黃萬齊，唐一博，郭 倩，王俊峰，馬冬娟

(1.太原理工大學安全與應急管理工程學院，太原 030024；2.太原理工大學礦業(yè)工程學院，太原 030024)

煤礦與煤田火災是世界范圍內主要的礦山災害，一直以來制約著煤炭工業(yè)的安全高效發(fā)展[1].煤礦井下火災由于其通風和蓄熱環(huán)境極易發(fā)展成陰燃這一特殊狀態(tài)，造成地下煤火持續(xù)數月甚至數年之久，例如我國的硫磺溝煤田就持續(xù)燃燒了129 年.陰燃燃燒是依靠固體與氧氣間的異相表面反應所放出的熱量維持自身傳播的燃燒形式，是無可見光的緩慢燃燒[2].而精準探測煤層陰燃范圍難度較大，研究煤炭陰燃規(guī)律并掌握其陰燃蔓延特性，對于減少災害事故、防止火災發(fā)生以及火災撲滅具有重要意義.

目前，國內外很多學者采用了相似模型試驗和數值模擬的方法研究了含水率、粒徑、密度、無機物含量等因素對陰燃蔓延特性的影響.例如：Ronda 等[3]發(fā)現松樹皮平均粒徑小于2 mm 時著火溫度比平均粒徑小于4 mm 時低20 ℃，此外，陰燃速率也是后者的兩倍.Sesseng 等[4]發(fā)現，與粒徑小于4 mm 的木屑相比，粒徑為4～100 mm 的木屑陰燃溫度提高了92 ℃，質量損失增加了 36.3%，陰燃時間減少了2 h.何芳等[5]發(fā)現玉米秸粉陰燃峰值溫度隨顆粒尺寸的減小而升高，陰燃傳播速率基本不受尺寸影響.賈寶山等[6]建立了二維非穩(wěn)態(tài)纖維質材料填充床正向陰燃的數學模型，發(fā)現燃料密度和比熱對燃料的陰燃傳播影響顯著.Frandsen[7]研究了泥炭陰燃蔓延概率與無機物含量、水分含量和密度之間的擬合關系.然而眾多學者關于陰燃傳播的研究主要集中在泥炭、木質纖維材料、生物質等材料，而關于煤炭陰燃的研究較少，并且以往研究中材料均采用連續(xù)材料.在實際生活中，陰燃火災涉及的材料復雜多變且不一定是連續(xù)材料，而非連續(xù)材料會直接影響陰燃的傳播過程，使得陰燃呈現出更為復雜的變化規(guī)律.

目前，以水和惰性巖粉材料作為防止或減弱瓦斯爆炸后果的常見手段，廣泛運用于煤礦礦井中，但該阻爆(或隔爆)裝置為一次性裝置，并且在某些特殊條件下會失效，有關學者也開始研究多層金屬絲網的瓦斯爆炸阻爆(或隔爆)效果，作為一種新型的緩沖吸能材料，它通過淬熄瓦斯爆炸火焰的傳播來降低瓦斯爆炸后的破壞作用[8].另一方面，對于地下煤炭火災，目前的研究主要側重防滅火材料的研發(fā).例如董凱麗等[9]研究了一種熱穩(wěn)定性良好的新型礦用滅火凝膠材料，滅火時，凝膠可覆蓋煤體表面減少暴露面積，有效地堵塞煤體間的裂隙，從而降低煤體周圍氧氣體積分數和燃燒放熱量，使得燃燒產生的CO 體積分數比原煤降低了26%～66%.聶士斌等[10]發(fā)現高分子聚合物復合凝膠能有效地抑制煤的燃燒，防止煤的復燃.余明高等[11]發(fā)現新型防老劑在煤自燃后期有較好的阻化效果.但現有的研究缺乏對上述材料滅火效果的科學評價，這些材料的使用是否可以有效地阻滯陰燃傳播，還缺乏實驗驗證.

