周西華，牛田元,白　剛,李　昂,王　成

(1.遼寧工程技術(shù)大學(xué) 安全科學(xué)與工程學(xué)院，遼寧 阜新 123000；2.礦山熱動力災(zāi)害與防治教育部重點實驗室，遼寧 阜新 123000; 3.遼寧工程技術(shù)大學(xué) 煤炭資源安全開采與潔凈利用工程研究中心，遼寧 阜新 123000)

0　引言

煤層自燃火災(zāi)占礦井火災(zāi)90%以上，嚴(yán)重威脅了煤礦井下安全生產(chǎn)[1]。煤體熱量的產(chǎn)生和積聚是導(dǎo)致煤炭發(fā)生自燃的最直接原因，煤自燃的根本原因是空氣中的氧氣氧化了煤體。煤自燃極限參數(shù)是判斷煤自燃危險區(qū)域的有力依據(jù)，表征煤自燃極限外界條件的參數(shù)主要有下限氧濃度、上限漏風(fēng)強度和最小浮煤厚度[2]。影響煤自燃極限參數(shù)的因素較復(fù)雜，研究影響自燃極限參數(shù)的各種因素并為井下控制煤自燃提供基礎(chǔ)參數(shù)意義重大，因此，自燃極限參數(shù)及其影響因素成為研究重點。為此，徐精彩等[3]用改進的BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)分析距離、氧濃度、放熱強度、溫度、漏風(fēng)強度、浮煤厚度幾種影響因素來對自燃極限參數(shù)進行預(yù)測；鄧軍等[4]總結(jié)了用煤自燃極限參數(shù)來對煤自燃進行預(yù)測的理論研究進展；易欣等[5]用實驗?zāi)M自燃過程得到隨著時間和溫度的變化煤自燃極限參數(shù)的變化規(guī)律進而推出預(yù)防自燃的方法；譚波等[6]利用煤自燃程序升溫試驗得出3種不同變質(zhì)程度的煙煤自燃極限參數(shù)的規(guī)律；馬礪等[7-9]利用煤自燃程序升溫試驗裝置計算5種粒徑、煤樣升溫、4種不同的阻化劑處理條件下對煤自燃極限參數(shù)的影響。上述研究主要計算和分析了不同時間、粒度、煤溫、氧濃度、煤變質(zhì)程度、阻化劑對煤自燃極限參數(shù)的影響。

煤自燃是氧濃度、熱量積聚等多因素耦合作用導(dǎo)致，供風(fēng)量與采空區(qū)自燃“三帶”分布范圍呈現(xiàn)一定規(guī)律，進而影響采空區(qū)遺煤自燃極限參數(shù)，但目前關(guān)于供風(fēng)量對煤自燃極限參數(shù)影響研究甚少。為此，筆者選取內(nèi)蒙古平莊瑞安褐煤為試驗煤樣，在前期研究供風(fēng)量與煤自燃氣體生成規(guī)律基礎(chǔ)之上[10]，計算了不同供風(fēng)量下的煤自燃極限參數(shù)，為預(yù)防井下遺煤自燃提供關(guān)鍵基礎(chǔ)參數(shù)。

1　不同供風(fēng)量條件下褐煤程序升溫試驗

1.1　煤樣工業(yè)分析

試驗煤樣選取內(nèi)蒙古平莊瑞安褐煤，在實驗室將小塊狀的煤樣放入粉碎機中粉碎，篩選出介于50～80目的煤樣，裝入棕色60 mL廣口瓶中，然后將其密封封存以防氧化。煤樣的工業(yè)分析與元素分析數(shù)據(jù)詳見表1。

