王建利

(陜西陜煤韓城礦業(yè)有限公司通風管理部，陜西韓城 715400)

0 引言

煤自燃火災是威脅我國礦井安全生產的主要災害之一［1］。煤自燃火災不僅會造成嚴重的經濟和財產損失，甚至造成嚴重的人員傷亡事故［2］。在礦井生產過程中的煤自燃火災主要是采空區(qū)中遺煤自燃引發(fā)的，具有隱蔽性、易復燃和防治難度大等特點［3］。因此，采空區(qū)煤自燃隱患的預防是煤自燃火災防治的重點［4］。采空區(qū)中遺煤發(fā)生自燃是由煤自燃的內在屬性和外在條件共同作用的結果［5-6］。因此，針對采空區(qū)遺煤自燃的預防不僅要研究遺煤自燃特性，而且導致煤發(fā)生自燃的外在條件也是研究的重點之一［7］。能導致煤自燃的外部條件的極限值稱為煤自燃極限參數，包括:最小浮煤厚度、下限氧濃度、上限漏風強度［8］。針對這些外在條件，學者研究得出了煤自燃極限參數的計算公式［9］，并研究了不同變質程度［10］、粒度［11］、阻化劑［12］等條件下，煤自燃極限參數的變化規(guī)律。同時學者們基于神經網絡、支持向量機等方法研究得出煤自燃極限參數的預測方法，這些研究有力地促進了煤自燃火災的防治［13］。漏風由采空區(qū)淺部向深部流動過程中受到煤巖空隙、壓實度以及阻力等因素的影響會不斷地減弱。漏風流在流動過程中氧氣會與煤發(fā)生反應而不斷地消耗。因此，采空區(qū)中的遺煤會因位置的不同，其所處環(huán)境中的氧氣濃度不同［14］。氧氣濃度不同會影響煤的氧化放熱過程，進而造成煤自燃火災所需要的外界條件的變化。針對不同氧氣濃度條件下煤氧化燃燒過程，學者做了大量的研究并取得了大量的成果［15-18］。但是，針對不同氧氣環(huán)境下煤的自燃極限參數的研究相對較少，這嚴重限制了采空區(qū)煤自燃危險區(qū)域的準確判定及煤自燃隱患的防治。文中選擇桑樹坪煤礦煤樣為研究對象，通過煤自燃程序升溫實驗得到不同氧氣濃度下煤氧化燃燒的耗氧速率，放熱強度等參數，并計算得到煤自燃極限參數及對氧氣濃度的影響。該研究對采空區(qū)煤自燃隱患的預防有一定的指導意義。

1 實驗裝置及條件

1．1 實驗煤樣

本實驗的樣品取自陜西省桑樹坪煤礦。樣品收集后，將其密封在塑料袋中，然后運送到實驗室。在進行實驗前，取出煤樣表面的氧化層，煤樣破碎后將煤樣篩分為不同粒徑，分別為0～9 mm，0．9～3 mm，3～5 mm，5～7 mm，7～10 mm。每個粒徑范圍樣品200 g，制成1 kg的實驗樣本。煤樣的工業(yè)分析及元素分析結果見表1。

表1 煤樣工業(yè)分析及元素分析結果

1．2 實驗裝置

采用西安科技大學自行研制的程序升溫裝置，如圖1所示。實驗裝置主要由控溫系統(tǒng)、氣路系統(tǒng)、儲煤罐以及氣體分析系統(tǒng)等組成。裝煤試管半徑約為4．5 cm，高約為25 cm，標準裝煤量1 000 g。試管上下兩端各連接一根銅管，實驗載氣從試管下端銅管進入儲煤罐，流經實驗煤樣后從試管上端排出，在試管出口設置實驗氣體采集裝置，氣體采集后及時進行定量檢測。實驗氣路采用北京卡米特測控技術有限公司生產的V 1．0型6組份氣體配氣裝置。