綜上所述，針對于地下煤炭陰燃這一重要災害，其傳播規(guī)律還需要深入研究.結合地下煤火災害治理現狀，測試與評價熱阻材料對陰燃蔓延特性的影響，可以為陰燃火災蔓延規(guī)律提供科學參考指標.因此，本文利用自行設計并搭建煤炭陰燃的物理模擬實驗裝置，研究了不同類型熱阻材料對陰燃煤堆火區(qū)溫度和傳播過程的影響，定量計算陰燃蔓延危險性綜合指數，研究結果為高效控制陰燃的大面積傳播和科學設置火災緩沖帶提供科學依據.

1 實驗條件與過程

1.1 材料

實驗煤樣選取山西無煙煤，其工業(yè)分析結果如表1 所示.使用DX-100×60 顎式破碎機將煤塊破碎，利用標準篩網篩分出粒徑范圍在0.38～1.70 mm 的碎煤進行陰燃實驗.

表1 煤樣工業(yè)分析Tab.1 Proximate analysis of the coal samples

實驗所用熱阻材料為：水、巖粉、金屬網、凝膠，見圖1.其中實驗用水為去離子水.巖粉采用礦用防爆惰性巖粉，其主要成分為碳酸鈣(CaCO3)，純度大于99.5%.金屬網由孔徑0.15～0.18 mm 的不銹鋼絲網格組成.凝膠由羧甲基纖維素鈉(CMC)、氯化鋁、檸檬酸、葡萄糖酸-δ-內酯(GDL)和氫氧化鈉配置而成，首先配制質量分數為20%的氯化鋁溶液，按2:1的比例向溶液中加入檸檬酸，形成檸檬酸鋁溶液；用5%的氫氧化鈉溶液滴定，過程中會出現白色沉淀，當其pH 值升至7 左右停止滴定，靜置等待溶液變澄清；取滴定好的溶液加入到配制好的CMC 溶液中，再加入GDL，攪拌均勻，經過一定時間后形成凝膠.

圖1 熱阻材料及紙筒Fig.1 Thermal resistance materials and cardboard cylinder

1.2 實驗裝置

陰燃實驗采用自行制作的煤炭陰燃的物理模擬實驗裝置，該裝置主要由陰燃燃燒爐體系統(tǒng)、加熱系統(tǒng)、供氣系統(tǒng)、數據采集系統(tǒng)4 部分組成.如圖2 所示.陰燃燃燒爐為不銹鋼管(Φ100 mm×1 200 mm)外覆10 cm 硅酸鋁陶瓷纖維保溫層.加熱系統(tǒng)為U型翅片加熱管，標定功率500 W.采用無油空壓機供氣，利用玻璃轉子流量計的流量閥調節(jié)供氣流量.使用K 型鎧裝熱電偶(測溫范圍0～1 300 ℃)在爐體同一側間距10 cm 依次布置T1～T10 測點進行數據采集，無紙記錄儀實時記錄燃燒爐體內溫度變化.

圖2 煤陰燃實驗系統(tǒng)示意Fig.2 Schematic diagram of the smolder testing setup

1.3 測溫系統(tǒng)誤差

傳統(tǒng)測溫對于測溫系統(tǒng)的檢定，通常采用分立元件檢定法，即分別對熱電偶、補償導線及儀表進行檢定，測溫系統(tǒng)的誤差為：

式中：Δε 為測溫系統(tǒng)誤差，℃；δ1為熱電偶的極限誤差，℃；δ2為補償導線的極限誤差，℃；δ3為儀表的極限誤差，℃.

測溫系統(tǒng)采用K 型熱電偶，精度為Ⅱ級，取溫度點為1 000 ℃，δ1取值7.5 ℃，對于K 型熱電偶補償導線為B 級，其誤差為±2.5 ℃，記錄儀與數顯儀表的采樣精度優(yōu)于全量程0.2%，其誤差為±2 ℃.將上述各誤差代入式(1)，計算得到測溫系統(tǒng)的誤差約為8.2 ℃，其誤差范圍滿足實驗要求精度.

