煤吸氧特性实验研究
邓
1，21，21，21，2军，李夏青，张嬿妮，王长安
（1．西安科技大学能源学院，陕西西安710054；2．西部矿井开采及灾害防治教育部
陕西西安710054）重点实验室，
摘
要：采用ZRJ －1煤自燃性测定仪，分别对不同变质程度和粒度的煤样，在不同温度条件下
进行氧气吸附实验，并运用煤氧吸附过程分析法研究了不同实验条件下煤吸附氧过程的特征曲
得出不同变质程度、粒度和温度条件对煤氧吸附规律的影响关系，为进一步研究煤对氧的吸线，
附性与煤自燃性的关系奠定了基础。
关键词：煤吸氧特性；变质程度；粒度；温度；自燃
+
中图分类号：TD752．2文献标志码：A
文章编号：1003－496X （2011）06－0007－04
Experimental Study of Coal Adsorbing Oxygen Characteristic
2222
DENG Jun 1，，LI Xia －qing 1，，ZHANG Yan －ni 1，，WANG Chang －an 1，
（1．Science and Technology School of Energy Engineering ，Xi ＇a n University ，Xi ＇a n 710054，China ；2．Key Laboratory of Western Mine
Exploitation and Hazard Prevention of Education Ministry ，Xi ＇a n 710054，China ）
Abstract ：ZRJ －1coal spontaneous combustion character tester developed by Fushun branch of China Coal Rese arch Institute is adopt-ed in the paper ，oxygen absorption tests are carried out to coal samples of different rank and different particle size on different tempera-ture ，the characteristic curves during oxygen absorption procedure of coal on different experimental conditions are analyzed by using coal －oxygen absorption procedure analysis method．The influences of coal rank ，particle size and temperature condition on coal －oxy-gen absorption law are concluded ，it lays foundation for further research on the relation between oxygen －absorption character and spon-taneous combustion nature of coal．
Key words ：character of coal absorbing oxygen ；metamorphic grade ；particle size ；temperature ；self －ignition
煤自燃灾害是现在煤炭行业急需解决的安全问
题之一。长期以来人们在煤自燃机理和防治技术研究做了大量的工作，但由于煤自身物理结构和化学结构的复杂性，煤自燃问题并没有得到很好的解决。研究表明
〔1－5〕
究；②采用动态吸附法研究煤氧吸附动态变化过程，
通过测试不同煤样吸氧过程曲线，建立煤吸氧速度数学模型；③采用色谱吸氧法测试煤样的物理吸附氧量，分析研究影响煤物理吸附氧的影响因素。利用煤炭科学研究总院沈阳研究院研制的ZRJ －1型煤自燃性测定仪，实验研究了多个典型煤样吸附流态氧的过程特性，运用煤氧吸附过程分析法分析了煤吸附氧过程曲线的若干特征，并研究了煤变质程度、粒度、温度与煤吸氧特性之间的关系。1
