王俊紅，高 宏，劉 東

(1.晉城藍(lán)焰煤業(yè)股份有限公司 成莊礦，山西 晉城 048000；2.安徽理工大學(xué) 安全科學(xué)與工程學(xué)院，安徽 淮南 232001；3.中煤科工集團(tuán)沈陽研究院有限公司，遼寧 撫順 113122；4.煤礦安全技術(shù)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，遼寧 撫順 113122)

我國煤炭資源分布西多東少，而西部90%以上的煤為變質(zhì)程度較低的煙煤，煤自然發(fā)火期短，煤自燃引發(fā)的煤火災(zāi)害十分普遍[1，2]。同時(shí)，煤火會(huì)產(chǎn)生大量的CO2、CH4等溫室氣體及CO、SO2和NOx等有毒有害氣體，威脅礦工生命安全，并污染環(huán)境[3-5]。煤炭氧化和燃燒主要通過熱傳導(dǎo)實(shí)現(xiàn)熱能的輸運(yùn)，表征熱傳導(dǎo)特性的參數(shù)主要包括比熱容、熱擴(kuò)散系數(shù)和導(dǎo)熱系數(shù)[6]，因此，研究煤的熱輸運(yùn)特性，掌握煤火蔓延規(guī)律，對(duì)于煤火災(zāi)害防控具有重要意義。

當(dāng)前學(xué)者對(duì)煤的熱輸運(yùn)特性開展了相關(guān)研究。周西華等[7]揭示了煤中固定碳是影響煤導(dǎo)熱系數(shù)的主要因素；張辛亥等[8]發(fā)現(xiàn)在空氣氣氛下，氣煤的熱擴(kuò)散系數(shù)隨溫度的升高先減小后增大，比熱容增加，導(dǎo)熱系數(shù)增大；劉東[9]研究了不同變質(zhì)程度煙煤中揮發(fā)分等工業(yè)分析指標(biāo)對(duì)煤熱輸運(yùn)特性的影響，發(fā)現(xiàn)煤中揮發(fā)分、固定碳和灰分對(duì)煤熱傳導(dǎo)影響較大；Xiao等[10]得到了氧化煤熱解過程中的導(dǎo)熱系數(shù)，發(fā)現(xiàn)導(dǎo)熱系數(shù)的變化與煤中微晶結(jié)構(gòu)有關(guān)；Yin等[11]利用灰色關(guān)聯(lián)方法分析了氧化煤中煤微晶結(jié)構(gòu)參數(shù)與熱擴(kuò)散特性間的關(guān)聯(lián)性，發(fā)現(xiàn)芳香層片層間距和結(jié)晶度對(duì)煤熱擴(kuò)散系數(shù)的影響較大。綜上所述，當(dāng)前主要集中于研究煤的工業(yè)分析指標(biāo)對(duì)其熱輸運(yùn)特性的影響，較少研究煤中芳香微晶結(jié)構(gòu)參數(shù)變化對(duì)煤熱輸運(yùn)特性的影響。因此，本研究分析了不同變質(zhì)程度煤的熱輸運(yùn)特性和微晶結(jié)構(gòu)參數(shù)，運(yùn)用灰色關(guān)聯(lián)方法，深入探究不同變質(zhì)程度煤中微晶結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)煤比熱容、熱擴(kuò)散系數(shù)及導(dǎo)熱系數(shù)的影響，掌握影響煤熱輸運(yùn)特性的主要影響因素，為揭示煤火蔓延規(guī)律及提出煤火防控措施提供理論基礎(chǔ)。

1 試驗(yàn)方案

1.1 試驗(yàn)材料

本研究選用新疆淮東煤礦褐煤、硫磺溝煤礦長焰煤與艾維爾溝煤礦氣肥煤、山西屯蘭煤礦焦煤、陜西桑樹坪煤礦貧瘦煤、內(nèi)蒙古石拉烏素煤礦不黏煤，分別編號(hào)依次為HD-HM、LHG-CYM、AERG-QFM、TL-JM、SSP-PSM和SLWS-BNM，將煤樣分別破碎篩選出符合《煤的工業(yè)分析方法》(GB/T 212—2008)[12]要求的樣品，采用GF-A6型工業(yè)分析儀對(duì)6種煤開展工業(yè)分析測試，結(jié)果見表1。