1.4 實驗過程

正式實驗之前，進行了多次陰燃預實驗，實驗發(fā)現煤樣在供氣流量15 L/min，加熱時間3 h 的條件下可以維持正常陰燃傳播.在原煤陰燃實驗中，將制備好的煤樣裝填滿燃燒爐，研究熱阻影響實驗中，首先將熱阻材料放在紙筒(Φ100 mm×50 mm)內并密封，然后在T6 和T7 中間位置(距離進氣口位置77.5～82.5 cm)放入紙筒(如圖1(e)所示)，其他位置用煤填滿爐體并連接進氣管路.設置供風流量至15 L/min，預加熱3 h 提供穩(wěn)定的陰燃傳播熱源，燃煤溫度穩(wěn)定在800 ℃后停止加熱.采用THMA 100 K 無紙記錄儀實時采集T1～T10 熱電偶處溫度動態(tài)變化過程，當全部熱電偶的溫度下降到室溫后結束實驗.

熱分析試驗儀器采用德國耐馳STA449F3 同步熱分析儀獲得熱重曲線，進而分析研究煤的熱穩(wěn)定性.在測試過程中，取備好的煤樣質量10 mg 左右，在空氣氣氛中以50 mL/min 的流速、10 K/min 的升溫速率將煤樣從室溫加熱到800 ℃.

2 結果與討論

2.1 熱分析

圖3 顯示了無煙煤熱分析的結果，圖中t1為煤炭失去水分失重到最低點時的溫度，此時DTG 值第1次為0；t2為煤與空氣中的氧結合使煤的質量增加，煤樣即將進入較快失重階段時的溫度.此時DTG 值第2 次為0；t3為煤樣的燃點溫度，過DTG 曲線的峰值點做垂線，然后做該垂線與TG 曲線交點的切線，切線與經過TG 曲線失重起始點的平行線交點溫度即為著火點溫度；t4為燃盡溫度，即煤樣的質量不再發(fā)生變化時的溫度.根據特征溫度點，無煙煤從低溫氧化到燃燒完成全過程可分為5 個階段：水分蒸發(fā)階段(t0～t1)、吸氧增重階段(t1～t2)、受熱分解階段(t2～t3)、燃燒階段(t3～t4)、燃盡階段(大于t4).水分蒸發(fā)失重階段在220 ℃之前，在此階段主要發(fā)生脫水過程，煤里面的水分蒸發(fā)導致質量減小，失水質量變化在1.4%左右.吸氧增重階段發(fā)生在220～371 ℃，煤樣出現輕微的增重過程，這是因為煤樣水分蒸發(fā)后，煤的表面積增加，能夠吸附大量的氧氣形成煤氧的復合體，宏觀上表現出吸氧的質量多于氧化釋放的氣體質量.受熱分解階段發(fā)生在371～553 ℃，煤樣進入受熱分解階段.煤樣開始較快的失重過程.燃燒階段發(fā)生在553～760 ℃，煤樣DTG 曲線存在一個完整峰，在DSC 曲線上呈現出一個大的放熱峰，燃燒峰值溫度約593 ℃，這主要是由于煤中不同有機顯微組分氧化造成的.燃盡階段發(fā)生在760 ℃以后，煤的化學反應消失，質量基本保持不變，燃燒結束最后殘留質量分數約為14.95%，該部分主要為煤炭中的灰分.

圖3 煤樣熱分析結果Fig.3 Thermal analysis results of coal samples

為合理定義無煙煤陰燃傳播速率，本文依據無煙煤熱解階段的起始溫度(371 ℃)定義陰燃前鋒，從而計算陰燃蔓延速率.

2.2 正向陰燃

原煤及填充固液熱阻材料后陰燃結果如圖4 所示，各個測點所監(jiān)測到的陰燃溫度的變化趨勢是一致的，除受加熱影響的1～3 號測點外，其余測點均從左到右依次達到各自的峰值溫度，間接說明陰燃過程是陰燃前鋒沿氣流方向正向傳播的動態(tài)過程.

填充水樣品的實驗結果如圖4(b)所示，當陰燃前鋒傳播至含水部分后，陰燃溫度基本不變且能夠維持陰燃傳播，并且與原煤相比溫度增加了 4.7～109.0 ℃.填充水后使得T6 位置達到峰值溫度的時間延后3 h 以上，但是在水分蒸發(fā)過程中由于水分的疏通作用使得煤樣孔隙率增加，導致空氣與煤顆粒接觸混合更加充分，使得已燃區(qū)溫度能升高到700 ℃以上，利于多孔炭進行放熱反應.因此，陰燃能夠維持正常傳播且陰燃溫度有較大增幅.

