周西華，牛玉平，白 剛

(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(dòng)力災(zāi)害與防治教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室(遼寧工程技術(shù)大學(xué))，遼寧 阜新 123000)

煤自燃是一個(gè)復(fù)雜的過(guò)程，由煤自燃引發(fā)的火災(zāi)占礦井火災(zāi)總數(shù)的85%～90%[1]。煤礦發(fā)生火災(zāi)后，在火災(zāi)發(fā)生地點(diǎn)及附近區(qū)域所產(chǎn)生的氣體成分復(fù)雜，產(chǎn)生的氣體中可燃性氣體成分較多，在封閉火區(qū)時(shí)瓦斯容易聚積，極有可能導(dǎo)致瓦斯爆炸[2-3]。因此，在發(fā)生火災(zāi)地點(diǎn)附近區(qū)域內(nèi)氣體成分變化、煤自燃特性參數(shù)變化及其影響,成為煤礦安全生產(chǎn)過(guò)程中研究的熱點(diǎn)和難點(diǎn)。金永飛等[4-5]基于清水營(yíng)煤礦自燃現(xiàn)狀，采用實(shí)驗(yàn)手段對(duì)比分析了變氧條件下煤自燃過(guò)程中的氣體生成規(guī)律，并建立了多參數(shù)預(yù)報(bào)指標(biāo)體系；朱紅青等[6-7]借助氣相色譜儀對(duì)升溫實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)出口的氣體濃度進(jìn)行分析，對(duì)比研究了松散煤低溫氧化時(shí)煤樣溫度、粒徑和氧濃度對(duì)耗氧速率的影響規(guī)律，并建立了松散煤低溫耗氧速率復(fù)合作用數(shù)學(xué)模型；馬漢鵬等[8]研究了煤在低溫氧化時(shí)各指標(biāo)氣體與溫度之間的變化關(guān)系；周福寶等[9]采用煤自燃實(shí)驗(yàn)裝置，分析煤自燃氧化產(chǎn)物的生成規(guī)律，驗(yàn)證了通過(guò)O2含量檢測(cè)煤自燃特性更符合現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況；秦躍平等[10]通過(guò)自主研發(fā)設(shè)計(jì)的程序升溫實(shí)驗(yàn)裝置進(jìn)行分組實(shí)驗(yàn)，研究升溫階段空氣流量對(duì)遺煤自燃特性參數(shù)的影響規(guī)律，得到實(shí)際耗氧速率受空氣流量影響最大，并驗(yàn)證了標(biāo)準(zhǔn)耗氧速率用于計(jì)算標(biāo)準(zhǔn)放熱強(qiáng)度的準(zhǔn)確性；鄧軍等[11]對(duì)變氧濃度條件下煤自燃特性參數(shù)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)測(cè)試，得到了耗氧速率、CO和CO2氣體生成速率、放熱強(qiáng)度與溫度之間的變化規(guī)律。

上述研究主要集中在變氧濃度條件下煤自燃的氣體生成規(guī)律，以及溫度、粒徑和氧濃度對(duì)耗氧速率的影響等方面，而對(duì)供風(fēng)量不同條件下火區(qū)生成氣體特性參數(shù)(耗氧速率、CO及CO2生成速率、放熱強(qiáng)度)及其分布規(guī)律方面的研究甚少。為此，筆者以平莊瑞安煤業(yè)4#煤層褐煤為例，利用管式爐程序升溫實(shí)驗(yàn)裝置研究了供風(fēng)量分別為40、120、200 mL/min時(shí)褐煤自燃特性參數(shù)變化規(guī)律，研究成果在火區(qū)治理封閉過(guò)程中供風(fēng)量逐漸減小時(shí)，有利于判定火區(qū)燃燒的狀態(tài)、溫度及氣體的變化，對(duì)于防止因封閉火區(qū)而引發(fā)潛在的瓦斯爆炸事故具有重要意義。

1 煤自燃特性參數(shù)實(shí)驗(yàn)

1.1 實(shí)驗(yàn)煤樣選取及工業(yè)分析

實(shí)驗(yàn)所采用的煤樣選自平莊瑞安煤業(yè)4#煤層褐煤。將所采集煤樣用實(shí)驗(yàn)設(shè)備進(jìn)行粉碎，粉碎后經(jīng)過(guò)處理選出實(shí)驗(yàn)所需的粒徑為0.18～0.30 mm(80～50目)之間的煤樣，裝入60 mL棕色廣口瓶中密封保存，在不同供風(fēng)量條件下對(duì)所選煤樣進(jìn)行管式爐程序升溫實(shí)驗(yàn)。煤樣的工業(yè)分析結(jié)果如下：水分為24.82%，灰分為4.71%，揮發(fā)分為27.87%，固定碳為42.61%。

