肖 旸，尹 嵐，馬 礪，周一峰

(1.西安科技大學(xué)，安全科學(xué)與工程學(xué)院，陜西 西安 710054；2.西安科技大學(xué)，陜西省煤火災(zāi)害防治重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，陜西 西安 710054)

0 引 言

礦井煤自燃是煤礦5大災(zāi)害之一，中國(guó)90%以上的煤層為自燃或者易自燃，煤自燃是放熱過程，該過程主要是煤氧復(fù)合作用過程，對(duì)中國(guó)礦井安全高效生產(chǎn)構(gòu)成了嚴(yán)重的威脅[1-3]。由于煤自燃釋放熱量且熱量不易消散，易積聚，繼而產(chǎn)生高溫[4]，導(dǎo)致煤體的熱膨脹性增大，促使煤體裂隙的生成，造成煤與氧氣更充分的接觸，從而促進(jìn)煤自燃的發(fā)展，進(jìn)而造成范圍更大的、燃燒更劇烈的火災(zāi)事故[5-7]。因此，研究煤體的熱物性參數(shù)對(duì)于掌握熱量在煤中的傳遞規(guī)律從而抑制煤自燃有很重要的意義。

許多學(xué)者通過實(shí)驗(yàn)測(cè)試以及建立模型來研究煤體的熱量傳遞規(guī)律。Gosset研究煤的熱物性參數(shù)發(fā)現(xiàn)在300 ℃以內(nèi)，煤樣的熱擴(kuò)散系數(shù)隨著溫度升高逐漸降低[8]；陳清華等提出利用平面熱源法測(cè)量松散煤體的導(dǎo)熱系數(shù)，并以此建立數(shù)學(xué)模型，設(shè)計(jì)與開發(fā)了松散煤體導(dǎo)熱系數(shù)的測(cè)量系統(tǒng)[9]；李建偉等通過對(duì)不同粒度、含水率情況進(jìn)行研究，發(fā)現(xiàn)煤體的導(dǎo)熱系數(shù)隨著煤體含水率、粒度的增加而增大[10]；唐明云等主要研究溫度、粒度等影響因素與煤體導(dǎo)熱系數(shù)的關(guān)系，發(fā)現(xiàn)煤體的導(dǎo)熱系數(shù)隨著含水率的增加，呈現(xiàn)出先上升，后趨于平穩(wěn)的趨勢(shì)[11]；Zhumagulov通過準(zhǔn)穩(wěn)態(tài)方法測(cè)量煤體的比熱容、導(dǎo)熱系數(shù)隨溫度的變化，并分析了煤體的熱物性參數(shù)隨溫度的變化情況[12]；Deng等使用激光閃射法研究煤在熱解以及氧化過程中的熱物性參數(shù)隨溫度的變化趨勢(shì)[13]；Guan等分析影響松散煤體導(dǎo)熱系數(shù)測(cè)量的因素，并通過控制控溫設(shè)備控制誤差[14]；Liu等對(duì)煤在受熱煤中的熱解和傳熱過程進(jìn)行了數(shù)值分析，模擬煤顆粒的傳熱和溫度變化[15]；Wen等主要研究溫度對(duì)煤巖體的影響，得出隨著溫度的增加，煤體的熱擴(kuò)散系數(shù)逐漸降低，比熱容和導(dǎo)熱系數(shù)逐漸增加[16]。從文獻(xiàn)中可發(fā)現(xiàn)，對(duì)于預(yù)氧化處理煤樣的熱物性參數(shù)研究較少，而文中實(shí)驗(yàn)主要研究預(yù)氧化處理后煤的熱物性參數(shù)。預(yù)先對(duì)煤樣進(jìn)行預(yù)氧化處理，分別在程序升溫箱中氧化升溫至80，110，140，170，200 ℃.待煤樣在升溫箱中被充分氧化后，使用激光導(dǎo)熱儀FLA 457測(cè)量煤的熱物性參數(shù)，得出熱物性參數(shù)隨溫度的變化趨勢(shì)，從而研究煤的熱物性參數(shù)與預(yù)氧化溫度之間的關(guān)系，并分析預(yù)氧化處理后煤樣對(duì)溫度的敏感性。對(duì)煤樣進(jìn)行不同溫度下的預(yù)氧化處理是為了分析煤田火區(qū)中煤的氧化以及采空區(qū)中遺煤氧化對(duì)煤體熱物性參數(shù)的影響，從而研究預(yù)氧化后煤的熱量傳遞規(guī)律，為煤自燃的防治提供理論依據(jù)以及技術(shù)指導(dǎo)。

