高江濤，冉小波，楊 博

(1.山西潞安集團(tuán) 左權(quán)阜生煤業(yè)有限公司，山西 晉中 032600；2.復(fù)恒(重慶)科技有限公司，重慶 400000; 3. 西安科技大學(xué) 安全科學(xué)與工程學(xué)院，陜西 西安 710054)

煤礦自燃火災(zāi)事故頻發(fā)，甚至引發(fā)瓦斯爆炸，造成重大財(cái)產(chǎn)損失和人員傷亡，嚴(yán)重威脅礦井安全生產(chǎn)[1-2]。煤自燃火災(zāi)主要發(fā)生在采空區(qū)，具有一定的隱蔽性，燃燒熱量散失難，防控難度高且易復(fù)燃[3]，因此，研究煤自燃發(fā)生的特點(diǎn)及臨界條件成為學(xué)者們研究的熱點(diǎn)[4-6]。導(dǎo)致煤自燃發(fā)生的外部臨界條件主要有最小浮煤厚度、下限氧濃度和上限漏風(fēng)強(qiáng)度，統(tǒng)稱為煤自燃極限參數(shù)[7]。徐精彩采用熱平衡法得到采空區(qū)煤自燃極限參數(shù)計(jì)算方法，計(jì)算確定煤自燃極限參數(shù)[8]。煤變質(zhì)程度和粒度降低，氧化放熱量升高，煤自燃極限參數(shù)向易發(fā)生煤自燃危險(xiǎn)的方向變化[9-10]。阻化劑處理后煤樣的氧化放熱性降低，最小浮煤厚度和下限氧濃度顯著升高，上限漏風(fēng)強(qiáng)度降低，煤自燃風(fēng)險(xiǎn)降低[11]。

基于機(jī)器學(xué)習(xí)提出煤自燃極限參數(shù)的預(yù)測(cè)方法[12]，在采空區(qū)內(nèi)漏風(fēng)風(fēng)流速度隨埋入深度、壓實(shí)度和阻力作用逐漸降低，同時(shí)漏風(fēng)流通過程中與遺煤發(fā)生接觸，風(fēng)流中的氧氣分子與煤中活性結(jié)構(gòu)發(fā)生反應(yīng)不斷被消耗，氧氣濃度也不斷降低。隨著埋入采空區(qū)深度不斷增大，環(huán)境中的氧氣濃度逐漸降低，明顯影響煤自燃過程[13-17]，但對(duì)采空區(qū)低氧環(huán)境下煤自燃極限參數(shù)變化特征研究較少，這不利于對(duì)煤自燃危險(xiǎn)性的確定、危險(xiǎn)區(qū)域的判定及高效防治。因此，選擇山西阜生煤礦煤樣為對(duì)象，采用煤自燃特征模擬測(cè)試，得到采空區(qū)不同氧氣濃度下遺煤自燃氧化耗氧和放熱特征，通過計(jì)算得到煤自燃極限參數(shù)，揭示采空區(qū)低氧環(huán)境中煤自燃極限參數(shù)變化規(guī)律，有利于采空區(qū)煤自燃危險(xiǎn)區(qū)域判定和自燃隱患的早期控制。

1 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)及過程

1.1 實(shí)驗(yàn)煤樣的制備

實(shí)驗(yàn)煤樣采自山西阜生煤礦，工業(yè)分析結(jié)果見表1。樣品的真密度為1.39 g/cm3，視密度為1.30 g/cm3，孔隙率F為6.47%.采集得到的新鮮煤樣進(jìn)行封閉，隔絕氧氣運(yùn)輸?shù)綄?shí)驗(yàn)室，首先剝離煤樣表面氧化層，之后將煤樣破碎并篩分為5個(gè)粒徑范圍(0～0.9 mm，0.9～3 mm，3～5 mm，5～7 mm，7～10 mm)，從5個(gè)粒徑范圍各取200 g進(jìn)行混合，模擬采空區(qū)內(nèi)松散煤體，每個(gè)樣品重1 kg。

表1 煤樣工業(yè)分析

1.2 實(shí)驗(yàn)裝置及條件

煤自燃程序升溫裝置如圖1所示。實(shí)驗(yàn)裝置主要由溫度控制部分、氣體供給部分、煤樣氧化反應(yīng)罐和色譜分析部分等組成，煤樣反應(yīng)罐裝煤量為1 kg。氣體由煤樣反應(yīng)罐下部通入，與煤樣反應(yīng)后流入反應(yīng)罐上部銅管排出，在銅管出口采集氣體樣品進(jìn)行色譜分析。不同氧氣濃度氣體采用配氣裝置進(jìn)行配比實(shí)驗(yàn)，氧氣濃度分別為：21%、17%、13%、9%和5%，實(shí)驗(yàn)供氣量為100 mL/min，升溫速率為0.3 ℃/min，煤樣的氧化升溫范圍為20～170 ℃，每隔10 ℃采集氣樣對(duì)煤自燃?xì)怏w進(jìn)行色譜分析。

