2024年6月5日发(作者：)

第３１卷第６期

２０１１年１１月

西安科技大学学报

Ｖ０１．３１Ｎｏ．６

ＪＯＵＲＮＡＬ

ＯＦⅪ’ＡＮ

ＵＭＶＥＲＳ兀’Ｙ

ＯＦＳＣＩＥＮＣＥＡＮＤＴＥＣＨＮＯ“）ＧＹ

Ｎｏｖ．２０ｌｌ

文章编号：１６７２—９３１５（２０１１）０６一０６５９一０４

华亭煤自燃特征温度的聊Ｄ弼实验

张姨妮１，邓

军１，文虎１，李士戎１’２

（１．西安科技大学西部矿井开采与灾害防治教育部重点实验室，陕西西安７１００５４；

２．阳泉市公安消防支队，山西阳泉０４５０００）

摘要：选取华亭煤作为研究对象，通过Ｘ射线衍射和不同氧化务件下的热重分析（弼一Ｄ他）实

验，分析计算了煤样的微晶结构参数，掌握了煤样结构特征，并运用非等温动态热重法和微商热

重分析手段，研究分析了煤氧复合过程，得到了煤样自燃过程中的特征温度。研究表明，华亭煤

样熟失重和失重速率曲线变化反应了煤氧复合过程中物理吸附、化学吸附和化学反应的不同历

程，煤氧复合过程及复合程度可以用特征温度点来表征。

关键词：自燃；热重分析；特征温度

中图分类号：ＴＤ

７５

文献标志码：Ａ

甘肃华亭矿区位于平凉市华亭县内，隶属华亭煤业集团。该矿区煤炭储量丰富、煤质优良，年生产原

煤量近２×１０３万ｔ．华亭煤田属于侏罗系中下统延安组煤层，煤层平均厚度约５０ｍ，最大厚度达到７６

ｍ，

是亚洲较为稀少的优质长焰煤基地。但在煤炭开采、运输的过程中，煤自然发火问题却成为威胁煤矿安

全生产的严重隐患之一，同时还会造成严重的资源浪费和环境污染¨’２Ｊ。煤自燃过程是一种煤氧复合本

质属性的外在表现，是一种极为复杂的物理化学过程，其发生、发展机理及防治技术的研究已成为各产煤

国共同关注的研究课题。

本文中采用华亭矿区的煤样，进行了煤质分析、ｘ射线衍射和不同氧化条件下的热重分析实验，研究

了华亭煤样的自燃过程。通过对热失重曲线和失重速率曲线的分析，确定了华亭煤自燃过程中的特征温

度点，分析了其产生的原因。

ｌ华亭煤的煤质分析

选取华亭矿区煤田具有代表性的新鲜煤样，并用多层塑料袋密封包装运回用于实验。依据国家标准

ＧＢ２１２—９１对实验煤样进行工业分析；利用德国产Ｖ耐ｏＥＬⅢ型元素分析并采用动态燃烧法进行实验煤

样的元素分析测定，实验结果见表１．从煤质分析可看出，华亭煤属于低变质程度烟煤，具有高挥发分、低

灰分、低硫的特点。

表ｌ煤样工业分析和元素分析襄

Ｔａｈ１

Ｉｎｄ吣ｔｒｉ蚰鲫ＩａＩｙｓｉｓ龃ｄ

ｅＩｅｍｅｎｔ

ｄｅｔｅｍＩｉｍＩｔｉ∞

２华亭煤的结构分析

采用日本津岛产ｘＲＤ一７０００型ｘ射线衍射仪，铜靶辐射，管压４０

ｋＶ，管流３０ｍＡ，扫描２９角范围是

收稿日期：２０ｌｌ—０８—２２

基金项目：陕西省教育厅科计项目（２０１０ＪＫ６９３）；教育部创新团队项目（１Ｒ１粥５６）；陕两省自然科学基金项目（２０ｌｌＪ姗０１４）

通讯作者：张赡妮（１９７８一），女，山西阳泉人，讲师，主要从事煤自燃机理及防治技术研究．

万方数据

西安科技大学学报

ｌＯ一９０。，扫描速度为６。／ｍｉｎ，并用铝框架填装煤样，得到煤样的ｘＲＤ图谱如图１所示。

由图ｌ可知，华亭煤样具有衍射特征，表明煤样中部分碳原子排

列有一定的有序性，并且煤样中芳香结构单元和脂肪结构单元都存

在。图谱中一些峰形较尖锐且强度较大的峰是由煤中所含矿物质引

起的。通过对比标准图谱，分析衍射峰位和强度，可知华亭煤中主要

含有的矿物质是石英，还有少量的高岭石和方解石。

５００

２０１１年

雹４００