1.2 管式爐程序升溫實(shí)驗(yàn)過(guò)程

管式爐程序升溫實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)主要包括供氣系統(tǒng)、升溫系統(tǒng)、溫度測(cè)試系統(tǒng)、氣體分析系統(tǒng)4個(gè)部分，如圖1所示。

圖1 管式爐程序升溫實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)示意圖

供氣系統(tǒng)包括高純度合成空氣氣體鋼瓶、減壓閥、玻璃轉(zhuǎn)子流量計(jì)和通氣管路；升溫系統(tǒng)包括雙管電爐、瓷舟和通氣管路；溫度測(cè)試系統(tǒng)包括K型熱電偶和雙路溫度顯示器；氣體分析系統(tǒng)包括氣體取樣球膽和GC-4085型氣相色譜儀。

在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中對(duì)所選的煤樣分別進(jìn)行供風(fēng)量為40、120、200 mL/min的實(shí)驗(yàn)分析。在溫度25～200 ℃內(nèi)管式爐的升溫速率為1 ℃/min，在溫度200～250 ℃內(nèi)管式爐的升溫速率為2 ℃/min；當(dāng)雙路溫度顯示器上的溫度值在30～200 ℃時(shí)每隔10 ℃使用氣體取樣球膽收集一次管式爐內(nèi)煤樣生成的氣體；當(dāng)雙路溫度顯示器上的溫度值在200～250 ℃時(shí)每隔 50 ℃ 使用氣體取樣球膽收集一次管式爐內(nèi)煤樣生成的氣體。每次氣體采集量約為500 mL。由于實(shí)驗(yàn)煤樣質(zhì)量較少，近似認(rèn)為管式爐顯示的溫度即為煤體溫度。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析

2.1 煤自燃特性參數(shù)變化規(guī)律

2.1.1 耗氧速率分析

(1)

通過(guò)式(1)計(jì)算實(shí)驗(yàn)煤樣在不同供風(fēng)量條件下的耗氧速率，將計(jì)算結(jié)果經(jīng)過(guò)擬合得到耗氧速率變化曲線，如圖2所示。

圖2 供風(fēng)量不同時(shí)耗氧速率變化規(guī)律擬合結(jié)果

由圖2可知，影響耗氧速率的主要因素取決于供風(fēng)量，而且在供風(fēng)量不同時(shí)耗氧速率與煤樣溫度的變化趨勢(shì)保持一致。隨著煤樣溫度升高，耗氧速率呈指數(shù)規(guī)律增大；相同溫度時(shí)，隨著供風(fēng)量增加，耗氧速率增大，這主要是由于風(fēng)量增加，煤樣與空氣接觸充分，導(dǎo)致耗氧速率增大。通過(guò)對(duì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合，發(fā)現(xiàn)耗氧速率與煤樣溫度之間滿足下式：

vO2=aebt

(2)

式中：vO2為耗氧速率，mol/(m3·s)；t為煤樣溫度，℃；a、b分別為回歸系數(shù)。

由式(2)可知，低溫階段煤樣的耗氧速率和溫度之間的關(guān)系符合Arrhenius定理，擬合方程與文獻(xiàn)[12-13]中的遺煤耗氧速率變化規(guī)律一致。不同供風(fēng)量時(shí)煤樣耗氧速率擬合結(jié)果如表1所示。

表1 不同供風(fēng)量時(shí)煤樣耗氧速率擬合結(jié)果

2.1.2 CO與CO2生成速率

(3)

(4)

根據(jù)式(3)、式(4)計(jì)算得到不同供風(fēng)量時(shí)CO、CO2生成速率變化曲線,如圖3、圖4所示。

圖3 供風(fēng)量不同時(shí)CO生成速率變化規(guī)律擬合結(jié)果

圖4 供風(fēng)量不同時(shí)CO2生成速率變化規(guī)律擬合結(jié)果

由圖3、圖4可知，隨著溫度升高，CO與CO2生成速率均呈指數(shù)關(guān)系增大；當(dāng)供風(fēng)量減小時(shí)，CO濃度增大，原因?yàn)槊褐形酱罅緾O，當(dāng)空氣流量較小時(shí)，能更好地進(jìn)行化學(xué)脫附，使CO濃度增大；當(dāng)供風(fēng)量為120 mL/min時(shí)，CO2生成速率最大；供風(fēng)量為 200 mL/min 時(shí)，CO2生成速率最小。

對(duì)比圖3與圖4可知，CO與CO2生成速率的變化趨勢(shì)相近，但CO2生成速率大于CO生成速率，這主要是由于溫度升高，CO2過(guò)渡絡(luò)合物生成速率大于CO過(guò)渡絡(luò)合物生成速率。對(duì)不同供風(fēng)量條件下CO、CO2生成速率進(jìn)行擬合，發(fā)現(xiàn)CO、CO2生成速率與溫度之間滿足指數(shù)關(guān)系，擬合結(jié)果見(jiàn)表2、表3。

