煤自燃發火潛伏期不同溫度下耗氧特性的研究*

李宗翔，劉　宇, 張明乾, 吳邦大

(1.遼寧工程技術大學 安全科學與工程學院，遼寧 阜新 123000;2.礦山熱動力災害與防治教育部重點實驗室，遼寧 阜新 123000)

consumption experiment

0　引言

長期以來，采空區自然發火一直是威脅煤礦安全生產的重要因素，根據以往的經驗，煤的變質程度越高則自燃傾向性越小[1]。預防采空區自燃的首要工作是對采空區進行自燃“三帶”的劃分[2-3]，而確定窒熄帶臨界氧濃度是進行采空區自燃“三帶”劃分的重要內容之一，現場通過埋管測氧濃度的方法可以測定某一采空區窒熄帶氧濃度，實驗室一般通過對煤樣進行程序升溫實驗測定煤的耗氧特性[4-5]，常溫封閉耗氧實驗方法測定窒熄帶臨界氧濃度近年來也逐漸得到發展[6-8]。隨著煤礦開采深度的增加，地層溫度也逐漸的升高，地層溫度的變化對采空區自燃傾向的影響不容忽視，某些常溫不易自燃的煤在較高的地溫下顯現出易自燃傾向，這種情況將會縮短煤的自然發火期并且會增加采空區的自然氧化帶寬度，助長采空區自燃危險的發生，因此研究煤自燃潛伏期的自燃特性成為關鍵問題。為了研究煤樣自燃潛伏期的自燃特性，對長平礦3#煤樣進行不同溫度下的封閉耗氧實驗，得到氧氣濃度和CO濃度隨時間變化的關系，并通過參數反演得到自燃潛伏期不同溫度下的氧氣消耗速度和CO生成速度，同時確定不同溫度下耗氧參數和CO生成參數[9-10]。為進一步探究煤在不同溫度耗氧參數下采空區內的自然氧化帶寬度的變化，將封閉耗氧實驗得到的耗氧參數帶入到Fluent中進行采空區流場的數值模擬實驗[11-16]。直觀呈現地溫對采空區窒熄帶臨界氧濃度以及位置變化的影響，為現場預防采空區自燃發火提供理論依據。

1　封閉耗氧實驗方法

封閉耗氧實驗方法是將煤樣封閉在容器內，通過氣泵循環容器內空氣，并實時監測記錄容器內氧氣和CO濃度的方法。實驗方法在文獻[6-8]中均有介紹 ，實驗環境的溫度可以通過恒溫箱進行調節。封閉耗氧狀態下，氧氣濃度不斷下降，最終趨于穩定值cb。密封罐內氧氣濃度c(τ)近似服從負指數函數分布。即 ：

c(τ)=cb+(c0-cb)·e-λC·τ

(1)

式中：c(τ)為密封罐內隨時間變化的氧氣濃度，mol/L；c0為氧氣初始濃度，mol/L；λc為氧濃度衰減率，s-1；τ為氧化時間，s；cb為煤在封閉環境下氧化的最低氧濃度，mol/L。

γ=-λC·(c0-cb)e-λC·τ

(2)

由(1)解出τ帶入(2)可得 ：

γ=-λC(c(τ)-cb)

(3)

封閉容器中CO體積分數為：

cCO(τ)=BCO-ACOe-μCcτ

(4)

式中：μC為體積CO濃度增長系數，s-1；ACO為回歸系數，代表最終CO體積分數，BCO為數據偏移量。

CO生成速度γCO為：

(5)

或寫作：

γCO=44.642 9μC(BCO-cCO(τ))

(6)

對于堆積狀態的松散煤體，其耗氧速度跟氧濃度成正比；CO生成速度與CO濃度成正比，且呈負相關性。由公式(1)～(6)可得到煤樣隨時間變化的耗氧速度和CO生成速度以及氧濃度衰減系數和CO濃度增長系數。

2　自燃潛伏期煤的封閉耗氧實驗結果

為了研究溫度變化對煤氧化自燃過程的影響，選取長平礦3#煤樣，分別在20，30，40，50℃及60℃的溫度條件下，進行煤樣的封閉耗氧實驗，實驗的氣體濃度變化原始記錄如圖1所示。