实验条件及过程
，煤表面具有吸附性是由于煤孔隙表
面具有不饱和能的存在，与非极性气体分子之间能
产生范德华力，从而吸附气体分子。煤自燃起因是煤与氧之间的物理吸附和化学吸附，进而发生化学
放出吸附热和化学反应热，随着热量逐渐积聚反应，
造成煤体温度升高后引发燃烧的过程。因此，煤具有吸附性和氧化性是引起煤炭自燃的重要原因。研究煤的吸氧特性对于深入研究煤自燃防治机理开发煤自燃防治技术有着重要的意义。目前，煤吸氧特性的研究主要在以下几个方面：①从微观的角度，应用量子化学理论对煤与氧的物理吸附机理进行研
基金项目：教育部创新团队资助项目（IRT0856）；陕西省自然科学基础研究计划资助项目（2010JM6016）；陕西省教育厅科学研究计划资助项目（2010JK693）
实验选用白芨沟矿、芙蓉矿、王村矿、孟加拉矿、
龙固矿、羊肠湾矿和埠康矿开采工作面具有代表性的新鲜煤样，并用多层塑料袋密封包装运回，实验时取核心部分进行粉碎筛分得到所需粒度的样品。实验设备采用ZRJ －1型煤自燃性测定仪，每次实验前需对仪器进行检漏处理，以防止气体泄漏影响实验结果。各地区煤样的煤质分析如表1。
表1
编号1234567
样品白芨沟魏家地石沟驿龙埠芙
固康蓉
M ad 0．00570．00830．07090．01120．02470．08200．0128
工业分析/%
A d
0．03410．11440．06220．09830．04140．04780．2750
V daf 0．08320．29380．30790．30880．44470．36550．1113
各矿区煤质分析
N 0．9120．6620．8421．3751．2630．8080．912
C 87．4669．5367．7078．9973．2262．2587．46
元素分析/%
S 0．8130．5951．3280．6110．1770．5510．813
H 3．5915．1894．8394．9685．6625．473．591
O 6．04117．22320．00412．13215．78624．5825．078
变质程度无烟煤气煤长焰煤肥煤焦煤不粘煤无烟煤
羊肠湾
称量1g 煤样装入样本室，升温至105ħ 后恒温温2h ，期间用30mL /min的氮气吹扫进行脱附。将煤样吹扫脱附后，在设定的实验温度条件下，向样品管内通入20min 流量为20mL /min的O 2，以便达到物理吸附平衡。吸附平衡后立刻将通入气体切换成用于置换煤样中吸附的O 2。并利用热导检测氮气，
器，检测出氮气流中的氧气量，以电平为表现形式，在工作站生成煤吸附氧过程曲线。
图1为埠康矿104 74μm 粒度的煤样在30ħ 条件下吸附氧气产生的吸氧过程曲线。横坐标表示
纵坐标表示某一时刻氮气流中的氧气吸附的时间，含量
。
煤表面对氧的吸附性越面吸附活性点存在的越多，
〔6〕强。
当开始有氧气通过感应器时，工作站开始出现并且曲线的斜率逐渐从小变大，直至一个基本曲线，
恒定的值，这个时间段为煤吸附氧气的第2阶段。这个斜率的变化体现了通过感应器氧气量的速度变化，即是煤表面释放氧的速度规律。由于能量守恒原理，煤释放的氧气越多表示煤表面能越小。因此曲线斜率增大的过程表明煤表面位置能级的变化过程。第2阶段经历的时间越长说明煤表面吸附能级煤表面吸附氧的速度变化越均匀。变化越慢，
当曲线斜率增大到某一值时，斜率将持续不变经历一段时间，为煤吸附氧气的第3阶段。此阶段主要反应煤内部孔隙对氧的吸附。煤是一种多孔物微孔分为表面微孔结构和内部微孔结构，煤内部质，
微孔结构发达导致内部微孔赋存的氧气相比表面微孔结构比率增大，即是煤吸附的氧气更难以被解析出来，吸附速度就慢。斜率的大小表示了煤吸附氧气的速度变化，斜率小表示煤吸附速度较慢。斜率在保持一段时间为某一常数后，将逐渐减小到0，为煤吸附氧气的第4阶段。从开始变小直
图1埠康矿煤样吸附氧过程曲线
