永夏煤田天然焦除爆方法实验研究

王山东，冯 翔

(河南省地质矿产勘查开发局第十一地质队，河南 商丘 476000)

1 天然焦的热爆性

天然焦是由于岩浆侵入与煤层直接接触或接近煤层部位，或由于煤层的地下自燃，使煤层干馏而形成的“焦炭”，因与人工焦炭相似而得名。

所谓天然焦的“热爆性” ，是指天然焦放在火里或加热到一定温度后，发出“劈啪劈啪”……连续爆炸的响声。产生“热爆性”的原因是：天然焦在地下密闭状态下受压干馏，大量的气体和水分被封存在天然焦内无法逸出，当加热或燃烧到一定温度时，大量的气体急剧逸出，即产生一连串的爆炸反应。

另外，由于天然焦的气孔和裂隙中圈闭着气体，有时为多孔状，加热后，气体膨胀及部分碳酸盐分解出气体，也是天然焦产生“热爆性”的原因。从而使其热稳定性降低，影响其燃烧和利用。

永夏煤田的天然焦大多具有这种“热爆性”。本次试验的目的，就是要找出一条使“爆裂型”天然焦转变成“非爆裂型”天然焦的新途径，解决去除天然焦“热爆性”的最佳方法，使天然焦产生其应有的利用价值。

2 天然焦的物理化学特性及工艺性能

2.1 天然焦的物理性质

永夏煤田的天然焦分布在早古生界二叠系山西组及下石盒子组煤层中，多是受岩浆热液影响变质而成。呈钢灰色-铅灰色、灰黑色，比冶金焦颜色略深，光泽暗淡或无光泽，均质块状、柱状结构，少数为粒状。由于原煤结构遭到破坏，成分发生变化，具有细孔，较坚硬，容重大，容重一般在1.64～1.74g/cm3之间，个别可达1.80 g/cm3以上。块状焦裂隙及节理较发育，常有方解石脉穿插及附有黄铁矿薄膜，燃烧时无烟、无焰、火力强。燃烧时有发生爆裂现象，并伴随“嘭嘭嘭”响声，即通常所说的“热爆性”。

天然焦具明显的物性特征，视电阻率值较煤低，在视电阻率测井曲线上形态呈低平状，接近零值 ,在界面处几乎呈90°交角，与煤区别明显。γ-γ强度比煤略低，为70万～150万脉冲/min，呈较高异常。天然焦表现为电子导电性 ,氧化反应强烈，电化学活动性增加，自然电场活跃，因而在自然电位曲线上，天然焦呈突出正异常反映，形似“尖刀状”，电位值达30～150mV，这是天然焦的独特物性。弹性波的速度随变质程度而变化 ,变质程度越深 ,声速越大。因此，在声速曲线上，天然焦要大于无烟煤。

天然焦、煤层的物性特征见表1，天然焦、煤层测井曲线形态对比图见图1。

表1 天然焦、煤层物性特征一览表

图1 天然焦、煤层测井曲线形态对比图

2.2 天然焦的煤岩特征

天然焦内有机质占62%～83% ，无机质也以黏土矿物为主。天然焦在镜下呈亮黄白色，反射率远高于残留的有机组分，具重结晶特征，呈斑点状，波状消光，具强非均质性。有机质在镜下形态各异，粒状、片状、羽毛状、条带状、似等高线状，还可见到丝炭碎片，天然焦中有菌核体。天然焦中的气孔主要赋存在粒状焦中，大多数被黏土矿物、碳酸盐等充填。黏土矿物呈透镜状、条带状，碳酸盐状矿物呈块状，黄铁矿充填在裂隙内呈细脉状、星点状。

2.3 天然焦的化学性质

二2煤层天然焦的原煤水分含量普遍高于煤层，为0.7%～4.72%，平均2.52%。三煤组天然焦原煤水分含量与煤相比，则高低不一。岩浆侵入煤层后，和煤层发生熔融交代作用，煤中有机质发生分解并混入岩浆物质，天然焦灰分比正常煤层高。二2煤层天然焦灰分10.30%～29.28%，平均20.82%；三2煤天然焦灰分15.53%～38.19%，平均29.69% ；三4煤天然焦灰分16.67%～38.08%，平均29.08%。

天然焦的挥发分较相应煤层均有所降低，是因接触变质作用使煤中挥发分逸出之故。二2煤天然焦挥发分2.15%～25.46%，平均7.48%，三4煤天然焦挥发分8.15% 。

天然焦固定碳含量较低，多低于无烟煤和贫煤。

天然焦经元素分析，二2煤天然焦的C含量在92.86%～94.83%之间，平均93.85%；H含量有显著的降低，仅为0.97%～2.80% ，平均1.58%，多数小于2%。其他指标如N、O+S，也随着焦化程度由弱变强而渐减少，N0.67%～2.00% ,O+S3%～4% 。