填充巖粉樣品的實驗結果如圖4(c)所示.當陰燃前鋒傳播至巖粉部分后，陰燃峰值溫度持續(xù)降低，陰燃峰值溫度從T6 位置處的581.4 ℃降低到T7 位置處的548.5 ℃，最終傳播至T10 位置時峰值溫度降至424.0 ℃.由于巖粉屬于惰性介質，在整個陰燃過程中存在物理吸熱過程，能夠在一定程度上降低煤體的陰燃溫度，并且?guī)r粉結構緊密，能夠有效降低進入后半段煤體的氧氣含量，而煤體陰燃反應受控于氧氣濃度，因此，巖粉通過物理吸熱和降低氧氣的作用在一定程度上也能夠抑制陰燃傳播并有效降低陰燃溫度.

填充金屬網樣品的實驗結果如圖4(d)所示.當陰燃傳播至金屬網時，已燃區(qū)陰燃峰值溫度從553.8 ℃降至442.4 ℃，較原煤陰燃傳播到T6 位置時溫度降低了200 ℃.隨著陰燃向后傳播，已燃區(qū)溫度持續(xù)降低，到達 T9 位置時，最高溫度已經低于275 ℃，陰燃難以繼續(xù)維持，最后熄滅.這可能是因為金屬網的孔徑較小，當陰燃傳播到金屬網時，自由基和金屬壁面的碰撞幾率增大，碰撞中會導致自由基被銷毀[8]，參與反應的自由基降低從而造成陰燃溫度降低，并且由于材料的非連續(xù)性，已燃區(qū)煤體燃燒的熱量傳遞到金屬網后再傳遞到后方未燃區(qū)煤體過程中存在較大熱量損失，導致傳遞到后方煤體的熱量不足以維持熱解反應和炭氧化反應，最終陰燃難以維持傳播直至熄滅.

填充凝膠樣品的實驗結果如圖4(e)所示.當陰燃由煤傳播到含凝膠部分時已經基本不能傳播.從圖中可以明顯觀察到陰燃區(qū)的溫度出現大幅下降，已燃區(qū)的陰燃峰值溫度從506.4 ℃降到358.0 ℃，降溫幅度達到148.4 ℃.這是由于凝膠滲透率低，凝膠在煤體表面形成覆蓋層和堵塞煤體裂隙通道，有效減少了凝膠后部分的煤與氧氣的接觸，同時凝膠中的水能夠吸收陰燃過程中釋放的大部分熱量，使得熱量傳遞到含有凝膠部分時溫度急劇下降，在凝膠隔氧、降溫、吸熱等綜合作用下，煤體的平均陰燃溫度能持續(xù)降低，陰燃區(qū)溫度難以達到煤炭熱解溫度，導致陰燃反應難以維持直至熄滅.

圖4 原煤及填充固液熱阻材料后水平正向陰燃過程Fig.4 Horizontal forward smoldering process of raw coal and filled solid-liquid thermal resistance material

2.3 陰燃峰值溫度及升溫速率

利用陰燃峰值溫度以及傳播到各個熱電偶的時間定義得到陰燃峰值升溫速率，其值反映了陰燃過程中溫度升至最高溫度的快慢程度，見計算公式(2)：

式中：vpi為第i 個熱電偶處的陰燃峰值升溫速率，℃/h；Tpi為第i 個熱電偶陰燃峰值溫度，℃；tpi為第i個熱電偶到達最高溫度的時間，h.