1 實(shí)驗(yàn)設(shè)備及其原理

熱物性參數(shù)是指熱擴(kuò)散系數(shù)、比熱容以及導(dǎo)熱系數(shù)。采用的儀器是德國(guó)耐馳公司生產(chǎn)的LFA 457激光導(dǎo)熱儀，此設(shè)備主要是由加熱爐、紅外檢測(cè)器以及數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)和激光加熱系統(tǒng)組成，如圖1所示。其工作原理為當(dāng)激光照射煤體的下表面時(shí)，煤體的下表面吸收能量，這樣煤體下表面和上表面之間形成了一定溫度差，熱量由煤體下表面朝著上表面?zhèn)鬟f，同時(shí)紅外探測(cè)器檢測(cè)出煤體上表面中心的溫度變化，進(jìn)而得出煤體的熱擴(kuò)散系數(shù)，再根據(jù)公式推導(dǎo)出比熱容以及導(dǎo)熱系數(shù)。

圖1 激光導(dǎo)熱原理Fig.1 Laser pyrometer theory

根據(jù)Parker and Jenkins和Cowan等人提出的熱擴(kuò)散系數(shù)模型方程(1)可知[17-19]

(1)

式中t1/2為半升溫時(shí)間，s；α為熱擴(kuò)散系數(shù)，cm2/s；d為實(shí)驗(yàn)樣品厚度，cm；γ≈0.138 78.

比熱容可通過公式(2)計(jì)算可得[13]

(2)

式中cstd為標(biāo)準(zhǔn)樣品的比熱容，J/(g·K)；csam為實(shí)驗(yàn)樣品的比熱容，J/(g·K)；mstd為標(biāo)準(zhǔn)樣品的質(zhì)量，g；ΔUstd為標(biāo)準(zhǔn)樣品受輻射時(shí)電信號(hào)的電壓與受輻射后的最大電壓之間的差值，V；ΔUsam為實(shí)驗(yàn)樣品受輻射時(shí)的電信號(hào)的電壓與受輻射后的最大電壓之間的差值，V.

通過已測(cè)出的熱擴(kuò)散系數(shù)和比熱容，根據(jù)式(3)測(cè)出實(shí)驗(yàn)樣品的導(dǎo)熱系數(shù)

λ(T)=α(T)·ρ·csam(T)

(3)

式中λ為實(shí)驗(yàn)樣品的導(dǎo)熱系數(shù)，W/cm·K；T是溫度，K.

2 煤樣的制備與處理

2.1 實(shí)驗(yàn)樣品的制備

樣品來自于新疆硫磺溝煤礦，屬于長(zhǎng)焰煤。為了研究不同預(yù)氧化溫度對(duì)煤樣熱物性的影響，需要對(duì)煤進(jìn)行預(yù)氧化處理。將取自于井下的新鮮煤樣袋裝并密封，開袋后取出塊煤的中心部分，粉碎研磨，并進(jìn)行篩選，取粒徑為3～5 mm煤樣，以此保證粒徑較小以及受熱均勻。將篩選后的煤樣均勻分成6組并編號(hào)為C1，C2，C3，C4，C5和C6.其中C1煤樣為原煤樣。煤樣用瓷質(zhì)敞口坩堝承裝，并將其均勻鋪在坩堝底部置于程序升溫箱中，分別氧化升溫至80，110，140，170，200 ℃，并恒溫保持2 h，保證煤樣充分氧化。

煤樣經(jīng)預(yù)氧化處理之后，為了減小煤的異質(zhì)性對(duì)煤的熱物性參數(shù)的影響，將煤樣粉碎，使其粒徑低至0.089 mm.每組分別稱取適量煤粉壓成薄片，且使用游標(biāo)卡尺測(cè)量薄片的直徑、厚度，煤樣薄片的相關(guān)屬性見表1.每組煤樣壓取3個(gè)薄片，并編號(hào)為C11，C12，C13；C21，C22，C23；C31，C32，C33；C41，C42，C43；C51，C52，C53；C61，C62，C63，實(shí)驗(yàn)樣品如圖2所示。

