高地温环境对煤的自热危险性影响分析

张修峰，杨胜强

（1.江苏建筑职业技术学院能源与工程学院，江苏徐州221116；2.中国矿业大学安全工程学院，江苏徐州221011）

高地温环境对煤的自热危险性影响分析

张修峰1，杨胜强2

（1.江苏建筑职业技术学院能源与工程学院，江苏徐州221116；2.中国矿业大学安全工程学院，江苏徐州221011）

为确定高地温环境中煤的自热危险性，进行了不同初始氧化温度的煤绝热氧化实验。结果表明：初始氧化温度升高，煤绝热氧化温升到70℃所用的时间（t70）大大降低，且煤阶越高，t70值受初始氧化温度的影响越大。随着地温的升高，煤的自燃倾向性增大，会由不易自燃煤变为自燃煤。地温升高导致初始氧化时即有大量的原生活性基团参与反应，继而产生更多的次生活性基团，微观反应序列的强度增大，宏观上表现为放热速率明显增强，绝热氧化时间缩短，自热危险性增大。

地温；绝热氧化；起始温度；自热危险性

随着浅部煤炭资源的临近枯竭，矿井开采深度正逐渐增加，许多矿井正陆续进入深部开采，地温梯度迅速增高［1］。高地温引起的煤自然发火日趋严重，迫切需要研究高地温环境对煤的自热危险性影响，如枣庄集团的田陈、滕东等矿的地温已超过40℃［2］。针对地温对煤自燃特性的影响，郭兴明等［3］通过分析煤体氧化放热性、自燃蓄热条件和供氧条件与地温的关系，得出地温改善了煤自燃所需的供氧条件和氧化蓄热条件，从而导致煤体自燃危险性增强。文虎、许满贵等［4］已经得出煤体放热强度与耗氧速度随地温增加近似呈指数递增，地温的增加增强了漏风动力中的热风压动力，从而促进了煤自燃供氧条件。邓军等［5］将测试煤样预先置于40℃恒温氧化后再程序升温，得出高温环境下煤体的气体产生率、耗氧速率及放热强度高于常温下氧化煤体。但是地下原始煤层虽然在高地温的环境中，在煤层没有暴露于漏风风流中时，是处于无氧状态下，所以本实验则将煤样在不同地温下进行真空干燥，并以不同的氧化起始温度模拟不同的地温环境。另外，文献［3-5］也没有在微观上考虑时间因素对绝热氧化过程中初始氧化阶段的影响。

评价煤的自热危险性的两大指标：煤的自燃倾向性和自然发火期。一般认为，煤的自燃倾向性越大，煤的自然发火期越小，且煤的自然发火期的影

响因素较多，鉴于此，本文只考虑煤的自燃倾向性。目前，国内外确定煤自燃倾向性的方法包括绝热氧化法、交叉点温度法、活化能法等。其中绝热氧化法能够最大程度上消除环境因素对煤低温氧化过程的影响，使得煤的温升仅仅依靠自身产生的热量，因此是判定煤自燃倾向性的比较科学的方法［6］。

绝热氧化方法所得出的温度-时间曲线具有一定的相似性，因此本文只选取了两组具有代表性的起始温度（30℃和40℃），找出一般性的影响规律，为高地温环境中煤自燃的防治工作提供理论指导。

1 实验部分

1.1 实验煤样

实验选取4个不同变质程度煤样，煤样的工业分析与元素分析见表1。煤样的采取、封存及其制备严格按照相应国标执行（GB/T 482-2008、GB 475-2008、GB/T 19222-2003、GB 474-2008）。1.2 实验装置及测试步骤