天然焦中全硫含量较煤层低，是因岩浆侵入煤层后，煤中有机硫受高温分解逸出所造成。全硫含量最低为0.04% ，最高为3.13% ，平均含量为0.40% 。

天然焦中P含量较煤中高，平均0.007% 。

综上所述，同一层煤的天然焦与同煤层进行对比，有比原煤层水分高、灰分高、挥发分低、固定碳低、全硫低、碳元素含量增高、氢元素含量显著降低、磷含量增高的特点。

2.4 天然焦的工艺性能

2.4.1 发热量

天然焦的发热量比煤层略低，二2煤天然焦低位发热量(Qnet.d)在24～31MJ/kg之间，多大于25MJ/kg；天然焦高位发热量(Qgr.d)均在26～36MJ/kg之间, 多大于30MJ/kg。发热量热值的高低与煤的氢元素含量有关，在灰分相同的情况下，氢元素含量较高的发热量就较高，反之则较低。

2.4.2 灰成分和灰熔点

天然焦的灰成分中CaO、MgO、Fe2O3较煤有所增高，其他指标与煤类似。天然焦的灰熔融性(T2)均大于1250℃，属高熔灰分。天然焦中的Fe2O3含量比煤层增高2～3倍，MgO含量增加的也较高，达3～6倍，但Al2O3含量则明显降低。这可能与岩浆岩的成分有关，在岩浆岩侵入煤层时与煤中组分发生作用改变了其组分。

天然焦灰熔点的高低与煤和岩浆热液的热液交代作用有关。交代愈充分，天然焦中的Fe2O3和CaO增加愈多，软化温度T2愈小，小于1250℃；反之愈大，大于1250℃。各区试验结果表明，各煤层天然焦的灰熔性(T2)均大于1250℃，属高熔灰分。

2.4.3 化学活性

天然焦在成焦过程中，孔隙遭到不同程度的破坏，矿物质含量增高。在和CO2反应时，表面积相对减少，所以，天然焦对CO2的反应性比煤差，多在44.17%～59.60%之间。

2.4.4 热稳定性及机械强度

各煤层的天然焦热稳定性变化较大，二2煤层天然焦差，三4煤层天然焦普遍好，三2煤天然焦差。

2.4.5 可选性及粒度

通过简易可选性试验，天然焦很难选。

天然焦由于矿物质紧密胶结有机质，比重较大，无精煤浮出，尾煤量大大增加，可达81.2%，属很难选煤。

2.4.6 燃点

天然焦的燃点随着焦化程度的增高而增高， 各煤层天然焦还原样燃点和氧化样燃点之差Δγ均小于20℃。按煤的自燃等级分类，各煤层天然焦均属于不自燃天然焦。

综上所述，天然焦的工艺性能是：发热量均低于煤层，天然焦的灰成分中CaO、MgO、Fe2O3较煤有所增高，天然焦的灰熔融性(T2)均大于1250℃，属高熔灰分。天然焦对CO2反应性比煤差，二2煤层天然焦热稳定性差，天然焦机械强度比较好，天然焦很难选，为不自燃焦。

3 天然焦除爆实验

为了解决天然焦的热爆性，在永夏煤田矿井下巷道内，用拣块法采集工艺试验样2个，总重量200kg，除做除爆试验外，还进行了煤质分析。

样品特征：钢灰色，弱金属光泽，块状，致密坚硬，具不规则多面体柱状节理，外观类似人工焦炭。把分离出的样品(20cm×15cm×12cm)在普通煤火炉上做初步燃烧试验，随着温度的升高，约5min左右，即发生由密到疏、由低到高的爆炸声，崩出的碎块大小如瓜子状，蹦出碎片的距离距煤火炉约1m左右，直至试样燃烧爆碎完毕。

天然焦除爆实验的原理是：①通过高温加热，使天然焦中的气体充分释放，消除天然焦的“热爆性” 。②通过机械破碎，把天然焦中的气体逸出，从而使其失去“热爆性” 。

除爆实验的目的：找出消除天然焦“热爆性”的方法；找出消除天然焦“热爆性”后的利用途径。本次初步选择两种方法，现依次叙述如下。

3.1 高温除爆法

将大块天然焦分别破碎为3～5cm、5～8cm、8～10cm、10～15cm、15～20cm几种粒度的碎块状，天然焦试验样各5份，每种粒度样各取2份按照顺序排列，每一份按照1、2、3、4、5进行编号以备试验。

3.1.1 同一温度下，不同粒度天然焦加热时间与“热爆性”消失试验

取第一份粒度3～5cm、5～8cm、8～10cm、10～15cm、15～20cm各粒级5种样品各1份，分别装入5个瓷舟中，按照顺序及编号分别置于四联电炉上进行加热。当加热温度达400℃时，遇热后的1～5号样品先后发生爆炸，随着温度增加，爆炸愈加强烈。