表1 煤樣薄片的相關(guān)屬性Tab.1 Interrelated characteristics of coal slices

圖2 實(shí)驗(yàn)樣品Fig.2 Experimental sample

2.2 實(shí)驗(yàn)條件

將C11，C12，C13放入儀器樣品支架后，通入氮?dú)?，并設(shè)定氣體的恒定流量為100 mL/min，升溫速率為1 K/min.測(cè)試溫度范圍為30～200 ℃，并設(shè)定溫度30，60，80，100，120，140，160，180，200 ℃為數(shù)據(jù)采集點(diǎn)。

3 結(jié)果與討論

當(dāng)溫度達(dá)到采集點(diǎn)時(shí)，每個(gè)薄片將被閃射3次，即單個(gè)煤樣薄片的每個(gè)采集點(diǎn)存在3組數(shù)據(jù)。每組熱物性實(shí)驗(yàn)完成后，對(duì)每個(gè)采集點(diǎn)求取平均值。并且每組熱物性實(shí)驗(yàn)有3個(gè)煤樣薄片，再對(duì)其求取均值。

圖3 煤樣熱物性參數(shù)隨溫度的變化趨勢(shì)Fig.3 Trend of the thermo-physical parameters of coal samples with temperature

3.1 熱物性參數(shù)的變化趨勢(shì)

煤樣的熱物性參數(shù)隨溫度的變化趨勢(shì)，如圖3所示。從圖3(a)可以看出，在30～200 ℃之間，熱擴(kuò)散系數(shù)隨著溫度的升高逐漸降低，這與Gosset所測(cè)的熱擴(kuò)散系數(shù)變化趨勢(shì)相同[8]。熱擴(kuò)散系數(shù)的降低與聲子平均自由路徑的減小有關(guān)[20-21]。原子間通過相互作用力聯(lián)系在一起，每個(gè)原子的振動(dòng)都要牽動(dòng)周圍的原子，使振動(dòng)以彈性波的形式在晶體中傳播，而聲子是量子化的彈性波的最小單位。熱擴(kuò)散系數(shù)逐漸降低是由于隨著溫度升高，煤中晶格結(jié)構(gòu)震動(dòng)，致使聲子間相互碰撞的幾率增大，聲子的平均自由程減少，從而導(dǎo)致煤樣的熱擴(kuò)散系數(shù)降低。并且在相同溫度點(diǎn)下，預(yù)氧化處理煤樣的熱擴(kuò)散系數(shù)與原煤樣相對(duì)比，發(fā)現(xiàn)原煤樣的熱擴(kuò)散系數(shù)最小。這可能是因?yàn)殡S著預(yù)氧化溫度的升高，煤分子中的親氧烷基側(cè)鏈、含氧官能團(tuán)等結(jié)構(gòu)發(fā)生氧化反應(yīng)，芳香環(huán)發(fā)生縮聚反應(yīng)，造成芳香結(jié)構(gòu)逐漸增加，致使煤化度逐漸增大，煤樣朝著高變質(zhì)程度的結(jié)構(gòu)發(fā)展[22]。

從圖3(b)可以看出，在30～200 ℃之間，原煤的比熱容隨著溫度的升高，總體都表現(xiàn)出上升趨勢(shì)。這是由于煤中原子本身圍繞點(diǎn)陣結(jié)點(diǎn)，以一定的振幅和頻率震動(dòng)。隨著溫度升高，引起振幅和頻率增大，分子熱運(yùn)動(dòng)和聲子振動(dòng)加劇，晶格總能量增加，吸收的熱能以動(dòng)能的方式儲(chǔ)存在煤體內(nèi)，平均能量增大造成的[23]。預(yù)氧化處理煤樣的比熱容與原煤樣相對(duì)比，發(fā)現(xiàn)原煤樣的比熱容最小，導(dǎo)致這種現(xiàn)象的原因可能是預(yù)氧化處理使得晶格結(jié)構(gòu)發(fā)育導(dǎo)致單位體積內(nèi)的聲子數(shù)目增多，總動(dòng)能量增大，大量的熱量?jī)?chǔ)存在煤體內(nèi)。