至为0所消耗的时间反映了煤微孔结构对氧气的吸附能力。即这个阶段持续时间越长表明煤内部微孔结构对氧的吸附能力越强。
2实验峰图分析
如图1所示，实验初期得到的曲线是一基本水
3影响因素分析
平的直线，为煤吸附氧气的第1阶段。从氮气开始置换氧气到出现曲线这一过程所需要的时间可以视作煤表面对氧气的扣留时间与氮气通过系统管路的时间之和。由于管路体积恒定，氮气流量恒定，氮气通过管路的时间可认为基本相同，因此，这段直线的长短可以视作煤表面对氧的吸附能力，即表面吸附活性的表达。第1阶段经历的时间越长，表明煤表
煤吸附氧的影响因素主要有煤的变质程度、粒
度、吸附温度、水分、压力等，重点实验研究了变质程度、粒度和温度对于煤吸氧性的影响。3．1煤变质程度对煤吸氧性的影响
实验选用石沟驿、羊肠湾、龙固、魏家地、埠康以及白芨沟矿的煤样，在空气中破碎到104 74μm 粒径，在30ħ 条件下吸附氧气，得到各煤样吸附氧气的峰图如图2所示。
试验·
研究
（2011－06）
·9·
煤样在第3阶段的时间值也是持续走高，即跟煤变质程度成反比。由图2知煤样第3阶段斜率值相似，那么持续的时间值就代表了吸附氧气的量的
即煤变质程度越低，煤吸附氧的量越大。多少，
第4阶段的时间曲线与煤变质程度呈正比，煤
煤内部孔隙结构越发达，煤内部孔隙变质程度越低，
对氧的吸附能力越强。
由表可明显看出，不同煤级吸附曲线第1阶段的变化最为明显，即对不同煤级的煤，煤表面活性点
图2
不同变质程度煤样低温吸附过程曲线
煤变质程度越高，煤表面吸附分布情况有较大差异，活性点相对越少。3．2
粒度对煤吸附氧的影响
选用埠康矿的煤样实验研究了粒度对煤吸氧性
250的影响。将煤样在空气中破碎到420 250μm 、 150μm 、150 104μm 、104 74μm 的粒径，在
30ħ 的条件下完成吸附氧气实验。不同粒度与煤吸附氧气的关系如表3所示。由表3可见，粒度为420 250μm 的煤样在各个阶段释放氧气的速度均
表3
粒径/μm 420 250250 150150 104104 74
由图2中可以看出，各矿区煤样都具有相似的吸附曲线，说明不同变质程度的煤样都具有相似的
##
吸氧特性规律。1和2高变质程度的煤样释放氧气的速度较快，峰的位置较靠前，经历的解吸时间较##短，即对氧的吸附能力较弱。5和6低变质程度煤样释放氧气的速度较慢，峰的位置靠后，经历解吸时
间较长，即对氧的吸附能力也强。这是由于低变质程度的煤与中、高变质程度的煤吸附特征存在一定的差异，变质程度较低的煤分子排列不规则，结构松散，单位内表面上的碳原子密度小，且含氧官能团多，对气体的吸附势低，因而其单位内表面吸附
〔7〕
气体的能力弱。
将煤吸附氧的时间曲线按4个阶段分割开来，分别统计时间长短，见表2。
表2
编号1#246
#
粒度影响下各阶段经历的时间
第1阶段0．1100．1200．1280．130
第2阶段0．0540．0500．0500．049
第3阶段0．0440．0440．0440．043
min
第4阶段0．0620．0660．0580．058
变质程度影响下各阶段经历的时间
第2阶段0．0460．0540．0480．0500．0520．052
第3阶段0．0490．0520．0570．0600．0580．060
min
第1阶段0．0850．1040．1250．1400．1200．138
第4阶段0．0600．0600．0600．0480．0550．052
比较快，即粒度大的煤自燃性低。粒度越小，煤释放
氧气的速度越慢，自燃的可能性越大。粒度在250 150μm 以上尤其150 104μm 以下，粒度大小对煤吸附氧气的影响差别缩小。而粒度变化导致第1阶段、第2阶段和第4阶段的时间值发生了比较明显的变化，即粒度变化，煤表面吸附活性、表面能级变化快慢以及煤内部微孔结构的吸附能力不同程度
煤样的粒度对热的发生变化。从热力学角度分析，
传导和气体扩散有较大影响。煤颗粒的粒径越小，
反应自发进行的趋势就越大，也就是说，小的煤颗粒其自燃的趋势较大，热重曲线上反应的起始温度和
