大同矿区内侏罗系与石炭系双系煤层赋存，其中侏罗系煤层赋存深度较浅，距地表约为240～350 m；而石炭系煤层赋存较深，为400～800 m。随着开采深度的增加，优质的侏罗纪煤系储量逐步减少，开采逐渐向石炭系煤系转移，并已成为大同矿区高产高效主体煤层。以年产千万吨特大型矿井同忻煤矿为例，同忻井田区域内上覆有同家梁、大斗沟、忻州窑等侏罗系矿井，双系煤炭共存，间距一般在150～200 m。矿井的安全高效生产面临以下问题及难题：煤自燃是大同矿区面临的主要问题之一，石炭系和侏罗系煤层在成煤年代、煤自燃属性、煤层赋存条件等方面都存在较大的差异；需要对双系煤层进行协同考虑，尤其是随着开采阵地逐渐向石炭系煤系转移，侏罗系/石炭系双系特厚煤层相互影响，给矿井火灾的预测、防控提出了新的问题与挑战。因此，需要进一步对比分析煤的自然发火特性与指标，为矿井的防灭火工作超前布置提供决策，保障矿井的高效安全生产。

煤自燃倾向性的鉴定是矿井防灭火技术与措施的重要基础[1]。因此，煤自燃倾向性的科学鉴定具有非常重要的现实意义[2-3]，但是，由于煤本身结构的复杂性以及自燃过程的复杂性，国内外至今还没有公认统一、标准化的鉴定方法和指标[4]。目前，相关领域的专家、学者主要通过交叉点温度法、着火点法、静态/动态吸氧法、DSC法等测定方法研究煤的自燃倾向性及关键指标[5]。除此以外，煤自燃还可以通过宏观动力学进行表征，如：刘剑等运用动力学模型对煤进行热重性能试验，确定了煤的自燃氧化动力学，得出了自然发火期[6]；张斌等研究了褐煤自燃特性热重性能试验及氧化燃烧动力学特征，得出了褐煤的自燃倾向性[7]；孙福龙等运用热重性能分析了煤样活化能，并进行了基于活化能的煤的自燃倾向性研究[8]。基于此，本文对大同矿区侏罗系/石炭系双系煤的热重性能进行研究。

1 煤自燃活化能的氧化动力学求解方法

根据气体分子运动理论，发生化学反应的前提条件是反应物分子之间发生有效碰撞[9]，活化能即为活化分子具有的最低能量Ec与平均能量Ea的差值，一般采取表观活化能[10]来描述。煤与氧反应的表达式可表示为[11]：煤+O2→mCO2+gCO+其他产物，可用公式(1)来表示煤的氧化反应速度：

(1)

式中：t——反应的时间；

A——前因子；

E——表观活化能；

R——摩尔气体常数；

T——反应的热力学温度；

α——煤自燃氧化反应过程中的转化率；

f(α)——煤氧化自燃反应的数学函数；

W——t时刻的未反应的煤样重量；

W始、W终——研究过程的始末状态煤样重量。

引入程序设定的升温速率β：

(2)

将式(2)代入式(1)，可得到：

(3)

将式(3)两侧分别在0～α和T0～T之间积分，得：

(4)

式中：T0——初始温度。

由于起始反应T0温度较低，反应速率很小(可忽略不计)，则式(4)可变换为：

(5)

式(4)中，很难确定解析解，故使用数值分析，如采用Coats-Redfern积分法来求其近似解[12]。

(6)

式中：g(α)——f(α)的积分函数。

煤氧复合反应属于一级化学反应[13]，f(α)表示为[14]：

将式(8)代入式(6)中，可得：

由ln[-ln(1-α)/T2]对1/T作图，得到直线的斜率-E/R，即为煤自燃氧化反应的活化能E，转化率α将通过下述的热重试验来获取。

2 基于热重试验的煤自燃特性研究

2.1 试验条件

试验仪器采用帕克林姆(PerkinElme)公司生产的TGA-4000，试验样品选取大同矿区6个煤矿的煤样，即侏罗系煤层的忻州窑矿、晋华宫矿、四台矿，石炭系煤层的塔山矿、同忻矿和同发东周窑矿的煤样，煤样的工业分析见表1，筛分至80目以下，样品质量20 mg左右，以O2、N2为载气，流量分别为20 mL/min、80 mL/min，采用空气进行试验模拟，升温速率设置为15℃/min，温度区间设置为50℃～900℃。

2.2 试验结果与分析

通过热重性能试验，可得到各煤样的TG曲线。以同发东周窑矿煤样的TG和DTG曲线为例，如图1所示。由图1可以看出，煤样首先由于失去水分而失重，T1是煤样失水至质量最低点时对应的温度，此时DTG数值为0。紧接着，煤样开始吸附氧气，吸氧量增加但进一步氧化释放出气体的产物速率相对较小，故煤样重量出现缓慢增加的现象。当温度升高到T2值时，煤样开始较快的失重过程，并经过煤样的着火点温度T3。当温度升至T4时煤样燃烧速率最大，表现为DTG曲线的峰值。此后，煤样继续燃烧，直至燃烧结束，煤样的质量不再发生变化。T5是燃烧完成，质量开始不变的温度。各试验煤样特征温度如表2所示。

结合表1及表2可以看出：T1和T2值还与煤样的水分、灰分有密切的关系。煤样的水分越大，T1和T2越大。这主要是因为升温前期，能量需要将煤样中的水分蒸发，之后才能进入大范围的煤氧复合时期。煤样灰分越大，T1和T2也越大。这是因为灰分含量越大，固定碳含量越小，这样煤-氧复合的能力就较差，煤样吸氧量、干裂温度T1均受影响而响应减小。这样就造成了石炭系矿井塔山、同忻煤样的干裂温度T1和质量极大值温度T2与侏罗纪矿井煤样的温度相差不大。

