劉澤健， 徐永亮，2，3， 呂志廣， 吳晉東， 李敏杰

(1.河南理工大學(xué) 安全科學(xué)與工程學(xué)院， 河南 焦作 454003；2.河南理工大學(xué) 煤炭安全生產(chǎn)與清潔高效利用省部共建協(xié)同創(chuàng)新中心，河南 焦作 454003； 3.河南理工大學(xué) 河南省瓦斯地質(zhì)與瓦斯治理重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室——省部共建國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室培育基地， 河南 焦作 454003)

0 引言

煤礦采空區(qū)是由不同粒徑煤巖體組成的多孔介質(zhì)區(qū)域，該區(qū)域內(nèi)易頻繁發(fā)生煤自燃災(zāi)害[1-2]。因此，研究煤自燃氧化升溫特性，對(duì)于防治采空區(qū)煤自燃具有重要意義。馬礪等[3]采用程序升溫試驗(yàn)裝置研究了粒徑對(duì)煤自燃極限參數(shù)的影響，發(fā)現(xiàn)粒徑與煤自燃極限參數(shù)滿足二次多項(xiàng)式的關(guān)系。賈廷貴等[4]研究了不同水分含量煤自燃氧化的熱特性，得到了煤低溫氧化過程中水分與熱擴(kuò)散系數(shù)和導(dǎo)熱系數(shù)之間的關(guān)系。何瑾瑤等[5]采用差示掃描量熱法測(cè)量了不同粒徑下煤的低溫氧化熱流，結(jié)果表明粒徑的減小會(huì)導(dǎo)致煤自燃趨勢(shì)增加。張亢等[6]研究了3種阻化劑對(duì)煤自燃氧化升溫過程的阻化性能，得出復(fù)合高吸水性樹脂對(duì)煤自燃的抑制效果更好。張嬿妮等[7]研究了不同升溫速率對(duì)煤氧化放熱特性的影響，發(fā)現(xiàn)較低的升溫速率會(huì)增大煤自燃傾向指數(shù)。秦躍平等[8]通過不同粒徑煤樣的程序升溫氧化試驗(yàn)，得出煤樣氧化速度隨粒徑增大而減小。邵昊等[9]設(shè)計(jì)了煤自燃氧化升溫靜態(tài)試驗(yàn)和動(dòng)態(tài)試驗(yàn)，驗(yàn)證了二氧化碳和氮?dú)鈱?duì)煤的氧化反應(yīng)速度會(huì)產(chǎn)生不同的影響。但上述研究未考慮采空區(qū)中不同粒徑煤會(huì)受到垮落煤巖和遺留煤柱產(chǎn)生的軸向應(yīng)力的作用，致使煤的滲透率、裂隙結(jié)構(gòu)等參數(shù)發(fā)生較大改變，進(jìn)而影響煤自燃氧化升溫進(jìn)程[10-11]。因此，本文利用荷載加壓煤自燃特性參數(shù)測(cè)定裝置和氣相色譜儀，研究不同粒徑煤在熱-應(yīng)力耦合作用下的升溫速率、耗氧速率和產(chǎn)熱速率變化規(guī)律，可為礦井采空區(qū)防控煤自燃災(zāi)害提供理論指導(dǎo)。

1 實(shí)驗(yàn)

1.1 實(shí)驗(yàn)煤樣

實(shí)驗(yàn)煤樣選用變質(zhì)程度低的煙煤，其工業(yè)分析和元素分析見表1。新鮮煤體從工作面采出后，用保鮮膜多層嚴(yán)密包好。在實(shí)驗(yàn)室氮?dú)夥諊聞冸x煤體外層后，取煤體內(nèi)芯進(jìn)行破碎，篩選出粒徑分別為0.6～2.0，2.0～6.0，6.0～10.0 mm的煤樣(分別標(biāo)記為1號(hào)、2號(hào)、3號(hào)煤樣)[12-14]，并迅速放置于真空干燥箱中干燥48 h[15-16]，以防止水分對(duì)氧化升溫過程造成影響。