圖5 和圖6 分別顯示了原煤及填充熱阻材料后陰燃峰值溫度和陰燃峰值升溫速率的變化情況.由圖可知，陰燃峰值溫度和陰燃峰值升溫速率均隨著陰燃的向后傳播呈下降趨勢，原煤、填充水樣品、填充巖粉樣品、填充金屬網樣品、填充凝膠樣品的陰燃峰值溫度降幅分別為25.6%、13.2%、41.2%、68.2%、70.6%，陰燃峰值升溫速率降幅分別為 74.5%、71.2%、79.3%、87.9%、88.7%.由于陰燃傳播過程中存在熱損失，已燃區(qū)陰燃產生熱量并不能完全傳播到后方未燃區(qū)，且陰燃傳播距離越長，累積熱損失越大.同時，填充巖粉、金屬網、凝膠這3 種熱阻材料后其隔氧、降溫、吸熱等綜合作用抑制陰燃傳播進而影響陰燃峰值溫度和陰燃峰值升溫速率.相較于原煤陰燃，填充水后T7～T10 位置陰燃溫度卻升高了29～110 ℃，陰燃峰值升溫速率增加了1.8～7.7 ℃/h，這是因為水分蒸發(fā)后在水分的疏通作用下煤樣孔隙率增加，導致空氣與煤顆粒接觸混合更加充分，利于多孔炭進行放熱反應造成陰燃溫度和陰燃峰值升溫速率增加.相較于原煤陰燃，填充熱阻材料后降低溫度效果和降低升溫速率效果排序均為：凝膠＞金屬網＞巖粉＞水，除填充水外，填充其他材料的陰燃峰值溫度和陰燃峰值升溫速率均有不同程度降低，其中填充凝膠后的降溫效果和降低升溫速率效果最為顯著，溫度降低幅度為131～422 ℃，陰燃峰值升溫速率降低幅度6.9～45.1 ℃/h，且靠后位置處降幅更加明顯.這主要是因為凝膠隔氧、降溫、吸熱等綜合作用下，已燃區(qū)陰燃釋放熱量不足以維持未燃區(qū)煤進行陰燃，導致煤體的陰燃溫度持續(xù)降低，進而影響陰燃峰值升溫速率，最終陰燃難以持續(xù)傳播直至熄滅.

圖5 陰燃峰值溫度Fig.5 Peak smoldering temperature

圖6 陰燃峰值升溫速率Fig.6 Peak heating rate of smoldering

2.4 陰燃蔓延速率

利用各個熱電偶溫度到達熱解溫度(371 ℃)的時間以及與進氣口的距離計算陰燃蔓延速率(若某處熱電偶溫度達不到熱解溫度，以到達其峰值溫度時間計算)，其值反映了陰燃過程中傳播快慢程度，計算公式如下：

式中：vsi為第i 個熱電偶處的陰燃蔓延速率，cm/h；Lsi為i 個熱電偶距離進氣口的距離，cm；tsi為第i 個熱電偶到達熱解溫度的時間，h.

圖7 顯示了原煤及填充熱阻材料后的陰燃蔓延速率的變化情況，由圖7 可知，原煤陰燃蔓延速率范圍穩(wěn)定在16.9～21.0 cm/h，相較于原煤陰燃實驗，填充水樣品在T4～T6 位置陰燃蔓延速率變化并不明顯，而在T7～T8 位置處蔓延速率卻提高了0.3～1.1 cm/h，這是因為水分蒸發(fā)后在水分的疏通作用下使得煤樣孔隙率增加，導致空氣與煤顆粒接觸混合更加充分，利于多孔炭進行放熱反應從而提高陰燃蔓延速率.而填充巖粉、金屬網、凝膠后的蔓延速率分別降 低 了 1.1～11.0 cm/h、2.2～12.5 cm/h、2.8～12.9 cm/h，填充熱阻材料后降低陰燃蔓延速率效果排序為：凝膠＞金屬網＞巖粉＞水.這是因為填充巖粉、金屬網、凝膠熱阻材料后已燃區(qū)陰燃釋放熱量不足以維持未燃區(qū)煤進行陰燃，導致煤體的陰燃溫度持續(xù)降低，而陰燃過程中熱傳導的傳熱量正比于溫度梯度，非連續(xù)材料溫度梯度將低于連續(xù)材料，并且非連續(xù)材料處的間隙會造成熱量損失，造成非連續(xù)材料在陰燃過程中傳熱量降低從而影響陰燃蔓延速率.