表1 煤样工业分析与元素分析

实验装置为自主研发的煤自燃特性综合测试系统［7］，能够模拟煤的初始氧化温度并实现0℃跟踪控温，见图1。

图1 煤自燃特性综合测试系统

选取大块煤样煤芯部分，破碎筛分出粒径为0.18～0.38mm的煤样100g左右作为测试样；将样品放入真空干燥箱中于40℃干燥24h，去除外在水分；称量80g测试样置于煤样罐中，通入氮气流量50m L/min，并设定在初始氧化温度（30℃、40℃）下恒温；待炉温、煤样温度都达到初始氧化温度后，氮气迅速切换为氧气（50m L/min），并将温度控制箱内的温度控制方式改为0℃跟踪控制，同时启动数据采集系统对煤样温度和环境温度进行采集，煤温升至200℃完毕。

2 结果与分析

2.1 不同地温时煤的绝热氧化温升特性

由于绝热实验耗时长，研究中仅测试了四个煤样初始氧化温度分别为30℃与40℃的绝热氧化特性，氧化温升曲线见图2。

由图2可知，各煤样的温度（T/℃）都随着时间（t/h）的增大而增大，即有，煤的氧化放热速率逐渐增大，曲线呈幂指数增长趋势。气煤、气肥煤、肥煤、焦煤从相同起始温度自热升温到200℃所需要的时间依次升高。不同变质程度的煤样，其自热氧化过程的差异主要体现在氧化时间上，越容易发生自燃的煤，自热氧化升温速率越快，煤发生自燃所需要的时间越短。同时，对于同一煤样，不同起始温度下绝热温升曲线差别很大，可表示为，即绝热实验的起始温度由30℃升高到40℃，煤样从起始温度自热升温到200℃所需时间明显缩短，且起始温度越高，放热强度随温度升高的幅度越大。因此煤的初始氧化温度越高，煤氧最初的结合能力越强、总体放热速率越大，高地温环境加速了煤自燃过程，煤的自热危险性越高。

2.2 地温对煤缓慢氧化阶段的影响

从图2可以看出，煤的自热温升过程具有明显的分段特性。在70℃之前，煤的自热温升曲线近似为一条直线，表明这个阶段的温升速率近似为恒定值，此阶段称为缓慢氧化阶段；温度达到70℃之后，温升曲线表现为近似弧形的过渡段，温升速率开始逐渐升高，称为快速氧化阶段。在70℃之后煤快速

升温，进入难以控制的阶段［6］。煤自燃的预防工作主要是针对煤的缓慢氧化阶段。因此本文主要分析地温对煤缓慢氧化阶段的影响，绝热氧化过程参数见表2。

图2 起始温度分别为30℃和40℃绝热氧化温升曲线图

表2 绝热氧化过程参数

由表2可知，初始氧化温度由30℃上升到40℃，气煤、气肥煤、肥煤、焦煤的t70值分别降低了41.8%、48.9%、58.3%、64.3%，在t70的这段时间内，氧化初始温度仅仅提高25%，却使部分煤种t70值降幅超过50%。可知随着初始氧化温度的升高，煤绝热氧化温升到70℃所用的时间（t70）大大降低，并且煤阶越高，t70值受初始氧化温度的影响越大。

煤由30℃绝热氧化温升到40℃所用的时间（t30-40）虽然小于煤由40℃绝热氧化温升到70℃所用的时间（t40-70），但是t30-40占t70比例很大，气煤、气肥煤、肥煤、焦煤相应的比值分别为37.8%、39.6%、46.06%、44.61%，同样是在1/4温度段内占据了整个t70的40%左右，可知缓慢氧化阶段占据很长时间，初始氧化阶段温度上升速率偏小。地温的升高，导致煤暴露于风流中初始温度升高，省去了煤的一部分自加热时间，煤会用更短的时间达到70℃进入不可控阶段，因此地温越高，煤的自热危险性越大。

同时，初始氧化温度分别为30℃与40℃时，t40-70值并不相同，在初始氧化温度为40℃时煤由40℃绝热氧化温升到70℃所用的时间更短。这说明初始氧化温度的不同，煤中参与反应的活性基团的种类以及数量不同，改变了煤中的微观反应序列的强度。地温升高时，初始氧化时即有大量的原生活性基团参与反应，继而产生更多的次生活性基团，使得微观反应序列的强度增大，宏观上表现为放热速率明显增强，绝热氧化时间缩短。