表2 不同供風(fēng)量時(shí)CO生成速率擬合結(jié)果

表3 供風(fēng)量不同時(shí)CO2生成速率擬合結(jié)果

2.1.3 放熱強(qiáng)度

根據(jù)文獻(xiàn)[14]中的放熱強(qiáng)度計(jì)算公式，將計(jì)算結(jié)果經(jīng)過(guò)擬合得到不同供風(fēng)量條件下的放熱強(qiáng)度變化曲線，如圖5所示。

圖5 不同供風(fēng)量時(shí)放熱強(qiáng)度變化規(guī)律擬合結(jié)果

由圖5可知，隨著溫度增加，放熱強(qiáng)度也不斷增大，呈指數(shù)增加趨勢(shì)；當(dāng)溫度低于220 ℃時(shí)，相同溫度下，當(dāng)供風(fēng)量為120 mL/min時(shí)放熱強(qiáng)度最大，當(dāng)供風(fēng)量為40 mL/min時(shí)放熱強(qiáng)度最小。通過(guò)對(duì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合回歸，得到不同供風(fēng)量條件下煤樣放熱強(qiáng)度與溫度之間的擬合方程：

Qf=aebt

(5)

式中：Qf為放熱強(qiáng)度，J/(m3·s)；t為煤樣溫度，℃；a、b分別為回歸系數(shù)。

不同供風(fēng)量時(shí)放熱強(qiáng)度擬合結(jié)果如表4所示。

表4 不同供風(fēng)量時(shí)放熱強(qiáng)度擬合結(jié)果

由表4可知，回歸系數(shù)a值隨供風(fēng)量增加而增大，b值的波動(dòng)范圍較小，并隨供風(fēng)量增加而減小。從b值的數(shù)據(jù)可得出不同供風(fēng)量時(shí)放熱強(qiáng)度隨溫度的變化趨勢(shì)是基本一致的。根據(jù)表4擬合方程可以為數(shù)值解算參數(shù)設(shè)置提供關(guān)鍵技術(shù)參數(shù)。

2.2 耗氧速率與放熱強(qiáng)度關(guān)系

根據(jù)張春等[12,15]研究得到的耗氧速率與放熱量關(guān)系式(6)可知，放熱量與耗氧速率呈正比關(guān)系：

(6)

式中：ω為流場(chǎng)幾何因素系數(shù)，ω<1；b1、b2為煤在氧化過(guò)程中平衡狀態(tài)下所產(chǎn)生CO和CO2時(shí)的氧化熱，J/mol；θ為煤氧化生成CO和CO2的比例值，由現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)取θ=5～16。

將基于實(shí)驗(yàn)得到的放熱強(qiáng)度與耗氧速率數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合，得到不同供風(fēng)量時(shí)耗氧速率與放熱強(qiáng)度關(guān)系曲線，如圖6所示。

圖6 不同供風(fēng)量時(shí)耗氧速率與放熱強(qiáng)度關(guān)系曲線

由圖6可知，在低溫氧化時(shí)期，褐煤放熱強(qiáng)度與耗氧速率呈正相關(guān)關(guān)系；當(dāng)供風(fēng)量為120 mL/min時(shí)放熱強(qiáng)度最大，供風(fēng)量為200 mL/min時(shí)放熱強(qiáng)度最小。通過(guò)對(duì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行線性擬合，得到耗氧速率與放熱強(qiáng)度之間滿足如下關(guān)系：

Qf=a+bvO2

(7)

不同供風(fēng)量條件下各回歸系數(shù)如表5所示。

表5 不同供風(fēng)量時(shí)耗氧速率與放熱強(qiáng)度擬合結(jié)果

由表5可知，文中得到的規(guī)律與文獻(xiàn)[9,12]中放熱量與耗氧速率之間的變化規(guī)律一致。

3 結(jié)論

1)通過(guò)管式爐程序升溫實(shí)驗(yàn)，得到不同供風(fēng)量條件下褐煤煤樣耗氧速率、CO生成速率、CO2生成速率和放熱強(qiáng)度與溫度之間均呈指數(shù)規(guī)律變化；耗氧速率相同時(shí)，供風(fēng)量為120 mL/min時(shí)放熱強(qiáng)度最大，供風(fēng)量為200 mL/min時(shí)放熱強(qiáng)度最小。

2)通過(guò)實(shí)驗(yàn)與回歸分析方法研究煤燃燒特性參數(shù)，發(fā)現(xiàn)供風(fēng)量不同時(shí)煤體的耗氧速率與放熱強(qiáng)度之間均呈線性關(guān)系。

3)僅研究了單一因素供風(fēng)量不同時(shí)松散煤自燃特性參數(shù)隨溫度的變化規(guī)律，并給出了單一因素下數(shù)學(xué)模型，但仍不完善，后續(xù)還需進(jìn)一步研究供風(fēng)量、煤樣粒徑、氧濃度等多因素耦合作用下煤自燃特性參數(shù)復(fù)合作用數(shù)學(xué)模型。