反应的区间变小，煤样的自燃、着火终止温度降低，
温度降低。其次，从动力学角度分析，煤颗粒粒径越
小，速率常数越大，煤的比表面积随着煤粉颗粒粒径的减小而增加，随煤粉颗粒比表面积的增加活化能减小，煤粉越易着火燃烧3．3
〔8〕
3#
#
5#
#
由表2可以清晰的看出第1阶段，即最初阶段
所经历的时间与煤的变质程度成反比，煤变质程度越低，煤样所要经历的时间越长，煤表面对氧的吸附
煤表面对氧的吸附能力越大，煤活性点分布的越多，
吸附氧越容易，其他条件相同的情况下，煤发生自燃
的几率越大。
第2阶段所经历的时间值也基本是跟变质程度成反比的，即变质程度越低，煤表面吸附能级变化越慢，即吸附了氧以后越不容易释放出来，煤发生自燃的几率越大。
。
温度对煤吸附氧气的影响
采用芙蓉矿的煤样实验研究了温度对煤吸附氧
·1
0·
（第42卷第6期）
试验·研究
气的影响。将煤样破碎到104 74μm 粒径，分别
40ħ 和60ħ 完成吸附氧气实验。不同温度在30ħ 、
与煤吸附氧的关系如表4所示。
表4
温度/ħ304060
煤对氧的物理吸附量增加，由于物理吸附是放热反
于是在较低温下，容易发生。应，参考文献：
温度影响下的阶段经历时间
第2阶段0．0440．0440．040
第3阶段0．0400．0420．038
min
第4阶段0．0720．0620．062
〔1〕徐精彩．煤自燃危险区域判定理论〔M 〕．北京：煤炭工
2001．业出版社，
〔2〕张燕妮，邓
军，罗振敏，等．煤自燃影响因素的热重
兵，等．煤表面对单氧分子的物
〔J 〕．西安科技大学学报，2008，28（2）：388－391．分析
〔3〕邓存宝，王继仁，叶
－174．
〔4〕路
长，余明高，陈
亮，等．煤的受热氧化及其对物
〔J 〕．煤炭学报，2008，33（9）：1025理吸附氧气的影响－1028．
〔5〕马汉鹏，陆
伟，王德明，等．煤自燃过程物理吸附氧
〔J 〕．煤炭科学技术，2006，34（7）：26－29．的研究
〔6〕梁运涛．煤吸附氧的过程特性研究〔C 〕//中国职业安
全健康协会首届年会暨职业安全健康论坛．北京：煤2004（7）：179－181．炭工业出版社，〔7〕王可新，傅雪海，权
彪，等．中国各煤级煤的吸附解
〔C 〕//2008年煤层气学术研讨会论文集．吸特征研究
2008：31－42．北京：地质出版社，〔8〕刘
．剑，赵凤杰．粒度对煤自燃倾向性表征影响〔J 〕2006，25（1）：1－3．辽宁工程技术大学学报，作者简介：邓
军（1970－），男，四川大竹人，教授，博
〔J 〕．中国矿业大学学报，2008，37（2）：171理吸附机理
第1阶段0．1040．1020．090
由表4可知，在30ħ 时，煤释放氧的各个阶段
所需的时间比较长，即煤样对氧的吸附活性较差，吸附的氧气较难脱附。而随着温度的增高，煤释放氧气的各个阶段所需的时间均有所减短，即是煤对氧的吸附活性增强。由表可知，在3个温度条件下，第1阶段和第4阶段时间变化明显，即是温度对煤表面吸附活性和煤微孔结构吸附能力有较大影响。温度对脱附起活化作用，温度越高，游离态的氧越多，吸附气越少。物理吸附是放热反应，存在着随吸附温度升高吸附量减小的特点，所以在低温下吸附过程更容易进行。4
结
语
（1）研究了煤动态吸附氧气的过程，并将此过程划分为初期表面吸附、能量交换吸附、主要内部空隙吸附和内部微孔及毛细孔吸附4个阶段。
（2）通过对无烟煤、气煤、长焰煤、肥煤、焦煤、不粘煤和无烟煤等不同变质程度煤样进行吸附试验，对于煤表面来说，煤变质程度越高，煤表面吸附活性点存在的就越少，煤表面吸附氧气的能力就越弱。对于煤的内部孔隙来说，煤表面变质程度越高，煤的孔隙率越小，吸附氧气的能力较弱。即煤变质
越不容易发生自燃。程度越高，
（3）在420 250μm 、250 150μm 、150 104104 74μm 的粒径下完成吸附氧的实验，μm 、由吸
煤的粒度越大，越不易自燃，越附过程时间表可知，
是粉状研细煤，由于增大了表面积，越容易吸附氧