表1 煤樣工業(yè)分析和元素分析結(jié)果Table 1 Results of proximate analysis and ultimate analysis of coal samples %

1.2 實(shí)驗(yàn)裝置與步驟

實(shí)驗(yàn)裝置采用荷載加壓煤自燃特性參數(shù)測(cè)定裝置聯(lián)合氣相色譜儀，如圖1所示。高壓氣瓶?jī)?nèi)裝有干空氣，設(shè)置氣體壓力為0.3 MPa，流量為1 200 mL/min。反應(yīng)釜升溫速率為1 ℃/min，加熱溫度范圍為40～400 ℃，上蓋配備有熱電偶，用于檢測(cè)反應(yīng)釜內(nèi)煤樣溫度。由于反應(yīng)釜外層包裹升溫加熱套，反應(yīng)釜內(nèi)徑較小，可認(rèn)為在升溫加熱過程中承壓煤樣受熱均勻。氣相色譜儀用于記錄反應(yīng)釜出口氣體濃度。

1—反應(yīng)釜； 2—程序升溫裝置； 3—應(yīng)力表； 4—液壓裝置； 5—?dú)怏w流量計(jì)； 6—高壓氣瓶； 7—上位機(jī)； 8—?dú)庀嗌V儀； 9—制冷機(jī)；10—排水閥； 11—活塞。圖1 實(shí)驗(yàn)裝置Fig.1 Experimental device

實(shí)驗(yàn)步驟：① 反應(yīng)釜內(nèi)煤樣裝填。將活塞降至最低處，取0.8 kg煤樣平鋪放入反應(yīng)釜，確保反應(yīng)釜內(nèi)煤樣的底面積和活塞面積相同，蓋上反應(yīng)釜上蓋，打開高壓氣瓶。②單軸應(yīng)力及氣體設(shè)置。轉(zhuǎn)動(dòng)液壓裝置，分別設(shè)置單軸應(yīng)力為0，2，4，6，8，10 MPa，調(diào)節(jié)反應(yīng)釜進(jìn)口氣體流量和壓力。③ 升溫設(shè)置。待氣體流量計(jì)和應(yīng)力表讀數(shù)穩(wěn)定30 min后，開啟程序升溫裝置對(duì)反應(yīng)釜內(nèi)煤樣進(jìn)行加熱，并記錄活塞位移。④ 氣體數(shù)據(jù)采集。每隔10 ℃向氣相色譜儀通入1次反應(yīng)釜出口氣體；當(dāng)煤樣升溫速度過快時(shí)，每12 min向氣相色譜儀通入1次反應(yīng)釜出口氣體。

2 氧化升溫特性

2.1 升溫速率

根據(jù)式(1)得到不同單軸應(yīng)力下煤樣升溫速率隨溫度變化曲線，如圖2所示。

(1)

(a) 1號(hào)煤樣

(b) 2號(hào)煤樣

(c) 3號(hào)煤樣圖2 不同單軸應(yīng)力下煤樣升溫速率隨溫度變化曲線Fig.2 Curves of coal samples heating rate changing with temperature under uniaxial stress

式中：v為煤樣升溫速率，℃/s；θ為煤樣溫度，℃；t為加熱時(shí)間，s。

不同粒徑煤樣在不同單軸應(yīng)力下的升溫速率隨溫度升高變化趨勢(shì)具有一致性，整體上均呈先增高后降低趨勢(shì)。主要原因?yàn)槌绦蛏郎匮b置對(duì)煤樣進(jìn)行加熱升溫，同時(shí)煤與氧氣發(fā)生氧化反應(yīng)并快速放出熱量，導(dǎo)致煤樣溫度快速升高；隨著溫度繼續(xù)升高，氧化反應(yīng)逐漸趨于平衡，放熱量基本保持穩(wěn)定，煤樣溫度主要受程序升溫裝置的影響，溫度變化不大，升溫速率逐漸降低。