從圖3(c)可以看出，在30～200 ℃之間，隨著溫度的升高，實(shí)驗(yàn)煤樣的導(dǎo)熱系數(shù)總體都表現(xiàn)出上升趨勢(shì)。而隨著溫度的升高，熱擴(kuò)散系數(shù)逐漸降低，比熱容逐漸升高，實(shí)驗(yàn)煤樣的導(dǎo)熱系數(shù)呈現(xiàn)上升趨勢(shì)說明溫度對(duì)比熱容的影響大于熱擴(kuò)散系數(shù)，從而抵消了熱擴(kuò)散系數(shù)降低引起的降低趨勢(shì)。

此外，從圖3還可以看出，不同溫度預(yù)氧化煤樣的熱物性參數(shù)變化趨勢(shì)與原煤相似，即熱擴(kuò)散系數(shù)隨著溫度的升高而降低，比熱容和導(dǎo)熱系數(shù)隨著溫度的升高而升高，這是因?yàn)榧词乖航?jīng)歷了不同溫度的預(yù)氧化，但溫度對(duì)其熱物性參數(shù)的影響機(jī)理不變。

3.2 敏感性分析

根據(jù)實(shí)驗(yàn)條件，為了分析煤樣的熱物性參數(shù)的敏感性，計(jì)算相鄰2個(gè)數(shù)據(jù)采集點(diǎn)間的每攝氏度下的平均變化率，如圖4所示。

從圖4可知，煤樣的比熱容的平均變化率最大，導(dǎo)熱系數(shù)的平均變化率最小，表明比熱容對(duì)溫度最敏感，導(dǎo)熱系數(shù)的敏感性最小。在60～120 ℃之間，隨著溫度的逐漸升高，煤樣的熱擴(kuò)散系數(shù)、比熱容以及導(dǎo)熱系數(shù)的變化率整體上變化明顯，呈現(xiàn)下降趨勢(shì)；在120～200 ℃之間，隨著溫度的增加，煤樣的熱物性參數(shù)變化率整體上逐漸趨于平穩(wěn)，即溫度越高，熱擴(kuò)散系數(shù)的降低趨勢(shì)以及比熱容和導(dǎo)熱系數(shù)的增大趨勢(shì)越來越弱。當(dāng)溫度超過120 ℃時(shí)，在相同溫度下，預(yù)氧化處理溫度越高，煤樣熱物性參數(shù)對(duì)溫度的敏感性越低。因此，預(yù)氧化煤樣的熱物性參數(shù)的敏感性低可能是由于經(jīng)預(yù)氧化處理后的煤樣，隨著煤樣預(yù)氧化處理溫度的增加，煤中的含氧官能團(tuán)等結(jié)構(gòu)發(fā)生氧化反應(yīng)，煤樣的氧化程度以及煤化度會(huì)越來越高，即煤氧復(fù)合的化學(xué)反應(yīng)會(huì)引起煤表面結(jié)構(gòu)和空間結(jié)構(gòu)的變化[2，22，24]，當(dāng)再次受到高溫加熱時(shí)，氧化程度越高的煤樣，受到溫度的影響就越低。因此預(yù)氧化處理后的煤樣隨著預(yù)氧化溫度的升高，對(duì)溫度的敏感性整體呈現(xiàn)出逐漸降低的趨勢(shì)。

圖4 熱物性參數(shù)的變化率Fig.4 Change rate of thermo-physical parameters

4 結(jié) 論

1)在30～200 ℃之間，隨著溫度的逐漸升高，煤樣的熱擴(kuò)散系數(shù)呈現(xiàn)出逐漸降低的趨勢(shì)，而煤樣的導(dǎo)熱系數(shù)和比熱容呈現(xiàn)出增加的趨勢(shì)，且溫度越高，熱擴(kuò)散系數(shù)的降低趨勢(shì)以及比熱容和導(dǎo)熱系數(shù)的增大趨勢(shì)越來越弱；

2)在相同溫度下，原煤樣的熱擴(kuò)散系數(shù)和導(dǎo)熱系數(shù)與預(yù)氧化煤樣相比，原煤樣的熱擴(kuò)散系數(shù)以及導(dǎo)熱系數(shù)最小，表明預(yù)氧化處理煤樣的傳熱效果更顯著；

3)比熱容對(duì)溫度最敏感，導(dǎo)熱系數(shù)的敏感性最小。此外，當(dāng)溫度超過120 ℃時(shí)，在相同溫度下，隨著煤預(yù)氧化溫度的逐漸升高，煤樣對(duì)溫度的敏感性整體呈現(xiàn)出降低趨勢(shì)。

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