表1 不同變質(zhì)程度煤工業(yè)分析 %

1.2 試驗(yàn)儀器及條件

1.2.1 X射線衍射儀

將6種煤樣破碎篩選出粒徑低至0.154 mm的樣品，采用X射線衍射儀(XRD-7000)開展測試分析，得到不同變質(zhì)程度煤樣的芳香微晶結(jié)構(gòu)參數(shù)。X射線衍射儀采用連續(xù)掃描模式，以恒定的掃描速率3°/min從10°至80°，采樣間距為0.02°，電流和電壓分別恒定為30 mA和40 kV，為了減少測試誤差，每個(gè)樣品測試3次，最終得到6種煤樣的芳香層片層間距、延展度及堆砌高度等微晶結(jié)構(gòu)參數(shù)。

1.2.2 激光導(dǎo)熱儀

將6種煤樣破碎篩選出粒徑低至0.154 mm的樣品，采用FW-4A紅外壓片機(jī)將6種煤樣壓制成厚度和直徑分別約為1.0 mm和12.90 mm的薄片，每個(gè)薄片壓制出3個(gè)，用以減少因薄片厚度造成的導(dǎo)熱系數(shù)差異。采用LFA457激光導(dǎo)熱儀獲得不同變質(zhì)程度煤樣的熱輸運(yùn)特性參數(shù)。在1 K/min的恒定加熱速率和100 mL/min的空氣供應(yīng)速率下，當(dāng)爐內(nèi)溫度達(dá)到觸發(fā)值，即30、60、90、…、300 ℃時(shí)，裝置內(nèi)的激光發(fā)射器發(fā)出一束激光脈沖，均勻地照射在煤片底部。這導(dǎo)致煤炭底部的溫度迅速升高，額外的熱量被轉(zhuǎn)移至煤上表面。在這一傳熱過程中，紅外探測器檢測煤樣品上側(cè)的中心溫度，進(jìn)而得到在給定溫度下每個(gè)樣品的導(dǎo)熱系數(shù)。為了減小試驗(yàn)誤差，每個(gè)溫度下試驗(yàn)重復(fù)三次，通過計(jì)算三個(gè)測試結(jié)果的平均值來確定每個(gè)給定溫度下的比熱容、熱擴(kuò)散系數(shù)及導(dǎo)熱系數(shù)。試驗(yàn)系統(tǒng)如圖1所示[13]。

圖1 試驗(yàn)系統(tǒng)

1.3 灰色關(guān)聯(lián)方法

采用灰色關(guān)聯(lián)方法研究煤的芳香微晶結(jié)構(gòu)參數(shù)與熱輸運(yùn)特性參數(shù)之間的相關(guān)性。由于各個(gè)參數(shù)的量綱不一致，利用式(1)對(duì)各個(gè)參數(shù)開展歸一化處理，并通過式(2)得到灰色關(guān)聯(lián)系數(shù)。

式中，Xi(k)和xi(k)分別為第i個(gè)參數(shù)中的第k個(gè)因子對(duì)應(yīng)的數(shù)值和無量綱值；m為參數(shù)數(shù)目；x0(k)為第k個(gè)因子的無量綱值；ζi(k)為第i個(gè)參數(shù)中第k個(gè)因子對(duì)應(yīng)的灰色關(guān)聯(lián)系數(shù)；ρ為區(qū)分系數(shù)，取0.5。

2 芳香結(jié)構(gòu)對(duì)煤傳熱特性的影響

2.1 不同變質(zhì)程度煤的芳香微晶結(jié)構(gòu)

2.1.1 XRD圖譜特征

芳香微晶結(jié)構(gòu)在一定程度下可表征煤的氧化反應(yīng)性，XRD技術(shù)被廣泛用于測定無序或有序碳結(jié)構(gòu)的芳香微晶結(jié)構(gòu)參數(shù)[14]，不同變質(zhì)程度煤的XRD圖譜及分峰擬合曲線如圖2所示。

圖2 不同變質(zhì)程度煤的XRD圖譜及分峰擬合曲線

XRD圖譜中明顯可見2θ在20°～30°之間的(002)衍射峰和2θ在40°～50°之間的(100)衍射峰，其中(002)衍射峰較窄但強(qiáng)度較高，表征煤中芳香環(huán)碳網(wǎng)在空間排列中的定向程度；(100)衍射峰較寬但強(qiáng)度較低，表征煤中芳香環(huán)的縮合程度[15]。同時(shí)，(002)衍射峰左側(cè)存在2θ在14°～19°之間的γ峰，其主要表征煤分子結(jié)構(gòu)中的脂肪側(cè)鏈結(jié)構(gòu)[16]。隨著煤變質(zhì)程度的加深，γ峰的強(qiáng)度逐漸減小，(002)衍射峰強(qiáng)度逐漸增大，即煤中脂肪側(cè)鏈結(jié)構(gòu)減少，變質(zhì)程度較高的煤中芳香微晶結(jié)構(gòu)較為發(fā)育，逐漸趨近于石墨結(jié)構(gòu)(002)衍射角2θ=26.6°。