气，由于增大了反应速率常数，也越容易发生自燃。但当煤粒度在150 104μm 以上时，粒度对煤吸附氧气的影响变小。
（4）分别在30ħ 、40ħ 和60ħ 温度下完成吸附氧气实验，由吸附过程时间表可知，温度越高，活化作用越强烈，煤样释放氧气所需要的时间越短。温度越低，煤样释放氧气的速度越慢，即是温度越低，
导，主要从事矿山灾害防治机理及技术研究。
（收稿日期：2011－01－04；责任编辑：王福厚
）
煤吸氧特性实验研究
邓
1，21，21，21，2军，李夏青，张嬿妮，王长安
（1．西安科技大学能源学院，陕西西安710054；2．西部矿井开采及灾害防治教育部
陕西西安710054）重点实验室，
摘
要：采用ZRJ －1煤自燃性测定仪，分别对不同变质程度和粒度的煤样，在不同温度条件下
进行氧气吸附实验，并运用煤氧吸附过程分析法研究了不同实验条件下煤吸附氧过程的特征曲
得出不同变质程度、粒度和温度条件对煤氧吸附规律的影响关系，为进一步研究煤对氧的吸线，
附性与煤自燃性的关系奠定了基础。
关键词：煤吸氧特性；变质程度；粒度；温度；自燃
+
中图分类号：TD752．2文献标志码：A
文章编号：1003－496X （2011）06－0007－04
Experimental Study of Coal Adsorbing Oxygen Characteristic
2222
DENG Jun 1，，LI Xia －qing 1，，ZHANG Yan －ni 1，，WANG Chang －an 1，
（1．Science and Technology School of Energy Engineering ，Xi ＇a n University ，Xi ＇a n 710054，China ；2．Key Laboratory of Western Mine
Exploitation and Hazard Prevention of Education Ministry ，Xi ＇a n 710054，China ）
Abstract ：ZRJ －1coal spontaneous combustion character tester developed by Fushun branch of China Coal Rese arch Institute is adopt-ed in the paper ，oxygen absorption tests are carried out to coal samples of different rank and different particle size on different tempera-ture ，the characteristic curves during oxygen absorption procedure of coal on different experimental conditions are analyzed by using coal －oxygen absorption procedure analysis method．The influences of coal rank ，particle size and temperature condition on coal －oxy-gen absorption law are concluded ，it lays foundation for further research on the relation between oxygen －absorption character and spon-taneous combustion nature of coal．
Key words ：character of coal absorbing oxygen ；metamorphic grade ；particle size ；temperature ；self －ignition
煤自燃灾害是现在煤炭行业急需解决的安全问