圖1　不同溫度下長平礦3#煤樣的氣體濃度曲線Fig.1　Changping Mine 3# coal gas concentration curve under different temperature

從圖1(a)可以看出，長平礦3#煤樣隨溫度從20℃增加到60℃，氧氣濃度衰減趨勢整體呈現增強趨勢，最終趨于穩定的氧濃度值(窒熄帶氧濃度臨界值)隨溫度增加而下降，分別為16.8%，15.7%，15.2%，13.8%，12.4%。

從圖1(b)可以看出，長平礦3#煤樣隨溫度從20℃增加到60℃，CO濃度的增長速度隨溫度增加而加快，最終趨于穩定。趨于穩定的CO濃度分別為104.76，129.49，212.55，359.04 mg·m-3，60℃時由于CO濃度超過量程(512 mg·m-3)，按發展趨勢預計在614.4 mg·m-3左右。

3　煤樣耗氧速度及CO生成速度的對比分析

在不同溫度的封閉耗氧實驗條件下，氧濃度變化曲線呈自然衰減，CO濃度變化曲線呈現自然增加，以自然衰減曲線及自然增長曲線分別對氧濃度變化曲線及CO濃度變化曲線做擬合，分別得到氧濃度變化曲線及CO濃度變化曲線。擬合結果見表1。

表1　長平礦3#煤樣不同溫度下的擬合結果

耗氧速度可以反映煤氧復合能力即耗氧能力，CO生成速度是煤氧復合CO生成能力的直接表現，這2個參數都是煤礦火災防治的重要參數[9-10]。長平礦3#煤樣不同溫度下的封閉耗氧實驗得到的耗氧速度及CO生成速度隨各自濃度的變化關系如圖2所示。

圖2　長平礦3#煤樣不同溫度的耗氧速度、CO生成速度對比Fig.2　Oxygen consumption rate and CO generation rate at different temperatures of 3# coal in Changping Mine

從圖2可以看出，不同溫度下煤的耗氧速度隨氧濃度線性增加，溫度較低時耗氧速度較小且受氧濃度變化的影響不明顯。溫度較高時，煤的耗氧速度受到氧濃度變化影響較明顯，且溫度越高，影響越明顯；CO生成速度隨CO濃度的增加線性遞減，低溫時CO生成速度較慢且隨CO濃度變化的斜率基本一致。溫度升高，CO生成速度加快且斜率變大。

氧濃度與耗氧速度呈線性關系，分析其原因，煤與氧低溫階段(低于70℃)反應主要氣體產物是CO和CO2，從化學動力學來看，該反應屬于氣固表面反應，反應方式如下：

O2+2C→2CO

(7)

O2+C →CO2

(8)

由質量作用定律知，反應的速率方程可表示為：

γ=k[O2]

(9)

式中：γ為反應速率，mol/(min·L)；k為速率常數；[O2]為氧濃度，mol/L。

因此，從氣固表面反應的化學動力學角度分析，低溫條件下煤氧復合反應耗氧速度與氧濃度呈線性關系，而CO生成速度與氧濃度呈正比，因此CO生成速度與CO濃度也呈線性關系。耗氧速度及氧濃度關系曲線的斜率作為耗氧衰減系數，反映了氧濃度衰減的快慢，溫度不同，該參數也不同；同理，CO濃度增長系數反映了煤氧化生成CO的快慢，煤氧化的環境溫度不同，該參數也不同。從擬合結果得到不同溫度下煤樣的氧濃度衰減系數及CO濃度增長系數，其關系如圖3所示。

圖3　長平礦3#煤樣不同溫度下的氣體濃度系數曲線Fig.3　Changping Mine 3# coal samplecoal gas concentration coefficient curve under different temperature

圖4　數值模擬不同溫度的采空區自然氧化帶Fig.4　Numerical simulation of natural oxidation zone of goaf with different temperature