表1　煤樣的工業(yè)分析與元素分析

1.2　試驗條件與試驗方法

程序升溫系統(tǒng)試驗裝置如圖1所示。將稱取的2份煤樣(2 g/份)放入到瓷盤中，然后推送到管式爐的碳硅管中，用乳膠塞將碳硅管的兩端密封，打開鋼瓶的閥門，并將氣壓調(diào)節(jié)到0.1 MPa，將轉(zhuǎn)子流量計的流量設(shè)置為40，80，120，160，200 mL/min，對應(yīng)風(fēng)速為0.002 123，0.004 26，0.006 39，0.008 52，0.010 65 m/s。接通電源后，打開溫度顯示器和管式爐電源開關(guān)。管式爐升溫速率設(shè)置為2℃/min，由于40℃時可以除去褐煤中的外在水分，褐煤的著火溫度在200℃以上，所以在試驗時采用的溫度在40～200℃之間，每隔一定的溫度啟動管式爐程序升溫系統(tǒng)取大約5 mL氣體于球膽內(nèi)，用GC-4085型氣相色譜儀對球膽內(nèi)氣樣的氣體成分及體積分?jǐn)?shù)進行分析。

圖1　實驗裝置Fig.1　Experiment device schematic diagram

試驗得到供風(fēng)量為40～200 mL/min時，溫度在40～200℃范圍內(nèi)的O2，CO和CO2體積分?jǐn)?shù)，根據(jù)文獻[7]計算得出耗氧速率、CO產(chǎn)生速率、CO2產(chǎn)生速率和放熱強度的數(shù)值，并將所得的放熱強度結(jié)果用于褐煤自燃極限參數(shù)的計算當(dāng)中。

2　煤自燃極限參數(shù)計算

煤自燃是內(nèi)因和外因都滿足的條件下發(fā)生的。煤層自燃除了滿足自燃內(nèi)在因素，即有自燃傾向性的煤以外，在一定時間的基礎(chǔ)上還要有足夠大的煤厚，充足的氧氣和熱量聚集的場所[11]。煤自燃的極限參數(shù)是引發(fā)自燃的外界條件的極限值，主要包括：最小浮煤厚度、下限氧濃度、上限漏風(fēng)強度。當(dāng)煤層厚度大于最小浮煤厚度，煤層中氧氣濃度大于下限氧濃度，漏風(fēng)強度小于上限漏風(fēng)強度3條件同時滿足時煤體才有可能自燃[12]：

(h>hmin)∩(C>Cmin)∩(Q

式中：h為浮煤厚度，m；hmin為最小浮煤厚度，m；C為氧氣濃度，mol/m3；Cmin為下限氧濃度，mol/m3；Q為漏風(fēng)強度，m3/(m2·s)；Qmax為上限漏風(fēng)強度，m3/(m2·s)。

2.1　最小浮煤厚度

最小浮煤厚度主要與松散煤體溫度、放熱強度、漏風(fēng)強度有關(guān)[13]。根據(jù)瑞安煤礦現(xiàn)場實測井下煤巖體溫度為25℃，漏風(fēng)強度為0.10 m/s，根據(jù)文獻[8]中公式計算得出漏風(fēng)強度為0.10 m/s時不同供風(fēng)量條件下最小浮煤厚度如圖2所示。

圖2　最小浮煤厚度與供風(fēng)量的關(guān)系Fig.2　Relationship between the thickness of minimum floating coal and wind speed

由圖2可知：溫度為40～120℃時，最小浮煤厚度隨著供風(fēng)量增大而減小，更容易引發(fā)自燃；溫度為120～200℃時，在40～80 mL/min供風(fēng)量范圍內(nèi)，最小浮煤厚度隨著風(fēng)量增大而增大；在80～160 mL/min范圍內(nèi)，最小浮煤厚度隨著供風(fēng)量增大而減小；在160～200 mL/min范圍內(nèi)，最小浮煤厚度隨著供風(fēng)量增大而增大。漏風(fēng)強度一定時，溫度不同，供風(fēng)量不同對最小浮煤厚度的影響不同，繼而得出對煤層自燃危險性的影響。井下煤層厚度大于最小浮煤厚度是進入氧化升溫帶必要前提[13]，最小浮煤厚度越小越容易滿足這一前提，就更容易引發(fā)自燃。由此可見，溫度為40～120℃時和溫度為120～200℃，供風(fēng)量為80～160 mL/min時，供風(fēng)量的增大會增加自燃危險性。定義臨界點溫度為供風(fēng)量一定時褐煤自燃極限參數(shù)在該溫度下達到的最大或最小值，不同供風(fēng)量下對應(yīng)最小浮煤厚度的臨界點溫度見表2。