嚣３００

骥２００

蒌１００

研究表明∞。］，煤是一种短程有序而长程无序的非晶态物质，煤

中存在一定数量由若干芳香环层片以不同平行程度堆砌而成的类似

石墨化的微小晶体。类比于石墨的衍射图谱，华亭煤样图谱上有２个

Ｆｉ昏１

ｘＲＤｏｆ

ＨｕａｔｉＩｌｇ

ｃｏａｌ

ｓ砌ｐｌｅ

宽化衍射峰，分别是００２峰和１００峰，其对应２ｐ分别为２６．３７。和３９．３７０．００２峰归因于芳香环碳网层片在

空间排列的定向程度，１００峰归因于芳香环的缩合程度。煤样的１００峰不太明显是因为华亭煤属低变质

烟煤，煤中芳香层片的有序度较差。运用分峰拟合的方法可以得到上述两峰位的角度、半峰宽等参数，再

利用布拉格方程№１计算出华亭煤样的微晶结构参数。煤样的结构参数反映了煤变质程度的深浅。华亭

煤芳香层片的间距ｄ蚴为Ｏ．３３８

ｎｍ，芳香层片的延展度Ｌ。为１．３５９

ｎｍ，芳香层片的堆砌度Ｌ。为１．３８２

３华亭煤的热重分析实验

热重分析技术是在程序控制温度下，测量物质质量与温度关系的一种技术。该实验手段具有使用样本

量少、精确度高、重复性好等优点，广泛应用于煤的工业分析、热解特性、氧化自燃规律和燃烧特性的研究

中［７｜。

３．１实验条件

实验采用德国耐驰公司的ＴＧ２０９热重分析仪，其灵敏度为０．１斗ｇ，天平精确度为±０．１％．在实验室

内将煤于空气中粉碎筛分为Ｏ．２，０．２５，ｏ．３８，Ｏ．６８

ｍｍ

４种不同的平均粒径，然后在室温下进行充氮保护，

并置于广口磨砂瓶中备用。对于每一种粒度范围内的煤样，样本室在动态气氛条件下，通入氮氧混合物

模拟空气气氛进行实验，且含氧体积浓度分别为２１％，１８％，１５％，１３％，１ｌ％，９％，７％，５％．所有实验样

本均在样本室内静放５ｍｉｎ后，采用非等温（动态）热重法，由室温升温到３００℃，得到物质质量与温度关

系的热失重曲线（粥），并利用微商热重法处理热失重曲线后得到物质质量变化速率与温度关系的失重速

率曲线（Ｄ％）。为了能得到准确性和重复性好的热重曲线，避免由于升温速率过快造成曲线的漂移，特

选择４℃／ｍｉｎ的升温速率旧】。温升过程中使用ＳＴｃ控制功能以便精确控制样本温度。

３．２实验结果分析

３．２．１特征温度点的确定

煤是一种由多种化学键和官能团组成的大分子和低分子化合物组成的混合体，是以碳、氢、氧和氮原

子为主体结构所组成的极其复杂的三维大分子，其不同的结构部位具有不同的活性归。１１１。在煤自燃过程

中，煤分子中具有不同活性的各种结构在某一特定温度下均能参与煤氧间的化学吸附和化学反应。通过

热重实验宏观反映为煤样失重量和热失重速率的变化，这一特定温度即为煤自燃过程中的特征温度¨２｜。

因此，特征温度点的变化可以反映出外界条件对煤自燃过程的影响。

分析实验所得的彤和Ｄ彤曲线后发现，不同的实验条件会使煤样发生不同的反应，从而导致失重

量、热失重速率等热重分析参数不同，但这些曲线的线型均相似，说明煤自燃过程的总反应历程相似，如

图２所示。

煤样是在夏季室温３５℃左右的环境中破碎，破碎过程中吸附了空气中的水分和氧气等气体，已接近

物理饱和状态。因此，当煤样静放置在样本室内时，干燥的气流会打破煤样内原有的平衡，带走水分和一

部分煤样中原来含有的甲烷、一氧化碳、水汽等气体，从而造成一开始的失重现象。

随后，煤样以４℃／ｍｉｎ的升温速率被加热，受热后分子内能增加，煤氧复合化学反应速度加快，消耗

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