李曉琳

(晉能控股煤業(yè)集團 四老溝礦，山西 大同 037000)

工作面回采結束后形成大面積的采空區(qū)，在采空區(qū)內部充滿了粒徑大小不一的煤巖顆粒，從而形成多孔介質區(qū)域，很容易發(fā)生遺煤自然發(fā)火[1-3]。所以對煤自然發(fā)火氧化升溫規(guī)律進行研究的意義重大，可為治理采空區(qū)遺煤自然發(fā)火提供重要依據(jù)。

為此，我國科研工作者開展了大量的試驗研究，并取得一定的成果。賈廷貴等[4]在神東布爾臺42201-1工作面采集煤樣、開展熱重(TG)和差示掃描量熱法(DSC)試驗，分析煤在氧化階段失重與放熱規(guī)律與水分含量之間的關系，試驗結果表明：增加煤體水分可提高煤體溫度升高所需的熱量，減緩熱量傳遞速率，從而降低煤自燃熱傳導特性；何瑾瑤等[5]借助差示掃描量熱法(DSC)對粒徑大小不一的煤發(fā)生低溫氧化過程進行研究，發(fā)現(xiàn)煤在氧化時的熱演化規(guī)律為由吸熱過程逐漸轉化為放熱過程，粒徑越小越能夠加快煤氧化放熱，同時活化能也開始減少，小粒徑的煤自然發(fā)火危險性在升高；文虎等[6]借助程序升溫法在色連3號礦對5種不同粒徑的煤開展研究，發(fā)現(xiàn)當空氣流量改變時，小粒徑煤樣的耗氧量變化最敏感，而且空氣流量低、粒徑小的煤樣反應活化能最??；鄧軍等[7]借助煤自燃程序升溫試驗裝置，研究在低溫氧化時，粒徑大小不一的煤樣氣體產(chǎn)物與耗氧速率隨溫度的變化規(guī)律，發(fā)現(xiàn)煤樣粒徑越大，活化能越大的規(guī)律。

然而，以上科研工作者進行研究時，沒有充分分析覆巖以及保護煤柱形成的軸向應力對工作面采空區(qū)中粒徑大小不一的煤所產(chǎn)生的影響，進而影響遺煤的裂隙結構、滲透率等參數(shù)[8-9]，改變煤的自然發(fā)火氧化過程[10-11]。所以，此次試驗借助氣相色譜儀及荷載加壓裝置研究煤的氧化升溫規(guī)律，為指導礦井治理采空區(qū)遺煤自然發(fā)火提供理論依據(jù)。

1 試 驗

1.1 制作煤樣

晉能控股煤業(yè)集團四老溝礦所開采煤層的自燃傾向性為Ⅱ類自燃，吸氧量為0.67 cm3/g干煤，最短自然發(fā)火期為86 d。

選用四老溝煤礦較低變質程度的煙煤作為試驗煤樣，表1為煤樣的元素和工業(yè)分析結果。在采煤工作面采集新鮮暴露煤樣，立即采用保鮮膜密封包裹，在試驗室氮氣環(huán)境下拆開煤樣包裝，選擇煤樣內芯粉碎，篩選得到0.6～2.0 mm、2.0～6.0 mm、6.0～10.0 mm共3個粒徑尺寸的煤樣，命名為A、B、C煤樣[12-14]，立即放到真空干燥箱進行48 h干燥[15-16]，避免水分影響煤樣的氧化升溫反應。

表1 工業(yè)分析結果

1.2 試驗過程

試驗設備包括氣相色譜儀、荷載加壓煤自燃特性參數(shù)測定裝置，如圖1所示。

圖1 試驗設備圖

在反應釜的上蓋安裝熱電偶，以測定試驗時煤樣的溫度，設置反應釜1 ℃/min的升溫速率。因反應釜的外層存在升溫加熱套，加之反應釜整體面積不大，判定煤樣在升溫加熱階段受熱均勻[17]。