表2　不同供風(fēng)量對應(yīng)的最小浮煤厚度臨界點溫度

由表2可知：隨著供風(fēng)量增大，最小浮煤厚度的臨界點溫度呈升高趨勢。供風(fēng)量越大，散熱越多，達到煤自燃極限參數(shù)極值所需溫度就越高，所以試驗樣品的臨界點溫度隨之升高，臨界點溫度對應(yīng)的溫度點隨之增加，導(dǎo)致煤自燃危險性的溫度范圍降低，因此，風(fēng)量越大，最小浮煤厚度對應(yīng)的臨界點溫度越大，自燃危險性越小。

2.2　下限氧濃度

根據(jù)文獻[14]知，某一溫度下，其放熱強度和對應(yīng)的氧濃度近似正相關(guān)，存在一極限值，當(dāng)氧濃度小于這一極限值時，煤氧復(fù)合反應(yīng)的生成熱與散熱正好相等，煤體不再升溫，該極限值即為下限氧濃度。煤巖體溫度為25℃，漏風(fēng)強度0.10 m/s，浮煤厚度為0.6 m時，根據(jù)文獻[8]計算出浮煤厚度為0.6 m，供風(fēng)量不同時下限氧濃度變化關(guān)系如圖3所示。

圖3　下限氧濃度與風(fēng)速的關(guān)系Fig.3　Relationship between lower oxygen concentration and wind speed

由圖3可知：溫度為40～120℃時，下限氧濃度隨著供風(fēng)量增大而減小；溫度為120～200℃時，在40～80 mL/min供風(fēng)量范圍內(nèi)，下限氧濃度隨著供風(fēng)量增大而增大；在80～160 mL/min范圍內(nèi)，下限氧濃度隨著供風(fēng)量增大而減小；在160～200 mL/min范圍內(nèi)，下限氧濃度隨著供風(fēng)量增大而增大。煤層中的氧濃度大于下限氧濃度是煤體進入煤氧復(fù)合反應(yīng)中的必然條件[13]。筆者計算下限氧濃度所取的漏風(fēng)強度是一定值，即煤層散熱為定值，氧濃度超過下限氧濃度煤體即可蓄熱，所以下限氧濃度越小，越容易引發(fā)自燃，由此可見，溫度為40～120℃時和溫度為120～200℃，供風(fēng)量在80～160 mL/min范圍內(nèi)，供風(fēng)量的上升會增加自燃危險性。不同供風(fēng)量的下限氧濃度臨界點溫度見表3。

供風(fēng)量為40 mL/min,溫度為90℃時，下限氧濃度達到最大值25.258 6%，供風(fēng)量為80 mL/min,溫度為140℃時，下限氧濃度達到最大值25.097 1%，煤層自燃的下限氧濃度都超過了25%，自燃風(fēng)流中氧氣濃度為21%，煤層不能滿足這一條件，所以無法發(fā)生自燃；供風(fēng)量為120,160,200 mL/min時臨界點溫度對應(yīng)的下限氧濃度都小于21%，具備自燃的基本條件。由表3可見，供風(fēng)量越大，下限氧濃度的臨界點溫度呈升高趨勢，臨界點溫度對應(yīng)的溫度點增加，導(dǎo)致煤自燃危險性的溫度范圍降低，因此，供風(fēng)量越大，下限氧濃度的臨界點溫度越大，自燃危險性越小。

表3　不同供風(fēng)量的下限氧濃度臨界點溫度

2.3 上限漏風(fēng)強度

對于給定的井下煤體，漏風(fēng)強度不斷增加到一個定值時，煤樣復(fù)合反應(yīng)的產(chǎn)生熱全部被熱量傳遞和風(fēng)流焓變所消耗，這一臨界值即為上限漏風(fēng)強度[15]。根據(jù)文獻[8]計算出當(dāng)煤層厚度為0.6 m時，不同供風(fēng)量條件下上限漏風(fēng)強度變化規(guī)律如圖4所示。

圖4　上限漏風(fēng)強度與風(fēng)速的關(guān)系Fig.4　Relation between upper air leakage intensity and wind speed