圖1 程序升溫實(shí)驗(yàn)裝置

2 煤氧化的耗氧和放熱特征

2.1 煤氧化耗氧速率

在煤自燃程序升溫實(shí)驗(yàn)過程中，煤氧化耗氧特征是煤氧化反應(yīng)強(qiáng)弱的關(guān)鍵參數(shù)。鄧軍等采用大型煤自燃發(fā)火實(shí)驗(yàn)得到煤低溫氧化過程中耗氧速率的計(jì)算方法，如公式(1)所示[18]：

(1)

根據(jù)公式(1)計(jì)算、繪制煤樣低溫氧化的耗氧速率變化曲線，如圖2所示。

圖2 煤低溫氧化過程中耗氧速率曲線圖

由圖2可知，在實(shí)驗(yàn)一開始，煤樣接觸氧氣，煤氧化溫度較低，環(huán)境中的氧氣首先在煤樣內(nèi)部孔隙的表面發(fā)生單層的物理吸附，在逐漸飽和之后，一部分氧氣與煤表面的活性結(jié)構(gòu)發(fā)生化學(xué)吸附和緩慢的化學(xué)反應(yīng)，此時(shí)煤氧化的耗氧量較低。隨煤樣氧氣溫度逐漸升高，煤中活性結(jié)構(gòu)逐漸被活化，且環(huán)境中活化氧氣分子數(shù)也不斷增加，使得煤氧化反應(yīng)速率逐漸增大，煤氧化耗氧速率隨煤氧化溫度升高緩慢增大。當(dāng)煤氧化溫度超過臨界溫度后，煤中活性結(jié)構(gòu)活化速度加快導(dǎo)致煤氧化耗氧速率增速加快，特別是煤氧化溫度超過100 ℃后，煤進(jìn)入快速氧化階段，氧氣與活性結(jié)構(gòu)反應(yīng)產(chǎn)生大量中間產(chǎn)物，進(jìn)一步加速煤的氧化反應(yīng)，環(huán)境中氧氣濃度降低導(dǎo)致煤氧化耗氧速率顯著減慢。這主要是由于氧氣濃度降低使氧氣在煤表面物理吸附動(dòng)力降低，抑制了化學(xué)吸附和化學(xué)反應(yīng)，同時(shí)也使環(huán)境中活化氧氣分子數(shù)降低，抑制了活化氧氣分子與活化結(jié)構(gòu)的反應(yīng)機(jī)率，抑制煤的氧化反應(yīng)。在實(shí)驗(yàn)開始階段，環(huán)境中不同氧氣條件對(duì)煤氧化耗氧速率差別較小，這因?yàn)閷?shí)驗(yàn)開始階段煤氧化需氧量較小，造成低氧環(huán)境下對(duì)煤氧化抑制作用較小。隨煤氧化溫度升高，煤氧化耗氧量逐漸增大，這使得低氧環(huán)境對(duì)煤氧化反應(yīng)的抑制作用更加明顯，氧氣濃度越低則耗氧速率降低幅度越大。

2.2 煤氧化的放熱強(qiáng)度

根據(jù)煤樣低溫氧化試驗(yàn)，得到煤樣氧化耗氧、一氧化碳和二氧化碳產(chǎn)生率等數(shù)據(jù)，松散煤體放熱強(qiáng)度q的計(jì)算見公式(2)[9-10]：

q=qa(v1-v2-v3)+v2(h1+△h1)+v3(h2+△h2)

(2)

式中：qa為在煤低溫氧化過程中煤樣表面活性結(jié)構(gòu)化學(xué)吸附氧的化學(xué)吸附熱，J/mol；v1為煤樣氧化溫度為T時(shí)煤低溫氧化時(shí)耗氧速率，mol/s；v2、v3分別為煤樣氧化溫度為T時(shí)CO和CO2的產(chǎn)生速率，mol/s；h1、h2分別為煤氧化過程中在標(biāo)準(zhǔn)情況下CO和CO2的標(biāo)準(zhǔn)生成熱，J/mol；△h1、△h2分別為CO和CO2在標(biāo)準(zhǔn)大氣壓、煤樣氧化溫度為T時(shí)與標(biāo)準(zhǔn)生成熱的差值，J/mol。