當(dāng)單軸應(yīng)力為2，4，6，8 MPa時(shí)，隨著煤樣粒徑增大，最大升溫速率呈先增高后降低趨勢(shì)。這主要是因?yàn)槊号c氧氣之間的接觸面積越大，氧化反應(yīng)速率越快，放出的熱量越高，導(dǎo)致煤氧化升溫過程中最大升溫速率增大；隨著粒徑繼續(xù)增大，施加單軸應(yīng)力雖然會(huì)使煤樣擠壓而產(chǎn)生裂隙和孔隙結(jié)構(gòu)，但壓裂產(chǎn)生的小粒徑煤會(huì)進(jìn)入裂隙和孔隙結(jié)構(gòu)中，導(dǎo)致煤與氧氣之間相對(duì)接觸面積減小，最大升溫速率降低。當(dāng)單軸應(yīng)力為10 MPa時(shí)，煤樣最大升溫速率隨粒徑增大而增高。這主要是因?yàn)閱屋S應(yīng)力升至10 MPa時(shí)，較大粒徑煤樣被壓實(shí)后發(fā)生二次破裂，產(chǎn)生了更大的接觸面積，最大升溫速率升高。

2.2 耗氧速率

根據(jù)式(2)得到不同單軸應(yīng)力下煤樣耗氧速率隨溫度變化曲線，如圖3所示。

(2)

(a) 1號(hào)煤樣

(b) 2號(hào)煤樣

(c) 3號(hào)煤樣圖3 不同單軸應(yīng)力下煤樣耗氧速率隨溫度變化曲線Fig.3 Curves of coal samples oxygen consumption rate changing with temperature under different uniaxial stress

不同粒徑煤樣在升溫過程中耗氧速率呈先快速增大后緩慢增大趨勢(shì)。這主要是因?yàn)樵谘趸跗?，參與氧化反應(yīng)的基團(tuán)被不斷活化會(huì)消耗大量氧氣，同時(shí)自由基鏈?zhǔn)椒磻?yīng)被激活后，放出的熱量也在促進(jìn)煤與氧氣之間的反應(yīng)，提升了氧化反應(yīng)速率，導(dǎo)致耗氧速率快速增大；隨著溫度升高，參與氧化反應(yīng)的基團(tuán)逐漸被活化完全，氧化反應(yīng)逐漸趨于平衡，消耗的氧氣含量逐漸趨于穩(wěn)定，但由于氧化反應(yīng)會(huì)消耗煤樣本身，產(chǎn)生了裂隙和孔隙結(jié)構(gòu)，增大了與氧氣的接觸面積，從而在較小程度上又會(huì)提升耗氧速率，即耗氧速率表現(xiàn)出緩慢增大趨勢(shì)。

不同粒徑煤樣耗氧速率總體上均隨單軸應(yīng)力升高呈增大趨勢(shì)。主要原因?yàn)閱屋S應(yīng)力升高會(huì)使大部分煤樣顆粒之間的擠壓程度增大，產(chǎn)生了更大的接觸面積和反應(yīng)活性位點(diǎn)，且單軸應(yīng)力升高會(huì)降低表面活性基團(tuán)化學(xué)鍵斷裂所需的鍵能，產(chǎn)生的自由基數(shù)量增多，導(dǎo)致氧化升溫過程中自由基鏈?zhǔn)椒磻?yīng)消耗氧氣更多，所以耗氧速率整體上呈增大趨勢(shì)。

2.3 產(chǎn)熱速率

根據(jù)式(3)得到不同單軸應(yīng)力下煤樣產(chǎn)熱速率隨溫度變化曲線，如圖4所示。

(3)

(a) 1號(hào)煤樣

(b) 2號(hào)煤樣

(c) 3號(hào)煤樣圖4 不同單軸應(yīng)力下煤樣產(chǎn)熱速率隨溫度變化曲線Fig.4 Curves of coal samples heat production rate changing with temperature under different uniaxial stress