由圖4可知：溫度為40～120℃時，下限漏風(fēng)強度隨著供風(fēng)量增加而增大；溫度為120～200℃時，在40～80 mL/min供風(fēng)量范圍內(nèi)，下限漏風(fēng)強度隨著供風(fēng)量增加而減?。辉?0～160 mL/min范圍內(nèi)，下限漏風(fēng)強度隨著供風(fēng)量增加而增大；在160～200 mL/min范圍內(nèi)，下限漏風(fēng)強度隨著供風(fēng)量增加而減小。煤層的漏風(fēng)強度小于下限漏風(fēng)強度是煤體進入煤氧復(fù)合反應(yīng)中氧化升溫帶的必然條件[13]，上限漏風(fēng)強度越大，說明產(chǎn)生熱量越多，煤體蓄熱越多，會更容易引發(fā)自燃。由此可見，當(dāng)溫度為40～120℃和120～200℃,供風(fēng)量在80～160 mL/min范圍內(nèi)時，供風(fēng)量的增大更容易引發(fā)煤體自燃。不同供風(fēng)量的上限漏風(fēng)強度臨界點溫度見表4。

由表4可見：供風(fēng)量越大，上限漏風(fēng)強度的臨界點溫度呈升高趨勢，臨界點溫度對應(yīng)的溫度點增加，導(dǎo)致煤自燃危險性的溫度范圍降低，因此，風(fēng)量越大，上限氧濃度對應(yīng)的臨界點溫度越大，自燃危險性越小。

表4　不同供風(fēng)量的上限漏風(fēng)強度臨界點溫度

3　結(jié)論

1)通過計算煤自燃極限參數(shù)與溫度關(guān)系數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)，最小浮煤厚度和下限氧濃度隨著溫度升高在低溫(40～120℃)時增大，中低溫(120～200℃)時減?。簧舷蘼╋L(fēng)強度相反，隨著溫度升高在低溫(40～120℃)時減小，中低溫(120～200℃)時增大。

2)最小浮煤厚度和下限氧濃度隨著供風(fēng)量的增大在低溫(40～120℃)時減小，中低溫(120～200℃)時，僅當(dāng)供風(fēng)量在80～160 mL/min范圍內(nèi)，最小浮煤厚度和下限氧濃度會因為供風(fēng)量的增大而減小；上限漏風(fēng)強度相反隨著供風(fēng)量的增大在低溫(40～120℃)時增大，中低溫(120～200℃)時，僅在供風(fēng)量為80～160 mL/min時，最小浮煤厚度和下限氧濃度會增大。供風(fēng)量的增大會將3個自燃極限參數(shù)向更容易引發(fā)自燃的方向推進，為避免自燃應(yīng)控制煤層的供風(fēng)量。

3)通過分析不同供風(fēng)量下的自燃極限參數(shù)的臨界點溫度得出，風(fēng)量越大，最小浮煤厚度、下限氧濃度和上限漏風(fēng)強度對應(yīng)的臨界點溫度越大，導(dǎo)致煤自燃危險性的溫度范圍越低，自燃危險性越小。

[1]王德明．礦井火災(zāi)學(xué)[M]．徐州:中國礦業(yè)大學(xué)出版社，2008.

[2]郭興明，徐精彩，惠世恩.煤自燃過程中極限參數(shù)的研究[J]．西安交通大學(xué)學(xué)報，2001，35(7):682-686．

GUO Xingming，XU Jingcai， HUI Shien，et al．Research on key parameters in the process of coal self-Ignition[J]．Journalof Xi’an Jiaotong University，2001，35(7):682-686

[3]徐精彩, 王華. 煤自燃極限參數(shù)的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)預(yù)測方法[J]. 煤炭學(xué)報, 2002, 27(4):366-370.

XU Jingcai, WANG Hua. Neural network prediction method for limit parameters of coal spontaneous combustion[J]. Journal of China Coal Society, 2002, 27(4):366-370..

[4]鄧軍，徐精彩，陳曉坤.煤自燃機理及預(yù)測理論研究進展[J].遼寧工程技術(shù)大學(xué)學(xué)報,2003，22(4):455-459.