试验观察：自爆炸开始经过10min后，1号样品的爆炸声慢慢减弱并逐渐消失；15min后，2号样品爆炸声慢慢减弱并逐渐消失；23min后，3号样品爆炸声慢慢减弱并逐渐消失；35 min后，4号样品爆炸声慢慢减弱并逐渐消失；50min后，5号样品爆炸声慢慢减弱并逐渐消失。同一温度下，不同粒度样加热时间与爆炸性消失的关系见表2。

表2 加热时间与热爆性消失关系表(温度400°C下)

从表2试验结果看，在相同的温度下，天然焦爆炸性消失与粒度和时间有关。粒度小，消除爆炸性的时间短；粒度大，消除爆炸性的时间长，即和粒度与时间成正比。

3.1.2 不同粒度天然焦在不同温度下消除“热爆性”试验

取粒度3～5cm、5～8cm、8～10cm、10～15cm、15～20cm各粒级5种样各1份进行编号试验。

1)把马沸炉(箱型为高温炉)进行预热，待温度升到50～60℃时，将1～5号样分别放入瓷舟中，并分别置于马沸炉上进行加热。在该温度区持续加热1h后，5份样品均无爆炸性。

2)在温度升至100℃～150℃区间，持续加热1.5h后，5份样品均有轻微爆炸性。

3)在温度升至200℃～250℃区间，持续加热11.5h后， 1号样品爆炸声消失，其他4份样品爆炸激烈，说明1号样品已无爆炸性。

4)在温度升至300℃～350℃区间，持续加热1h后，2号样品爆炸声消失，3号样品爆炸声微弱，4、5号样品爆炸声激烈；此温度下继续加热30min， 3号样品爆炸声消失，4、5号样品仍然爆炸；即此温度下加热1.5h，2、3号样品已无爆炸性。

5)在温度升至400℃～450℃区间，持续再加热30min，4号样品爆炸声消失；5号样品仍有轻微爆炸声，再继续加热30min后， 5号样品爆炸性完全消失，说明4、5号样品已无爆炸性。

经试验，不同粒度的天然焦在不同温度下消除爆炸性的时间也不相同，它们之间的关系见表3。

表3 不同温度和不同时间下与热爆性消失关系表

从表3试验结果看，不同粒度的天然焦，消除爆炸性随着温度和时间的变化而变化。小粒度的天然焦，消除爆炸性温度低时间短；大粒度天然焦，消除爆炸性所需温度高时间长，即与粒度、温度和时间成正比。

3.2 破碎除爆法

通过破碎到一定的粒度后，消除天然焦的爆炸性，增加天然焦的使用性。

通过高温加热，使天然焦中的气体充分释放出来，由此除去爆炸性。

将天然焦破碎成粒度30、60、90、120目的碎块状、粒状或粉状，并分别称50g放在瓷舟中，分别编号为1、2、3、4，分别放置于电炉上进行爆炸性试验。在随着温度升高的过程中，显示30目的样品还有轻微爆炸声，60、90、120目的样品已完全没有了爆炸声。

通过实验分析认为，把天然焦破碎到60目以上的状态后，使天然焦结构和物理性质发生变化，可能使原存在于天然焦中的包体进行了破坏，孔隙减少，将残存的爆炸性气体充分释放出来，再遇热时也可将一定的残存气体释出，使爆炸性消失。

从破碎法消除天然焦爆炸性方法看，简便易行，是可取的。

4 实验结论

通过高温除爆法和破碎除爆法试验，初步得出如下结论：

1)不同块度的天然焦遇热后有不同程度的爆炸性，块状(粒度)越大的天然焦爆炸性越剧烈，所需的温度高、时间长。

2)在相同的温度下，块状(粒度)越大的天然焦，除爆所需时间越长。

3)将天然焦破碎到大于60目的粒度时，使其结构和物理性质发生变化，

天然焦通过破碎气体释出，不需加热可以消除爆炸性。

通过比较，高温除爆法工艺流程较复杂，不好掌握；破碎法简单易行，操作简便，可以采用。

天然焦的“热爆性”是影响天然焦使用的最大障碍，通过此次实验，初步找到了消除天然焦“热爆性”的方法，为今后天然焦的综合利用奠定了基础。条件许可时，可以进行工业试验和综合利用实验。

[1] 姚多喜，李平华.河南省永夏煤田新桥井田天然焦的岩石学研究[J].淮南矿业学院学报， 1995,15(4)：7-11.

[2] 江明.天然焦及其综合利用[J].煤炭加工及综合利用，1995 (6):46-48.

[3] 赵海舟.烟煤接触变质带的煤岩学研究[J].煤炭学报，1994,19(5)：465-472.

[4] 张立文，刘满.采煤副产品——天然焦的开发与利用[J]. 中国能源，1994 (10)：10-13.