3 煤样各特征阶段的活化能解算

煤的热重性能试验表明，煤的自燃氧化燃烧过程大致可以分为失水失重阶段(初始温度～T1)、氧化增重阶段(T1～T2)、缓慢燃烧阶段(T2～T3)、剧烈燃烧阶段(T3～T5)4个阶段，这4个阶段对应的活化能并不相同。以同发东周窑矿煤样为例，煤的第一阶段——失水失重阶段的活化能求解如图2(a)所示，拟合曲线方程y=-1827.7x - 6.9946，R2=0.9229，E=15.20 kJ，氧化增重、缓慢燃烧、剧烈燃烧阶段的分别见图2(b)～(d)，拟合曲线方程分别为：y = -9980.9x +3.3499，R2= 0.9583，E=82.98 kJ；y=-23496x +14.619，R2= 0.9641，E=195.35 kJ；y=-16741x +2.8078，R2=0.9207，E=139.18 kJ。

分析本试验的试验数据，并与试验煤样自然发火历史、自然资料等进行对比，对比结果见表3。由表3可以看出，缓慢燃烧阶段活化能越小，煤样越容易自燃。

基于着火活化能的指标，可以反映出煤在自燃氧化过程中自燃倾向性的大小，用以揭示煤炭自燃的本质特征。在其他条件基本相同的情况下，煤样的活化能与其挥发分含量有关，煤样中挥发分越低，其活化能越大，反之越小。

由表3可以看出，侏罗纪矿井忻州窑、晋华宫、四台各特征阶段的活化能均小于石炭系矿井塔山、同忻、同发东周窑各特征阶段的活化能，这也与各煤样工业分析指标数据及现场生产实际相对应。

4 结论

随着开采深度的增加，大同矿区优质的侏罗纪煤系储量逐步减少，开采逐渐向石炭系煤系转移，并已成为大同矿区高产高效主体煤层。对大同矿区典型矿井的双系特厚煤层煤自燃灾害进行深入研究，对比分析石炭系-侏罗系双系煤的自燃特性的差别。通过试验分析得到的结论可为井下制定防灭火措施、选择阻化剂种类等提供一定依据，对煤矿防灭火工作具有重要意义。

(1)选取的大同矿区煤样在400℃左右质量变化很小，从400℃左右开始煤样氧化燃烧反应剧烈，质量急剧减小，煤样进入较快的失重阶段，且随着挥发分的增加，煤样的特征温度值不断减小。干裂温度T1、质量极大值温度T2与煤样的水分Mad和灰分Aad有着密不可分的关系。

(2)因水分Mad、灰分Aad以及挥发分Vad等含量的不同，忻州窑、晋华宫、四台矿的侏罗纪煤样相比塔山、同忻、同发东周窑的石炭系煤样的各特征温度低20℃～100℃。

(3)侏罗纪矿井忻州窑、晋华宫、四台各特征阶段的活化能均小于石炭系矿井塔山、同忻、同发东周窑各特征阶段的活化能，这与各煤样工业分析指标数据及现场生产实际相对应。通过对比分析发现，大同矿区侏罗系的煤自燃危险性相对于石炭系更高。

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Study on thermogravimetric properties of Jurassic/Carboniferous coal in Datong mining area

Pang Yeqing1, Shi Bobo2, Zhang Qi1, Wang Zhongwei1

(1. Ventilation Department of Datong Coal Mine Group Co., Ltd., Datong, Shanxi 037003, China;2. School of Safety Engineering, China University of Mining and Technology, Xuzhou, Jiangsu 221116, China)

Abstract The interaction of Jurassic/Carboniferous system extra-thick coal seams in Datong mining area brought new problems and challenges to the prediction and prevention of coal spontaneous combustion disaster. Based on the TG/DTG experiment of thermogravimetric analysis, the spontaneous combustion characteristics of six Jurassic/Carboniferous coal samples from Datong mining area were studied. The experimental results showed that the oxidation combustion process of coal was divided into 4 stages, water and weight loss, weight gain oxidation, slow combustion, severe combustion, and the weight change of coal samples at 400 degrees Celsius was very small. The activation energy E of each stage was obtained by calculating the conversion of coal during spontaneous combustion and oxidation. Through the comparison of parameters such as industrial analysis of coal and activation calculation of combustion stages, the difference of spontaneous combustion characteristics of Carboniferous-Jurassic extra-thick coal seam was analyzed. It was concluded that the risk of spontaneous combustion of Jurassic coal was higher than that of Carboniferous coal.

Key words coal spontaneous combustion, spontaneous combustion tendency, thermogravimetry, activation energy

中图分类号 TD75

文献标识码 A

基金项目：江苏省自然科学基金资助项目(BK20170277)

引用格式：庞叶青，史波波，张奇等. 大同矿区侏罗系/石炭系双系煤的热重性能研究[J].中国煤炭，2019,45(11)∶107-111.

Pang Yeqing, Shi Bobo, Zhang Qi, et al.Study on thermogravimetric properties of Jurassic/Carboniferous coal in Datong mining area[J]. China Coal, 2019，45(11):107-111.

作者简介：庞叶青(1986-)，男，山西大同人，研究方向为矿井通风与火灾防治。E-mail:pangyeqing2013@163.com。

(责任编辑 张艳华)