2.1.2 芳香微晶結(jié)構(gòu)特征

不同變質(zhì)程度煤的芳香微晶結(jié)構(gòu)參數(shù)，包括芳香層片層間距d、延展度L、堆砌高度h及有效芳香層片數(shù)M，見表2。隨著變質(zhì)程度的加深，煤的芳香層片層間距逐漸減小，而芳香層片延展度、堆砌高度和有效芳香層片數(shù)逐漸增大，與煤中芳香層片層間距的變化趨勢相反，表明低變質(zhì)程度煤的芳香微晶結(jié)構(gòu)發(fā)育不完全，富含脂肪類等官能團(tuán)，且定向排列的有序性較差。同時(shí)，變質(zhì)程度越高的煤芳香層片層間距逐漸接近石墨的層間距0.3354 nm，表明隨著變質(zhì)程度的加深，煤中不穩(wěn)定的側(cè)鏈結(jié)構(gòu)逐漸脫落，煤中分子內(nèi)結(jié)構(gòu)逐漸有序化[17]。

表2 不同變質(zhì)程度煤的芳香微晶結(jié)構(gòu)參數(shù)

2.2 不同變質(zhì)程度煤的熱輸運(yùn)特性

2.2.1 熱擴(kuò)散系數(shù)

圖3 不同變質(zhì)程度煤的熱擴(kuò)散系數(shù)及其變化率隨溫度的演變規(guī)律

不同變質(zhì)程度煤的熱擴(kuò)散系數(shù)及其變化率隨溫度的演變規(guī)律如圖3所示。當(dāng)溫度升高至210 ℃時(shí)，煤熱擴(kuò)散系數(shù)降低，且降低速率減緩，當(dāng)溫度超過210 ℃時(shí)，煤熱擴(kuò)散系數(shù)逐漸增大。張辛亥等[8]發(fā)現(xiàn)當(dāng)溫度較低時(shí)，熱擴(kuò)散系數(shù)主要受煤中聲子間平均自由程的影響，其中聲子是晶格振動(dòng)的簡正模能量量子。隨著溫度增加，煤中晶格振動(dòng)加快，聲子數(shù)增多，則聲子間碰撞概率加大，聲子間平均自由程減小。隨著溫度的繼續(xù)增加，聲子數(shù)達(dá)飽和狀態(tài)，且較高的溫度會(huì)引發(fā)煤活性結(jié)構(gòu)變化[9]，進(jìn)而導(dǎo)致煤熱擴(kuò)散系數(shù)增大。此外，變質(zhì)程度較低的煤熱擴(kuò)散系數(shù)較小，而變質(zhì)程度較高的煤熱擴(kuò)散系數(shù)較大，即變質(zhì)程度較低的煤熱量不易散失。

2.2.2 比熱容

不同變質(zhì)程度煤的比熱容及其變化率隨溫度的變化如圖4所示。當(dāng)溫度升高210 ℃時(shí)，煤比熱容快速增大，但增長速率逐漸減緩，當(dāng)溫度超過210 ℃時(shí)，煤比熱容趨于平穩(wěn)。這是由于隨著溫度的升高，煤中分子熱運(yùn)動(dòng)加劇，分子總動(dòng)能增加，因此，煤吸收的熱能以分子動(dòng)能的形式儲(chǔ)存[18]。同時(shí)，Deng等[19]發(fā)現(xiàn)比熱容的增大與煤中揮發(fā)分含量較高有關(guān)，即較高的溫度導(dǎo)致煤中揮發(fā)分含量減少，煤比熱容趨于平穩(wěn)。此外，變質(zhì)程度較低的煤比熱容較大，而變質(zhì)程度較高的煤比熱容較小。

圖4 不同變質(zhì)程度煤的比熱容及其變化率隨溫度的演變規(guī)律

2.2.3 導(dǎo)熱系數(shù)