圖7 陰燃蔓延速率Fig.7 Smoldering spread rate

2.5 陰燃危險性評價

采用平均峰值溫度、平均陰燃峰值升溫速率以及平均陰燃蔓延速率這3 個參數作為陰燃蔓延危險性指標，具體數值通過T4～T10 位置處參數取平均值取得.運用熵值法[12]計算陰燃蔓延危險性指標權重，進而計算陰燃蔓延危險性綜合指數，其確定流程如下：

(1) 歸一化處理

(2) 計算第j 項指標的熵值

式中：ej為第j 個參數的熵值，其值大小反映了無序程度和不確定性.

(3) 計算熵權重

式中：wj為第j 個指標權重.其值大小反映了各個指標對綜合指標的貢獻度.

(4) 計算陰燃蔓延危險性綜合指數(comprehend sive smoldering propagation hazard index，CSPHI)

式中：RCSPHI為煤炭陰燃蔓延危險性綜合指數，其值大小反映了陰燃蔓延危險性.

由式(6)計算平均峰值溫度、平均前鋒陰燃蔓延速率、平均陰燃峰值升溫速率權重，分別為0.32、0.36、0.32.表2 顯示了不同樣品陰燃蔓延危險性綜合指數計算結果，由表2 可知，原煤、填充水樣品、填充巖粉樣品、填充金屬網樣品、填充凝膠樣品的陰燃蔓延危險性綜合指數分別為0.92、0.95、0.57、0.18、0，因此，原煤及填充熱阻材料樣品的陰燃危險性從小到大依次為填充凝膠樣品、填充金屬網樣品、填充巖粉樣品、原煤、填充水樣品.結合上述分析可知，填充凝膠、金屬網、巖粉這3 種熱阻材料在陰燃過程中能夠有效地達到降低陰燃蔓延危險性效果，并且填充凝膠和金屬網的效果要明顯強于填充巖粉，但是以水作為填充熱阻材料并不能有效降低陰燃蔓延危險性，甚至能夠引起陰燃溫度增加，蔓延速率加快從而提高陰燃蔓延危險性.因此，通過設置火災緩沖帶防止無煙煤陰燃時應避免用水作為熱阻材料，應采取效果較好的凝膠、金屬網和巖粉材料作為火災緩沖帶材料.

表2 陰燃蔓延危險性綜合指數計算結果Tab.2 Comprehensive smoldering propagation hazard index

3 結論

本文依托自制實驗裝置對比了原始條件與加入4 種不同熱阻干擾情況下對無煙煤正向陰燃蔓延特性的影響.通過對比分析填充熱阻材料后對陰燃峰值溫度、陰燃峰值溫度升溫速率、陰燃蔓延速率的影響，得出以下結論：

(1) 相較于原煤陰燃，填充水后已燃區(qū)溫度增加4.7～109.0 ℃且能促進煤樣陰燃傳播，而填充巖粉、金屬網、凝膠材料后在隔氧、降溫、吸熱等綜合作用下已燃區(qū)溫度降低了30.7～422.1 ℃且陰燃難以繼續(xù)維持，最后熄滅.

(2) 隨著陰燃的向后傳播，陰燃峰值溫度和陰燃峰值升溫速率均呈下降趨勢，陰燃峰值溫度降幅為13.2%～70.6%，陰燃峰值升溫速率降幅為71.2%～88.7%.填充熱阻材料后降低溫度效果和降低升溫速率效果排序均為：凝膠＞金屬網＞巖粉＞水.

(3) 原煤實驗陰燃蔓延速率范圍穩(wěn)定在16.9～21.0 cm/h，相較于原煤陰燃實驗，填充水在T4～T6位置陰燃蔓延速率變化并不明顯，但是在T7～T8 位置處蔓延速率提高了0.3～1.1 cm/h，而填充巖粉、金屬網、凝膠的蔓延速率分別降低了1.1～11.0 cm/h、2.2～12.5 cm/h、2.8～12.9 cm/h.填充熱阻材料后降低陰燃蔓延速率效果排序為：凝膠＞金屬網＞巖粉＞水.

(4) 運用熵值法定義權重及計算的評價結果為填充熱阻是凝膠材料的陰燃蔓延危險性最小，填充熱阻為水的陰燃火災蔓延危險性最大.