從圖3(a)可以明顯地看出，不同溫度下長平礦3#煤樣的氧濃度衰減系數λC呈指數增長，20℃的衰減系數最小為0.000 481 2 min-1，30，40，50℃及60℃的衰減系數分別為20℃的1.04，1.21，1.74倍和3.15倍；從圖3(b)可以明顯地看出，不同溫度下煤樣的CO生成系數μc也不同，20℃的生成系數最小為0.000 404 min-1，30，40，50℃及60℃的生成系數分別為20℃的1.04，1.15，1.39倍和2.21倍。分析其原因，煤與氧的結合反應需要一定的溫度，溫度低時，只有部分氧氣分子及煤體內的活性物質達到反應所需活化能，發生煤的氧化反應，而產生的熱量也只能引發少量的氧氣分子與煤體內的活性物質繼續發生氧化反應，因此其氧濃度衰減系數及CO增長系數低。 溫度的升高，使更多的氧氣分子與煤體內的活性物質達到反應所需的活化能，氧的消耗及CO的生成越來越激烈，因此，高溫時，耗氧速度和CO生成速度加快，氧濃度衰減系數及CO增長系數就相對較高[17-19]。

4　不同地溫采空區自然氧化帶寬度對比

為探究在不同地溫條件下采空區內的自然氧化帶寬度的變化，以長平礦工作面為原型建立模型并應用Fluent軟件計算采空區流場。長平礦工作面長度為236 m，工作面采高6 m，進、回風巷寬度均為5 m，采空區深度為400 m，采空區高度設置為25 m，進風風量為2 600 m3/min。模型中的耗氧源項由上文的耗氧系數確定并根據采空區內氧濃度的變化而變化[14]。將封閉耗氧實驗得到的煤樣在不同溫度下的耗氧系數以及窒熄帶氧濃度臨界值參數應用UDF功能代入到Fluent軟件中進行采空區流場模擬。模擬得到環境溫度為20～60℃的采空區氧濃度分布情況，如圖4所示。關于Fluent模擬的控制方程及參數的設置方法在文獻[14]中均進行了詳細的介紹。其中采空區內部為多孔介質，根據“O”型圈理論設置采空區內孔隙度，采空區三維孔隙度分布公式如下：

Kp(x,y,z)=Kp,min+[Kp,max1+(Kp,max2-Kp,max1)e-a2d2-

Kp,min]e-a1d1(1-e-ξa0d0)

(10)

式中：Kp(x，y，z)為采空區內孔隙度；ξ為調整系數；Kp,max1為采空區底部初始冒落碎脹系數；Kp,max2為采空區頂部初始冒落碎脹系數；Kp,min為采空區深部冒落巖石壓實時碎脹系數；a0，a1為點(x，y，z)與側幫固壁和工作面距離對碎脹系數影響的衰減率，1/m；d0，d1為點(x，y，z)與側幫固壁和工作面邊界的距離，m。a2為點(x，y，z)與采空區頂部距離對碎脹系數影響的衰減率，1/m；d2為點(x，y，z)與離采空區頂部的距離, m。

由圖4可知，采空區窒熄帶臨界氧濃度的位置隨著溫度的升高逐漸移動到采空區深部，由20℃的200 m一直增大到60℃的380 m。模擬結果表明采空區內同種煤樣在不同地溫條件下自燃傾向性也有較大的差異，地層溫度較高時需要采取一定的降溫措施提高采空區窒熄帶臨界氧濃度值或者通過注惰性氣體等措施來減小工作面向采空區的漏風，以縮短自然氧化帶的寬度。

5　結論

1)地溫的不同影響煤的耗氧速度和CO釋放的速度，當溫度較高時，長平礦不易自燃的無煙煤也表現出了很高的氧氣消耗速度和CO釋放速度。

2)隨著溫度的升高，氧濃度衰減系數和CO濃度增長系數都相應增大，且有近似于指數增長的趨勢。

3)隨著環境溫度的升高，封閉耗氧實驗所得到的窒熄帶氧濃度臨界值越來越小。地溫的升高會增大采空區自然氧化帶寬度，模擬結果表明地溫由20℃升高到60℃，窒熄帶臨界氧濃度位置由200 m增長至380 m，地溫的升高增大了采空區自燃危險性。

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