經(jīng)計(jì)算，得到試驗(yàn)煤樣氧化的放熱強(qiáng)度，見圖3。

圖3 煤低溫氧化過程中的放熱強(qiáng)度曲線圖

由圖3可知，阜生煤礦煤樣的低溫氧化自燃是一個(gè)從物理吸附到化學(xué)反應(yīng)的逐漸加速過程。在實(shí)驗(yàn)一開始，煤氧化溫度較低，煤分子中的活性基團(tuán)較少，煤與氧氣反應(yīng)速度較低，導(dǎo)致煤的氧化放熱強(qiáng)度較低。隨煤氧化溫度不斷升高，煤中活性結(jié)構(gòu)逐漸活化，參與到煤氧化釋放熱量。在煤氧化溫度超過臨界溫度(80～90 ℃)后，達(dá)到了一些活性較高的結(jié)構(gòu)的活化溫度，被大量活化，參與煤的氧化反應(yīng)，使煤氧化放熱量開始顯著升高。煤氧化溫度越高，被活化參與煤氧化的活性結(jié)構(gòu)種類和數(shù)量就越多，造成煤氧化反應(yīng)放熱增速隨煤氧化溫度上升而逐漸升高。在實(shí)驗(yàn)開始階段，煤氧化溫度較低，主要發(fā)生氧氣在煤表面的物理化學(xué)吸附及與活性結(jié)構(gòu)緩慢的化學(xué)反應(yīng)，降低氧氣濃度對(duì)煤氧化放熱量影響較小。隨煤氧化溫度升高，煤中活性結(jié)構(gòu)與氧氣之間的化學(xué)反應(yīng)逐漸增強(qiáng)，特別是煤氧化溫度超過臨界溫度之后，大量活性結(jié)構(gòu)被活化，煤氧化耗氧量顯著升高(見圖2)，造成低氧環(huán)境對(duì)煤氧化放熱量產(chǎn)生的抑制作用愈加明顯。溫度越高，氧氣濃度越低，煤氧化放熱量降低幅度越大。降低氧氣濃度會(huì)導(dǎo)致環(huán)境中活化氧氣分子數(shù)顯著減少，煤中活化結(jié)構(gòu)與氧氣接觸機(jī)會(huì)減少抑制煤氧化反應(yīng)，因此，低氧環(huán)境對(duì)煤氧化放熱的抑制作用會(huì)隨煤氧化溫度升高而不斷升高。

3 煤自燃極限參數(shù)

3.1 極限參數(shù)

采空區(qū)內(nèi)煤自燃會(huì)受到煤自燃傾向性及外界環(huán)境的共同作用，在煤自燃特性和外界條件同時(shí)滿足時(shí)，煤才有可能發(fā)生自燃[19]。滿足采空區(qū)內(nèi)遺煤自然發(fā)火的外在條件主要有遺煤自燃最小浮煤厚度、極限氧濃度和下限漏風(fēng)強(qiáng)度，統(tǒng)稱為煤自燃極限參數(shù)[7,11]。

hmin=

(3)

(4)

(5)

3.2 最小浮煤厚度

采空區(qū)煤體漏風(fēng)強(qiáng)度為0.025 5 cm/s時(shí)，不同氧氣濃度下采空區(qū)遺煤自燃最小浮煤厚度變化規(guī)律見圖4。

由圖4得到，阜生礦煤樣自燃的最小浮煤厚度隨煤氧化溫度上升呈現(xiàn)先上升后下降的趨勢(shì)，最小浮煤厚度的最大值出現(xiàn)在50～60 ℃，在煤樣氧化溫度超過60 ℃之后，最小浮煤厚度隨煤氧化溫度升高而不斷降低。浮煤厚度是影響松散煤體氧化蓄熱的關(guān)鍵因素，最小浮煤厚度代表能使得松散煤體放熱蓄積導(dǎo)致煤溫不斷升高的最小堆積厚度。在煤氧化臨界溫度之前，煤氧化放熱量低，而隨煤氧化溫度升高導(dǎo)致與環(huán)境溫差增大，使煤與環(huán)境之間的散熱量增大，氧化放熱量隨煤氧化溫度升高增大量不足以彌補(bǔ)散熱量增大量，因此，最小浮煤厚度隨溫度升高逐漸增大。在氧化溫度接近臨界溫度附近時(shí)，氧化放熱量顯著增大，隨溫度升高，氧化放熱量增長率會(huì)顯著升高，氧化放熱量增速逐漸超過散熱量的增速，這使得最小浮煤厚度在臨界溫度附近達(dá)到最大值，之后隨煤氧化溫度升高而逐漸下降。降低氧氣濃度會(huì)顯著抑制煤的氧化放熱，這造成相同條件下煤氧化蓄熱需要的浮煤厚度顯著增大，因此環(huán)境中氧氣濃度降低，煤自燃的最小浮煤厚度逐漸增大。