DENG Jun, XU Jingcai, CHRN Xiaokun. Advances in research on mechanism and prediction theory of spontaneous combustion of coal[J]. Journal of Liaoning Technical University,2003, 22 (4): 455-459.

[5]易欣，鄧軍.煤自燃極限參數(shù)的實驗研究[J].礦業(yè)安全與環(huán)保，2006，33(1):18-20.

YI Xin,Deng Jun.Experimental study on coal spontaneous combustion limit parameters[J].Mining Safety & Environmental Protection,2006,33(1):18-20.

[6]譚波,胡瑞麗,李凱,等.不同變質(zhì)程度煙煤的自燃極限參數(shù)對比分析[J].煤炭科學(xué)技術(shù),2013,41(5):63-67.

TAN Bo,HU Ruili,LI Kai, et al.Comparison analysis of spontaneous combustion limit parameters of bituminous coal samples different in metamorphic degree[J].Coal Science and Technology,2013,41(5):63-67.

[7]馬礪，任立峰，韓力，等.粒度對采空區(qū)煤自燃極限參數(shù)的影響試驗研究[J].煤炭科學(xué)技術(shù)，2015,43(6)：59-64.

MA Li, REN Lifeng, HAN Li, et al. Effect of particle size on the spontaneous combustion of coal mined out area limit parameters test of [J]. Coal Science and Technology,2015,43(6):59-64.

[8]馬礪，雷昌奎，王凱，等.高地溫環(huán)境對煤自燃極限參數(shù)的影響研究[J].煤炭工程，2015，47(12)：89-92.

MA Li, LEI Changkui, WANG Kai, et al. High temperature environment on coal spontaneous combustion limit parameters on [J]. Coal Engineering,2015,47(12):89-92.

[9]馬礪，任立峰，等.氯鹽阻化劑對煤自燃極限參數(shù)影響的試驗研究[J].安全與環(huán)境學(xué)報.2015,15(4):83-88.

MA Li, REN Lifeng, et al. Chlorine salt inhibitor effect on coal spontaneous combustion parameters test research[J].Journal of Safety and Environment.2015,15 (4): 83-88.

[10]周西華，白剛，等. 不同風(fēng)量下褐煤燃燒碳氧化物生成規(guī)律[J].遼寧工程技術(shù)大學(xué)學(xué)報，2017，36(10):1020-1025．

ZHOU Xihua,BAI Gang,et al.Carbon oxide generation in lignite combustion under different air volume [J]. Journal of Liaoning Technical University，2017，36(10):1020-1025．

[11]鄧軍，楊一帆，等.基于層次分析法的礦井煤自燃危險性模糊評價[J]．中國安全生產(chǎn)科學(xué)技術(shù)，2014，10(4): 120-125．

DENG Jun, YANG Yifan, et al. Fuzzy evaluation of coal spontaneous combustion risk based on analytic hierarchy process[J].China Safety Production Science and Technology,2014,10(4):120-125..

[12]徐精彩，文虎，葛嶺梅，等 . 松散煤體低溫氧化放強度的測定和計算[J]．煤炭學(xué)報，2002，21(2):129-132．

XU Jingcai, WEN Hu,GE Lingmei, et al. Measurement and calculation of low temperature oxidation of loose coal intensity [J]. Journal of China Coal Society,2002,21(2):129-132.

[13]徐精彩. 煤自燃危險區(qū)域判定理論[M]. 北京：煤炭工業(yè)出版社, 2001.

[14]徐精彩，文虎，鄧軍，等．煤自燃極限參數(shù)研究[J]．火災(zāi)科學(xué)，2000，9(2):14-18.

XU Jingcai,WEN Hu,DENG Jun,et al.Study limit parameter of coal self-ignite[J].Fire Safety Science,2000,9(2):14-18.

[15]郭興明，徐精彩，惠世恩，等．煤自燃過程中極限參數(shù)的研究[J]．西安交通大學(xué)學(xué)報，2001，35(7):682-686.

GUO Xingming,XU Jingcai,HUI Shien,et al.Research on key parameters in the process of coal self-Ignition[J].Journal of Xi’an Jiaotong University,2001,35(7):682-686.