向高壓氣瓶內充裝干空氣，設置氣體流量為1 200 mL/min，壓力為0.3 MPa。

氣相色譜儀主要作用是將反應釜出口氣體濃度完整記錄。

試驗過程：

1) 加裝煤樣。把活塞下調到最低點，在反應釜內放進0.8 kg煤樣，要求煤樣平鋪均勻，保證活塞與煤樣的底部面積基本一致，蓋住上蓋，然后將高壓氣瓶閥門打開。

2) 設置單軸應力。旋轉液壓裝置，將單軸應力設置為5個檔次：0 MPa、2 MPa、4 MPa、6 MPa、8 MPa、10 MPa，控制進入反應釜的氣體壓力和流量。

3) 設置升溫程序。觀察應力表和氣體流量計，等待讀數(shù)平穩(wěn)30 min之后，啟動程序升溫裝置加熱煤樣，同時記錄活塞位移情況。

搜集氣體數(shù)據(jù)。觀察溫度，間隔10 ℃，把從反應釜出口氣體通入1次氣相色譜儀；如果煤樣升溫速度加快，間隔12 min 1次。

2 自燃氧化升溫特征

2.1 升溫速率特性

依據(jù)煤樣升溫速率、煤樣溫度、加熱時間三者之間的計算公式，具體見公式(1)，獲得煤樣在單軸應力不同條件下，隨溫度不斷增大升溫速率的變化規(guī)律，具體如圖2所示。

(1)

式中：v為升溫速率，℃/s；θ為溫度，℃；t為加熱時間，s。

在單軸應力不同條件下，粒徑不同煤樣隨溫度不斷增大，升溫速率變化呈現(xiàn)規(guī)律基本相同，具有先增大之后下降的特點。出現(xiàn)這一現(xiàn)象的原因是：試驗裝置在加熱煤樣升溫時，裝置中的氧氣與煤進行氧化反應同時釋放出熱量，使得煤樣溫度很快增大；伴隨溫度不斷增大，煤樣的氧化反應逐漸達到平衡狀態(tài)，放熱量趨于穩(wěn)定，受到試驗裝置的限制，煤樣溫度波動不大，升溫速率開始下降。

在單軸應力由2 MPa增加到8 MPa時，煤樣的最大升溫速率伴隨煤樣粒徑升高，表現(xiàn)為先升高之后下降的變化規(guī)律。原因是：粒徑較小，與氧氣接觸范圍較大，反應速率加快，釋放出的熱量較多，使得煤樣氧化升溫時最大升溫速率呈現(xiàn)升高趨勢；伴隨粒徑增大，在單軸應力的作用下，煤樣發(fā)生擠壓，再次形成孔隙和裂隙，然而壓裂過程中所形成的粒徑很小的顆粒充填到孔隙和裂隙之中，使得煤與氧氣的接觸面積相對減小，最大升溫速率開始減緩；在10 MPa單軸應力作用下，隨煤樣粒徑增大，最大升溫速率在升高，原因是：當單軸應力達到10 MPa時，粒徑較大煤樣被壓縮形成二次破裂，接觸面積再次增大，最大升溫速率開始增高。

圖2 隨溫度升高煤樣升溫速率變化規(guī)律圖

2.2 耗氧速率特性

結合公式(2)對試驗數(shù)據(jù)進行處理，得到在單軸應力不同條件下隨著溫度的不斷升高，煤樣耗氧速率的變化曲線，如圖3所示。

(2)