圖4 不同氧氣濃度煤自燃的最小浮煤厚度曲線圖

3.3 下限氧氣濃度

遺煤厚度在120 cm時(shí)不同氧氣濃度下，采空區(qū)遺煤自燃下限氧氣濃度變化規(guī)律如圖5所示。

圖5 不同氧氣濃度時(shí)煤自燃下限氧氣濃度曲線圖

由圖5可知，不同氧氣濃度條件下阜生煤礦煤體自燃下限氧氣濃度隨煤氧化溫度升高與最小浮煤厚度變化規(guī)律相似，均為先升高后降低，也是煤氧化放熱量和散熱量隨煤氧化溫度升高之間的相互作用導(dǎo)致的。環(huán)境中氧氣濃度降低使煤氧化放熱量降低抑制煤的自燃，圖5中不同氧氣濃度條件下煤自燃下限氧氣濃度為該氧氣濃度條件下煤自燃需要的最低氧氣環(huán)境。環(huán)境中氧氣濃度小于煤自燃下限氧氣濃度時(shí)，環(huán)境中氧氣濃度不足，煤氧化放熱量小于環(huán)境中的散熱量，不能使煤溫升高而發(fā)生自燃。環(huán)境中氧氣濃度為21%時(shí)煤自燃下限氧氣濃度為9.8%，此時(shí)煤存在自燃風(fēng)險(xiǎn)；環(huán)境中氧氣濃度降低至13%時(shí)，煤自燃下限氧氣濃度升高到18.6%，在此條件下煤自燃難以發(fā)生。因此，在采空區(qū)煤自燃火災(zāi)防治過程中，可將采空區(qū)氧氣濃度降低到煤自燃下限氧氣濃度之下，實(shí)現(xiàn)煤自燃火災(zāi)的有效防治。

3.4 上限漏風(fēng)強(qiáng)度

采空區(qū)松散遺煤的厚度在120 cm時(shí)，不同環(huán)境氧氣濃度條件下松散遺煤自燃上限漏風(fēng)強(qiáng)度變化規(guī)律如圖6所示。

圖6 不同氧濃度時(shí)煤自燃上限漏風(fēng)強(qiáng)度曲線圖

漏風(fēng)強(qiáng)度是影響煤氧化放熱量蓄積的關(guān)鍵因素，漏風(fēng)強(qiáng)度越高，帶走松散煤體氧化放熱量越大。由圖6可知，阜生礦煤樣自燃上限漏風(fēng)強(qiáng)度隨煤氧化溫度升高為先降低后升高的趨勢(shì)，最小值處在煤自燃臨界溫度點(diǎn)。在臨界溫度之前松散遺煤氧化放熱量隨氧化溫度升高增加速度較慢，不足以彌補(bǔ)因煤氧化溫度升高導(dǎo)致漏風(fēng)帶走熱量的增大，導(dǎo)致上限漏風(fēng)強(qiáng)度呈降低趨勢(shì)。松散遺煤氧化溫度超過臨界溫度之后，遺煤氧化反應(yīng)強(qiáng)度顯著升高，放熱量隨煤溫升高增速逐漸超過了漏風(fēng)量帶走的熱量，上限漏風(fēng)強(qiáng)度隨煤溫升高而逐漸升高。降低氧氣濃度，抑制煤樣的氧化放熱，相同條件下煤氧化蓄熱所需的漏風(fēng)上限降低，不利于煤氧化放熱量的蓄積。因此，降低采空區(qū)環(huán)境中的氧氣濃度可明顯降低采空區(qū)松散遺煤氧化自燃風(fēng)險(xiǎn)。

4 結(jié) 語

1) 隨著氧氣濃度降低，煤自燃氧化耗氧速率和放熱量明顯降低，煤氧化耗氧量和氧化反應(yīng)速率隨煤氧化溫度升高不斷增強(qiáng)。

2) 不同氧氣濃度條件下煤樣自燃極限參數(shù)中的最小浮煤厚度及下限氧氣濃度隨煤氧化溫度上升表現(xiàn)為先增大后減少的趨勢(shì)，最大值在煤自燃臨界溫度時(shí)達(dá)到，而煤自燃上限漏風(fēng)強(qiáng)度呈現(xiàn)相反的變化趨勢(shì)，在煤自燃臨界溫度附近達(dá)到最小值。

3) 降低氧氣濃度，煤自燃極限參數(shù)向抑制煤自燃發(fā)生的方向變化。煤自燃的最小浮煤厚度和下限氧氣濃度升高，煤自燃上限漏風(fēng)強(qiáng)度降低，將環(huán)境中氧氣濃度降低到下限氧氣濃度之下，可有效防治煤自燃火災(zāi)事故的發(fā)生。