煤的導(dǎo)熱系數(shù)越大，其熱傳導(dǎo)能力越強(qiáng)，煤火中熱能輸運(yùn)更快[20]。不同變質(zhì)程度煤的導(dǎo)熱系數(shù)及其變化率隨溫度的演變規(guī)律如圖5所示。在空氣氣氛下，當(dāng)煤溫從30 ℃升高至210 ℃時(shí)，HD-HM、LHG-CYM、SLWS-BNM、AWEG-QFM、TL-JM和SSP-PSM的導(dǎo)熱系數(shù)均緩慢增大，當(dāng)煤溫超過210 ℃時(shí)，煤的導(dǎo)熱系數(shù)均快速增大。當(dāng)溫度升高至210 ℃時(shí)，煤中熱擴(kuò)散系數(shù)逐漸減小，而當(dāng)溫度高于210 ℃時(shí)，熱擴(kuò)散系數(shù)增大。此外，在300 ℃內(nèi)，煤的比熱容逐漸增大，同時(shí)比熱容對(duì)導(dǎo)熱能力的貢獻(xiàn)率高于聲子的平均自由程，因此，煤的導(dǎo)熱系數(shù)先緩慢增大后快速增大。在相同溫度下，HD-HM的導(dǎo)熱系數(shù)最小，TL-JM和SSP-PSM的導(dǎo)熱系數(shù)較大，變質(zhì)程度較高的煤的熱傳導(dǎo)能力較強(qiáng)，而變質(zhì)程度較低的煤的熱傳導(dǎo)能力較弱，煤中熱量易蓄積，不易散失。

圖5 不同變質(zhì)程度煤的導(dǎo)熱系數(shù)及其變化率隨溫度的演變規(guī)律

2.3 灰色關(guān)聯(lián)方法分析

從表2和圖3、圖4、圖5中可發(fā)現(xiàn)，變質(zhì)程度較低的煤中芳香層片層間距較大，而延展度及堆砌高度較小，有效芳香層片數(shù)較少，且煤的熱傳導(dǎo)能力較弱；而變質(zhì)程度較高的煤中芳香層片層間距較小，延展度及堆砌高度較大，且煤的熱傳導(dǎo)能力較強(qiáng)。因此，為了研究煤的芳香微晶結(jié)構(gòu)參數(shù)與煤熱輸運(yùn)特性之間的相關(guān)性，采用灰色關(guān)聯(lián)方法，得到30 ℃下芳香微晶結(jié)構(gòu)參數(shù)與熱擴(kuò)散系數(shù)、比熱容及導(dǎo)熱系數(shù)之間的灰色關(guān)聯(lián)系數(shù)，如圖6所示。

圖6 煤中微晶結(jié)構(gòu)參數(shù)與熱擴(kuò)散系數(shù)、比熱容和導(dǎo)熱系數(shù)間的灰色關(guān)聯(lián)系數(shù)

從圖6中可發(fā)現(xiàn)，隨著變質(zhì)程度的加深，煤的芳香層片層間距、延展度、堆砌高度等微晶結(jié)構(gòu)參數(shù)與比熱容、熱擴(kuò)散系數(shù)和導(dǎo)熱系數(shù)之間的灰色關(guān)聯(lián)系數(shù)均呈現(xiàn)出先增大后減小的趨勢。此外，芳香微晶結(jié)構(gòu)參數(shù)中芳香層片延展度對(duì)不同變質(zhì)程度煤的熱擴(kuò)散系數(shù)和導(dǎo)熱系數(shù)影響較大，其次是芳香層片層間距。芳香微晶結(jié)構(gòu)參數(shù)中芳香層片層間距對(duì)煤比熱容的影響最大，其次是芳香層片延展度，因此，芳香微晶結(jié)構(gòu)中芳香層片層間距和芳香層片延展度是影響煤熱輸運(yùn)特性的主要因素。

3 結(jié) 論

1)隨著變質(zhì)程度的加深，煤的芳香層片層間距逐漸減小，而芳香層片延展度、堆砌高度和有效芳香層片數(shù)逐漸增大，且煤的微晶結(jié)構(gòu)逐漸趨于有序化。

2)隨著溫度的升高，空氣環(huán)境下煤熱擴(kuò)散系數(shù)先減小后增大，比熱容逐漸增大，導(dǎo)熱系數(shù)先緩慢增大后快速增大，且高變質(zhì)程度煤的熱傳導(dǎo)能力較強(qiáng)，而低變質(zhì)程度煤的熱傳導(dǎo)能力較弱。

3)芳香微晶結(jié)構(gòu)參數(shù)中芳香層片延展度對(duì)煤的熱擴(kuò)散系數(shù)和導(dǎo)熱系數(shù)影響較大，層間距對(duì)煤比熱容的影響最大，芳香微晶結(jié)構(gòu)中芳香層片層間距和芳香層片延展度是影響煤熱輸運(yùn)特性的主要因素。