圖3 煤樣耗氧速率變化曲線圖

在升溫過程中，粒徑不同的煤樣耗氧速率表現(xiàn)為先加速升高之后逐步升高的規(guī)律，原因是：煤樣剛開始氧化時，參與反應的基團在持續(xù)不斷活化過程中，將反應釜內的大量氧氣消耗，在激活自由基鏈式反應之后，產(chǎn)生熱量加快氧化反應，加快了氧化反應速率，從而很快升高耗氧速率；伴隨溫度增大，逐步將參與反應的基團活化，氧化反應逐步達到平衡狀態(tài)，氧氣含量逐步達到平衡，但因氧化反應的作用，煤樣本身形成很多孔隙和裂隙，和氧氣的接觸區(qū)域增大，導致煤樣小幅度增大耗氧速率，呈現(xiàn)逐步升高的變化規(guī)律。隨著單軸應力的增大，粒徑大小不同的煤樣耗氧速率在升高，原因是：單軸應力增大，導致煤樣顆粒相互擠壓明顯，擴大了接觸面積以及活性位點，同時因單軸應力的增大，減少表面活性基團化學鍵破斷所需的鍵能，增加了自由基數(shù)目，使得升溫時鏈式反應消耗更多的氧氣。

2.3 產(chǎn)熱速率特性

結合公式(3)對試驗數(shù)據(jù)進行處理，得到在單軸應力不同時，隨溫度不斷升高，煤樣產(chǎn)熱速率的變化曲線，具體如圖4所示。

圖4 煤樣產(chǎn)熱速率變化曲線圖

(3)

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

在升溫時，粒徑不同的煤樣產(chǎn)熱速率表現(xiàn)為先平穩(wěn)不變接著升高再下降的變化規(guī)律，原因是：溫度0～100 ℃時，煤樣與氧氣反應，主要表現(xiàn)為物理吸附吸熱和化學吸附放熱，吸熱量和放熱量基本平衡，因此煤樣產(chǎn)熱速率變化幅度很小；伴隨溫度增加，在加熱時，參加反應的各種基團逐步被激活，處于供給充足氧氣環(huán)境條件的大量活化基團很快氧化，煤樣與氧氣反應速率得到加快，釋放更多熱量；隨著活性基團氧化反應后逐步減少，向環(huán)境中釋放的熱量也在降低。

在10 MPa單軸應力作用下，B煤樣處于溫度0～100 ℃時產(chǎn)熱速率低于零，原因是：此時煤樣形成很多自由基，物理吸附作用得到加強，導致煤樣發(fā)生物理吸附作用時吸收熱量大于化學吸附作用時放出熱量。

在單軸應力作用下，A煤樣的最大產(chǎn)熱速率比無單軸應力作用時小，B煤樣在2 MPa、6 MPa、8 MPa單軸應力作用下最大產(chǎn)熱速率比無單軸應力作用時大，C煤樣在2 MPa、8 MPa單軸應力作用下的最大產(chǎn)熱速率比無單軸應力作用時大，說明：伴隨煤樣粒徑不斷增大，煤樣在一定的單軸應力影響下最大產(chǎn)熱速率比未施加單軸應力時大。原因是A煤樣自身粒徑較小，當單軸應力施加之后，呈現(xiàn)松散堆積狀態(tài)的煤樣接觸面積減小，僅有一小部分的活性基團發(fā)生氧化，氧化反應強度較弱，使得釋放出的熱量比松散煤樣??；在增大煤樣粒徑時，施加單軸應力后B和C煤樣發(fā)生各種形式的破裂和擠壓，使得煤樣氧化時孔隙、裂隙和活性基團不斷增多，氧化強度得到提高，加快了最大產(chǎn)熱速率。

3 結 語

1) 在單軸應力作用下，粒徑不同的煤樣升溫速率變化趨勢基本相同，表現(xiàn)為先升高再減少趨勢。當2 MPa、4 MPa、6 MPa、8 MPa單軸應力作用下，最大升溫速率伴隨煤樣粒徑不斷增大而先升高再減少；但在10 MPa單軸應力作用下，隨煤樣粒徑不斷增大，最大升溫速率卻在升高。

2) 在升溫時，隨單軸應力的增大，粒徑不同的煤樣耗氧速率表現(xiàn)為先迅速升高后逐步增大，整體為一直升高的變化規(guī)律。

3) 在升溫時，粒徑不同的煤樣產(chǎn)熱速率變化趨勢為初始階段較平穩(wěn)、之后升高、最后下降；伴隨煤樣粒徑不斷增大，煤樣在一定的單軸應力影響下最大產(chǎn)熱速率比未施加單軸應力時大。