式中：Qt為產(chǎn)熱速率，J/s；m為煤樣質(zhì)量，kg；CP為恒壓比熱系數(shù)，J/(kg·K)；T為煤樣熱力學(xué)溫度，K；s為反應(yīng)釜橫截面積，0.007 85 m2；λ為煤樣導(dǎo)熱系數(shù)，W/(m2·K)；γ為反應(yīng)釜進(jìn)口氣體質(zhì)量流量，1.61×10-6kg/s;TL為反應(yīng)釜加熱裝置溫度，K。

不同粒徑煤樣在升溫過程中產(chǎn)熱速率整體呈先基本保持平穩(wěn)再增大后減小趨勢(shì)。這主要是由于在100 ℃之前，煤與氧氣接觸主要發(fā)生微弱的化學(xué)吸附放熱與物理吸附吸熱過程，吸熱量與放熱量大致相同，所以產(chǎn)熱速率基本保持平穩(wěn)；隨著溫度升高，各類參與氧化反應(yīng)的基團(tuán)在加熱過程中被活化，越來越多的活化基團(tuán)在氧氣供給充足的條件下快速發(fā)生氧化反應(yīng)，提高了煤與氧氣之間的反應(yīng)速率，放出大量熱量；當(dāng)參與反應(yīng)的活性基團(tuán)被逐漸氧化消耗殆盡，放出的熱量減少。單軸應(yīng)力為10 MPa時(shí)，在100 ℃之前2號(hào)煤樣產(chǎn)熱速率小于0。這主要是由于煤樣此時(shí)產(chǎn)生了大量自由基，增強(qiáng)了物理吸附作用，使得化學(xué)吸附放出的熱量小于物理吸附吸收的熱量。

1號(hào)煤樣施加單軸應(yīng)力后最大產(chǎn)熱速率小于未施加單軸應(yīng)力時(shí)，2，6，8 MPa下2號(hào)煤樣和2，8 MPa下3號(hào)煤樣的最大產(chǎn)熱速率大于未施加單軸應(yīng)力時(shí)，表明隨著煤樣粒徑增大，在適當(dāng)?shù)膯屋S應(yīng)力作用下煤樣最大產(chǎn)熱速率會(huì)大于未施加單軸應(yīng)力時(shí)。這主要是因?yàn)?號(hào)煤樣粒徑較小，在施加單軸應(yīng)力后，相對(duì)松散煤樣的接觸面積較小，只有較少的活性基團(tuán)參與氧化反應(yīng)，降低了氧化強(qiáng)度，導(dǎo)致放熱量小于松散煤樣；當(dāng)煤樣粒徑增大，2號(hào)和3號(hào)煤樣在單軸應(yīng)力下出現(xiàn)多樣的擠壓和破裂方式，造成氧化升溫過程中活性基團(tuán)、裂隙和孔隙結(jié)構(gòu)增多的現(xiàn)象，提高了氧化強(qiáng)度，從而最大產(chǎn)熱速率增大。

3 結(jié)論

(1) 不同粒徑煤樣在不同單軸應(yīng)力下的升溫速率隨溫度升高變化趨勢(shì)具有一致性，整體上均呈先增高后降低趨勢(shì)。當(dāng)單軸應(yīng)力為2，4，6，8 MPa時(shí)，隨著煤樣粒徑增大，最大升溫速率呈先增高后降低趨勢(shì)；當(dāng)單軸應(yīng)力為10 MPa時(shí)，煤樣最大升溫速率隨粒徑增大而增高。

(2) 不同粒徑煤樣在升溫過程中耗氧速率呈先快速增大后緩慢增大趨勢(shì)；不同粒徑煤樣耗氧速率總體上均隨單軸應(yīng)力升高呈增大趨勢(shì)。

(3) 不同粒徑煤樣在升溫過程中產(chǎn)熱速率整體呈先基本保持平穩(wěn)再增大后減小趨勢(shì)；隨著煤樣粒徑增大，在適當(dāng)?shù)膯屋S應(yīng)力作用下煤樣最大產(chǎn)熱速率會(huì)大于未施加單軸應(yīng)力時(shí)。