱溫度、著火點溫度和峰值點溫度低于原煤，而低溫氧化階段放熱量與總放熱量都高于原煤。

浸水時間對煤中g因子，自由基濃度和主要活性基團的含量影響較大，浸水干燥后煤中自由基濃度和主要活性基團的含量均大于原煤。且不同浸水時間的風干煤體在低溫氧化過程中的主要氣體氧化產(chǎn)物CO 、C2H4和C3H8與原煤相比都有了不同程度的增加，C2H4和C3H8產(chǎn)生的初始檢測溫度與原煤相比都有了一定的提前。

[1]曾強.新疆地區(qū)煤火燃燒系統(tǒng)熱動力特性研究[D].徐州:中國礦業(yè)大學,2012.

[2]齊德香,蔡忠勇,曹建文等.新疆維吾爾自治區(qū)第三次煤田火區(qū)普查報告[R].新疆煤田滅火工程局,2008.