题之一。长期以来人们在煤自燃机理和防治技术研究做了大量的工作，但由于煤自身物理结构和化学结构的复杂性，煤自燃问题并没有得到很好的解决。研究表明
〔1－5〕
究；②采用动态吸附法研究煤氧吸附动态变化过程，
通过测试不同煤样吸氧过程曲线，建立煤吸氧速度数学模型；③采用色谱吸氧法测试煤样的物理吸附氧量，分析研究影响煤物理吸附氧的影响因素。利用煤炭科学研究总院沈阳研究院研制的ZRJ －1型煤自燃性测定仪，实验研究了多个典型煤样吸附流态氧的过程特性，运用煤氧吸附过程分析法分析了煤吸附氧过程曲线的若干特征，并研究了煤变质程度、粒度、温度与煤吸氧特性之间的关系。1
实验条件及过程
，煤表面具有吸附性是由于煤孔隙表
面具有不饱和能的存在，与非极性气体分子之间能
产生范德华力，从而吸附气体分子。煤自燃起因是煤与氧之间的物理吸附和化学吸附，进而发生化学
放出吸附热和化学反应热，随着热量逐渐积聚反应，
造成煤体温度升高后引发燃烧的过程。因此，煤具有吸附性和氧化性是引起煤炭自燃的重要原因。研究煤的吸氧特性对于深入研究煤自燃防治机理开发煤自燃防治技术有着重要的意义。目前，煤吸氧特性的研究主要在以下几个方面：①从微观的角度，应用量子化学理论对煤与氧的物理吸附机理进行研
基金项目：教育部创新团队资助项目（IRT0856）；陕西省自然科学基础研究计划资助项目（2010JM6016）；陕西省教育厅科学研究计划资助项目（2010JK693）
实验选用白芨沟矿、芙蓉矿、王村矿、孟加拉矿、
龙固矿、羊肠湾矿和埠康矿开采工作面具有代表性的新鲜煤样，并用多层塑料袋密封包装运回，实验时取核心部分进行粉碎筛分得到所需粒度的样品。实验设备采用ZRJ －1型煤自燃性测定仪，每次实验前需对仪器进行检漏处理，以防止气体泄漏影响实验结果。各地区煤样的煤质分析如表1。
表1
编号1234567
样品白芨沟魏家地石沟驿龙埠芙
固康蓉
M ad 0．00570．00830．07090．01120．02470．08200．0128
工业分析/%
A d
0．03410．11440．06220．09830．04140．04780．2750
V daf 0．08320．29380．30790．30880．44470．36550．1113
各矿区煤质分析
N 0．9120．6620．8421．3751．2630．8080．912
C 87．4669．5367．7078．9973．2262．2587．46
元素分析/%
S 0．8130．5951．3280．6110．1770．5510．813
H 3．5915．1894．8394．9685．6625．473．591
O 6．04117．22320．00412．13215．78624．5825．078
变质程度无烟煤气煤长焰煤肥煤焦煤不粘煤无烟煤
羊肠湾
称量1g 煤样装入样本室，升温至105ħ 后恒温温2h ，期间用30mL /min的氮气吹扫进行脱附。将煤样吹扫脱附后，在设定的实验温度条件下，向样品管内通入20min 流量为20mL /min的O 2，以便达到物理吸附平衡。吸附平衡后立刻将通入气体切换成用于置换煤样中吸附的O 2。并利用热导检测氮气，
器，检测出氮气流中的氧气量，以电平为表现形式，在工作站生成煤吸附氧过程曲线。
图1为埠康矿104 74μm 粒度的煤样在30ħ 条件下吸附氧气产生的吸氧过程曲线。横坐标表示
纵坐标表示某一时刻氮气流中的氧气吸附的时间，含量
。
煤表面对氧的吸附性越面吸附活性点存在的越多，
〔6〕强。
当开始有氧气通过感应器时，工作站开始出现并且曲线的斜率逐渐从小变大，直至一个基本曲线，
恒定的值，这个时间段为煤吸附氧气的第2阶段。这个斜率的变化体现了通过感应器氧气量的速度变化，即是煤表面释放氧的速度规律。由于能量守恒原理，煤释放的氧气越多表示煤表面能越小。因此曲线斜率增大的过程表明煤表面位置能级的变化过程。第2阶段经历的时间越长说明煤表面吸附能级煤表面吸附氧的速度变化越均匀。变化越慢，