圖1 程序升溫實驗裝置

1．3 實驗條件

為了研究不同氧氣濃度對煤的氧化特性及極限參數的影響，采用氧氣濃度為21%、14%、8%、4%的4種不同氧氣濃度情況進行煤的氧化實驗，得到了煤氧化過程中的耗氧速率，放熱強度。實驗中將煤樣裝入煤樣罐中，通入100 mL/min的氣體采用0．3℃/min的升溫速率對煤樣進行升溫氧化實驗。實驗的起始溫度設置在T=20℃，煤溫升高10℃，抽取一組實驗氣體進行定量分析，并對經過氧化反應后的氣體尾氣進行色譜分析，分析煤在不同氣氛下氧化產生的氣體種類及含量。直到煤樣溫度最高加熱到170℃完成實驗。

2 耗氧速率和放熱強度

2．1 煤的耗氧速率

在整個實驗過程中，煤的低溫氧化持續(xù)消耗氧氣，耗氧速率反映了煤在低溫下的氧化速率。鄧軍等人構建了一個實驗爐進行大規(guī)模的自燃試驗，并分析了氧氣的消耗速率，可用公式(1)來表示［19］:

圖2 煤在不同溫度下的耗氧速率

煤在低溫氧化過程中主要發(fā)生氧氣與煤表面活性結構的物理吸附、化學吸附和化學反應，物理吸附到化學反應是一個順序進行的過程。在溫度較低時主要發(fā)生氧氣與活性結構的物理吸附和化學吸附，氧氣與活性結構的化學反應強度較低，氧氣的消耗量較低;隨著溫度的升高，煤中的活性結構不斷活化參與到煤的氧化反應過程中，因此消耗的氧氣量不斷地增加;溫度超過100℃煤的耗氧速率隨溫度顯著增強，煤的氧化進入快速氧化階段，煤與氧氣發(fā)生快速的物理化學吸附，并發(fā)生激烈的化學反應生成大量的中間活性產物，這些產物參加到煤的氧化反應中進一步加速了煤的氧化反應。由圖2可得隨著氧氣濃度的降低，煤氧化的耗氧速率顯著減小。這是由于氧氣濃度降低，抑制了氧氣在煤表面活性結構上的物理化學吸附，在低溫階段，煤氧化的需氧量較少，因此降低氧氣濃度對耗氧速率的抑制不明顯;隨著溫度的升高，煤氧化反應的需氧量大幅增加，降低氧氣濃度對煤的氧化抑制作用逐漸增大。

2．2 煤的氧化放熱強度

根據試驗過程中計算的耗氧速率、CO和CO2產生率，松散煤巖體放熱強度q的計算公式［10-11］:

式中:qa—煤化學吸附氧的化學吸附熱，J/mol;v1—煤溫為T時耗氧速率，mol/s;v2、v3—分別為煤溫為T時CO和CO2的產生速率，mol/s;h1、h2—標準情況下 CO和 CO2的標準生成熱，J/mol;Δh1、Δh2—分別為CO和CO2在標準大氣壓、煤溫為T時與標準生成熱的差值，J/mol。經計算，試驗煤樣的放熱強度如圖3所示。

圖3 煤氧化過程中的放熱強度

煤的低溫氧化過程是一個緩慢且逐漸加速活化的過程，煤氧化過程中活性官能團氧化會產生并釋放熱量。在溫度較低時煤氧化釋放的熱量較少，隨著溫度的升高逐漸在升高。在煤溫超過100℃以后，煤氧化放熱量逐漸增大，且增速不斷提高，如圖3所示。在低溫階段煤與氧氣的氧化反應較為緩慢，主要發(fā)生氧氣的物理化學吸附，煤氧化釋放的熱量較低;隨著溫度的升高煤與氧氣的化學反應強度逐漸增強，氧化產生熱量逐漸升高。在O2/N2氣氛環(huán)境中煤氧化產生熱量在較高反應溫度下均隨著氧氣濃度的降低而不斷降低。降低氧氣會抑制煤中活性官能團的氧化，因此產生的熱量顯著減小。低溫階段煤與氧氣的氧化反應速率較小，需氧氣量較小，降低氧氣濃度對煤的氧化抑制作用不明顯。主要抑制了氧氣在煤表面物理化學吸附反應及放熱。