2.3 不同地温环境中煤的自燃倾向性

基于煤的绝热温升判断煤自燃倾向性的指标主要有R70指标（煤样从40℃到70℃的平均温升速率）、临界自热温度SHT指标、初始温升速率IRH和总温升值TTR法等。根据R70指标，R70小于0.5℃/h时为不易自燃煤，R70介于0.5℃/h与0.8℃/h之间时为自燃煤，R70大于0.8℃/h时为容易自燃煤［6］。根据表2，初始氧化温度由30℃上升到40℃时，气煤均为自燃煤，气肥煤由不易自燃煤变为自燃煤，肥煤由不易自燃煤变为自燃煤，焦煤均为不易自燃煤。因此，随着地温的升高，因煤中微观反应序列的变化导致了煤的自燃倾向性更大。

3 结束语

1）初始氧化温度升高，煤绝热氧化温升到70℃所用的时间（t70）大大降低，并且煤阶越高，t70值受初始氧化温度的影响越大，高地温环境缩短了煤的缓慢氧化阶段，加速了煤自燃过程。

2）随着地温的升高，煤的自燃倾向性增大。初始氧化温度由30℃上升到40℃时，根据R70判定指标，气肥煤与肥煤均由不易自燃煤变为自燃煤。

3）地温升高，初始氧化时即有大量的原生活性基团参与反应，继而产生更多的次生活性基团，微观反应序列的强度增大，宏观上表现为放热速明显增强，绝热氧化时间缩短，自热危险性增大。

［1］ 谢和平，彭苏萍，何满潮.深部开采基础理论与工程实践［M］.北京：科学出版社，2006.

［2］ 鲍庆国.滕南矿区高地温环境中煤自燃特性及防灭火技术［D］.徐州：中国矿业大学，2014.

［3］ 郭兴明，徐精彩，邓军，等.地温在煤自燃过程中的作用分析［J］.煤炭学报，2001，26（2）：160-162.

［4］ 文虎，许满贵，王振平，等.地温对煤炭自燃的影响［J］.西安科技学院学报.2001，21（1）：1-3.

［5］ 邓军，王凯，翟小伟，等.高地温环境对煤自燃特性影响的试验研究［J］.煤矿安全，2014（3）：13-15.

［6］ 王德明.煤氧化动力学理论及应用［M］.北京：科学出版社，2012.

［7］ 王德明.矿井火灾学［M］.徐州：中国矿业大学出版社，2008.

The effect of high ground temperature environment on risk of coal self-heating

ZHANG Xiu-feng1，YANG Sheng-qiang2
（1.School of Energy and Traffic Engineering，Jiangsu Vocational Institute of Architectural Technology，Xuzhou 221116，China；2.College of Safety Engineering，China University Mining and Technology，Xuzhou 221006，China）

To determine coal self-heating risk under the high ground temperature environment，the different initial oxidation temperature of coal adiabatic oxidation experiment were implemented.The results show that time cost from initial temperature to 70oC in adiabatic oxidation condition（t70）decreased largely with the increase of initial temperature.And the higher coal rank is，the greater initial temperature influences t70.As the ground temperature increases，the spontaneous combustion tendency of coal increases，converting uneasy self-ignition to easily self-igniting.High ground temperature cause that the vast original life of the group participate in the reaction during the initial oxidation，then generating more secondary active group and increasing the strength of the microscopic reaction sequence.It shows that the rate of heat release grows significantly and the time of adiabatic oxidation is shortened.So the risk of self-heating of coal increases.

ground temperature；adiabatic oxidation；initial temperature；the risk of self-heating

TD75

A

1004-4051（2016）09-0159-03

2016-02-10

张修峰（1976-），男，江苏徐州人，讲师，从事矿山安全技术教学工作。E-mail：45787729@qq.com。