当曲线斜率增大到某一值时，斜率将持续不变经历一段时间，为煤吸附氧气的第3阶段。此阶段主要反应煤内部孔隙对氧的吸附。煤是一种多孔物微孔分为表面微孔结构和内部微孔结构，煤内部质，
微孔结构发达导致内部微孔赋存的氧气相比表面微孔结构比率增大，即是煤吸附的氧气更难以被解析出来，吸附速度就慢。斜率的大小表示了煤吸附氧气的速度变化，斜率小表示煤吸附速度较慢。斜率在保持一段时间为某一常数后，将逐渐减小到0，为煤吸附氧气的第4阶段。从开始变小直
图1埠康矿煤样吸附氧过程曲线
至为0所消耗的时间反映了煤微孔结构对氧气的吸附能力。即这个阶段持续时间越长表明煤内部微孔结构对氧的吸附能力越强。
2实验峰图分析
如图1所示，实验初期得到的曲线是一基本水
3影响因素分析
平的直线，为煤吸附氧气的第1阶段。从氮气开始置换氧气到出现曲线这一过程所需要的时间可以视作煤表面对氧气的扣留时间与氮气通过系统管路的时间之和。由于管路体积恒定，氮气流量恒定，氮气通过管路的时间可认为基本相同，因此，这段直线的长短可以视作煤表面对氧的吸附能力，即表面吸附活性的表达。第1阶段经历的时间越长，表明煤表
煤吸附氧的影响因素主要有煤的变质程度、粒
度、吸附温度、水分、压力等，重点实验研究了变质程度、粒度和温度对于煤吸氧性的影响。3．1煤变质程度对煤吸氧性的影响
实验选用石沟驿、羊肠湾、龙固、魏家地、埠康以及白芨沟矿的煤样，在空气中破碎到104 74μm 粒径，在30ħ 条件下吸附氧气，得到各煤样吸附氧气的峰图如图2所示。
试验·
研究
（2011－06）
·9·
煤样在第3阶段的时间值也是持续走高，即跟煤变质程度成反比。由图2知煤样第3阶段斜率值相似，那么持续的时间值就代表了吸附氧气的量的
即煤变质程度越低，煤吸附氧的量越大。多少，
第4阶段的时间曲线与煤变质程度呈正比，煤
煤内部孔隙结构越发达，煤内部孔隙变质程度越低，
对氧的吸附能力越强。
由表可明显看出，不同煤级吸附曲线第1阶段的变化最为明显，即对不同煤级的煤，煤表面活性点
图2
不同变质程度煤样低温吸附过程曲线
煤变质程度越高，煤表面吸附分布情况有较大差异，活性点相对越少。3．2
粒度对煤吸附氧的影响
选用埠康矿的煤样实验研究了粒度对煤吸氧性
250的影响。将煤样在空气中破碎到420 250μm 、 150μm 、150 104μm 、104 74μm 的粒径，在
30ħ 的条件下完成吸附氧气实验。不同粒度与煤吸附氧气的关系如表3所示。由表3可见，粒度为420 250μm 的煤样在各个阶段释放氧气的速度均
表3
粒径/μm 420 250250 150150 104104 74
由图2中可以看出，各矿区煤样都具有相似的吸附曲线，说明不同变质程度的煤样都具有相似的
##
吸氧特性规律。1和2高变质程度的煤样释放氧气的速度较快，峰的位置较靠前，经历的解吸时间较##短，即对氧的吸附能力较弱。5和6低变质程度煤样释放氧气的速度较慢，峰的位置靠后，经历解吸时
间较长，即对氧的吸附能力也强。这是由于低变质程度的煤与中、高变质程度的煤吸附特征存在一定的差异，变质程度较低的煤分子排列不规则，结构松散，单位内表面上的碳原子密度小，且含氧官能团多，对气体的吸附势低，因而其单位内表面吸附
〔7〕
气体的能力弱。
将煤吸附氧的时间曲线按4个阶段分割开来，分别统计时间长短，见表2。
表2
编号1#246
#
粒度影响下各阶段经历的时间
第1阶段0．1100．1200．1280．130
第2阶段0．0540．0500．0500．049
第3阶段0．0440．0440．0440．043
min
第4阶段0．0620．0660．0580．058
变质程度影响下各阶段经历的时间
第2阶段0．0460．0540．0480．0500．0520．052
第3阶段0．0490．0520．0570．0600．0580．060
min
第1阶段0．0850．1040．1250．1400．1200．138
第4阶段0．0600．0600．0600．0480．0550．052
比较快，即粒度大的煤自燃性低。粒度越小，煤释放