3 煤自燃極限參數

3．1 煤自燃極限參數的計算

煤體能夠自燃的外界條件極限值稱為煤自燃極限參數，主要包括最小浮煤厚度、極限氧濃度和下限漏風強度［8，12］。當松散煤體厚度大于最小浮煤厚度、環(huán)境中的氧濃度大于下限氧濃度、漏風強度小于上限漏風強度時，松散煤體才有可能發(fā)生自燃［20］。

式中:Qmax—松散煤體的上限漏風強度，cm/s;λe—松散煤體的等效導熱系數，J/(cm·s·K);hmin—松散煤體的最小浮煤厚度，cm;q—松散煤體的溫度為T時的放熱強度，J/(cm3·s);T—煤體溫度，℃;Ty—煤體圍巖體溫度，℃;Tg—風流溫度，℃;h—松散煤體的煤厚，cm;Q—漏風強度，cm/s;Cg—空氣比熱容，J/(kg·K);ρg—空氣的密度，kg/m3。

3．2 最小浮煤厚度

根據公式(3)計算得出，漏風強度在0．025 5 cm/s時煤樣的最小浮煤厚度如圖4所示。

由圖4可知煤樣的最小浮煤厚度隨著煤溫升高，表現為先上升后下降的趨勢。且最大值點出現在煤自燃的臨界溫度附近。這是由于煤氧化升溫的條件是煤的放熱量大于煤體向外的散熱量。當煤氧化溫度較低時，煤的氧化放熱量較小且增長速率較低，在煤的氧化溫度超過自燃的臨界溫度之后煤的氧化會出現顯著加速。而煤的散熱量隨煤的氧化溫度與外界溫度差的增大而不斷增大。在最小浮煤厚度的最大值之前，散熱量的增加速率大于氧化放熱量的增加速率。因此，煤自燃的最小浮煤厚度的最大值會在煤自燃的臨界溫度達到最大值。煤的最小浮煤厚度隨著氧氣濃度的降低而升高，這是由于氧氣濃度降低會造成煤的表面積減少，煤與氧氣發(fā)生反應的表面活性官能團接觸的機會減小。低氧氣濃度時煤的氧化性降低，煤氧復合反應的產熱量減少，從而使得煤自燃極限參數向不利于煤自燃的方向變化。

圖4 環(huán)境中不同氧氣濃度煤的最小浮煤厚度

3．3 上限漏風強度

由公式(4)計算得出，在漏風強度為0．025 5 cm/s，浮煤厚度為1．2 cm時，上限漏風強度如圖5所示。

由圖5可得，不同氧氣濃度時的煤自燃上限漏風強度均隨溫度的升高，表現為先下降后上升的趨勢。上限漏風強度的最小值在煤自燃臨界溫度附近出現。這是由于漏風不僅為采空區(qū)煤自燃提供氧化條件，而且漏風對煤體有降溫作用，抑制煤的氧化升溫。在煤自燃臨界溫度之前，煤氧化產生量熱量較小，且增長率也較小;在臨界溫度之后，煤的氧化放熱量會顯著增大。而隨煤氧化溫度的升高，風流溫度和煤體溫度差會不斷的增加，漏風對煤體的散熱量會顯著增大。因此，上限漏風強度在呈現先降低后升高的趨勢。降低氧氣濃度會抑制煤的氧化放熱，因此煤自燃的上限漏風強度隨氧氣濃度的降低而降低。

圖5 環(huán)境中不同氧氣濃度煤的上限漏風強度

4 結論

(1)降低氧氣濃度時，煤的耗氧速率和放熱強度均顯著降低，且降低氧氣濃度對煤的氧化過程中氧氣消耗和放熱抑制隨溫度的增大而不斷增大。

(2)最小浮煤厚度隨煤溫度升高，呈現先升高后降低的趨勢。而上限漏風強度變化趨勢正好相反。最小浮煤厚度的最大值和上限漏風強度最小值出現溫度與煤樣的臨界溫度相近。

(3)降低氧氣濃度會顯著抑制煤的氧化放熱，造成煤的最小浮煤厚度顯著增加，下限漏風強度顯著降低。