氧气的速度越慢，自燃的可能性越大。粒度在250 150μm 以上尤其150 104μm 以下，粒度大小对煤吸附氧气的影响差别缩小。而粒度变化导致第1阶段、第2阶段和第4阶段的时间值发生了比较明显的变化，即粒度变化，煤表面吸附活性、表面能级变化快慢以及煤内部微孔结构的吸附能力不同程度
煤样的粒度对热的发生变化。从热力学角度分析，
传导和气体扩散有较大影响。煤颗粒的粒径越小，
反应自发进行的趋势就越大，也就是说，小的煤颗粒其自燃的趋势较大，热重曲线上反应的起始温度和
反应的区间变小，煤样的自燃、着火终止温度降低，
温度降低。其次，从动力学角度分析，煤颗粒粒径越
小，速率常数越大，煤的比表面积随着煤粉颗粒粒径的减小而增加，随煤粉颗粒比表面积的增加活化能减小，煤粉越易着火燃烧3．3
〔8〕
3#
#
5#
#
由表2可以清晰的看出第1阶段，即最初阶段
所经历的时间与煤的变质程度成反比，煤变质程度越低，煤样所要经历的时间越长，煤表面对氧的吸附
煤表面对氧的吸附能力越大，煤活性点分布的越多，
吸附氧越容易，其他条件相同的情况下，煤发生自燃
的几率越大。
第2阶段所经历的时间值也基本是跟变质程度成反比的，即变质程度越低，煤表面吸附能级变化越慢，即吸附了氧以后越不容易释放出来，煤发生自燃的几率越大。
。
温度对煤吸附氧气的影响
采用芙蓉矿的煤样实验研究了温度对煤吸附氧
·1
0·
（第42卷第6期）
试验·研究
气的影响。将煤样破碎到104 74μm 粒径，分别
40ħ 和60ħ 完成吸附氧气实验。不同温度在30ħ 、
与煤吸附氧的关系如表4所示。
表4
温度/ħ304060
煤对氧的物理吸附量增加，由于物理吸附是放热反
于是在较低温下，容易发生。应，参考文献：
温度影响下的阶段经历时间
第2阶段0．0440．0440．040
第3阶段0．0400．0420．038
min
第4阶段0．0720．0620．062
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军（1970－），男，四川大竹人，教授，博
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第1阶段0．1040．1020．090
由表4可知，在30ħ 时，煤释放氧的各个阶段
所需的时间比较长，即煤样对氧的吸附活性较差，吸附的氧气较难脱附。而随着温度的增高，煤释放氧气的各个阶段所需的时间均有所减短，即是煤对氧的吸附活性增强。由表可知，在3个温度条件下，第1阶段和第4阶段时间变化明显，即是温度对煤表面吸附活性和煤微孔结构吸附能力有较大影响。温度对脱附起活化作用，温度越高，游离态的氧越多，吸附气越少。物理吸附是放热反应，存在着随吸附温度升高吸附量减小的特点，所以在低温下吸附过程更容易进行。4
结
语
（1）研究了煤动态吸附氧气的过程，并将此过程划分为初期表面吸附、能量交换吸附、主要内部空隙吸附和内部微孔及毛细孔吸附4个阶段。
（2）通过对无烟煤、气煤、长焰煤、肥煤、焦煤、不粘煤和无烟煤等不同变质程度煤样进行吸附试验，对于煤表面来说，煤变质程度越高，煤表面吸附活性点存在的就越少，煤表面吸附氧气的能力就越弱。对于煤的内部孔隙来说，煤表面变质程度越高，煤的孔隙率越小，吸附氧气的能力较弱。即煤变质
越不容易发生自燃。程度越高，
（3）在420 250μm 、250 150μm 、150 104104 74μm 的粒径下完成吸附氧的实验，μm 、由吸
煤的粒度越大，越不易自燃，越附过程时间表可知，
是粉状研细煤，由于增大了表面积，越容易吸附氧
气，由于增大了反应速率常数，也越容易发生自燃。但当煤粒度在150 104μm 以上时，粒度对煤吸附氧气的影响变小。
（4）分别在30ħ 、40ħ 和60ħ 温度下完成吸附氧气实验，由吸附过程时间表可知，温度越高，活化作用越强烈，煤样释放氧气所需要的时间越短。温度越低，煤样释放氧气的速度越慢，即是温度越低，
导，主要从事矿山灾害防治机理及技术研究。
（收稿日期：2011－01－04；责任编辑：王福厚
）