基于煤火發展演化的松散煤體自燃溫度縱深蔓延特征

趙婧昱，宋佳佳，郭 濤，張宇軒，鄧 軍，張永利，張廷豪

(1.西安科技大學 安全科學與工程學院，陜西 西安 710054; 2.西安高新區應急管理局，陜西 西安 710065; 3.陜西煤業化工技術研究院有限責任公司,陜西 西安 710065)

由于地表裂隙發育，漏風供氧嚴重，淺部煤體氧化升溫，引起煤的自然發火。隨著氧氣的不斷供給，煤體自燃范圍逐步擴大，高溫區域不斷蔓延，從地表一直向地下延伸，可達200 m以上。煤自然發火對人類采礦事業與身心健康造成嚴重影響，并且造成大量資源浪費。燃盡的煤層形成地下空洞，造成地表沉陷、凹陷、山體滑坡等地質災害[1-5]。松散煤體的燃燒給自然生態環境帶來了巨大的威脅[6-11]，對空氣質量、地表植被、地質條件造成了不同程度的影響[12-18]。

國內外學者建立了大量模型對煤體燃燒溫度場的發展變化進行模擬研究，并針對實際情況制定相應的政策和措施，取得了一系列的成果。李林等[17]通過煤自然發火實驗爐模擬松散煤體從常溫到著火點的全過程，結果表明高溫點首先出現在低氧氣體積分數分布區，后逐漸向高氧氣體積分數分布區移動。ROSEMA等[19]研究了遺煤的自然發火過程，得出太陽照射、大氣變化等環境因素都會影響煤自燃的發生和發展，建立了自燃發火過程的數學模型。宋大勇[20]提出了紅外成像對隱蔽火源反演識別的方法和巷道自燃發火隱患探測與識別技術。王振平等[21]提出了煤巷近距離煤層自燃高溫點的反演算法，確定了自燃火源的深度、范圍和溫度。譚波等[22]對溫度場模型進行了穩態轉換，確定了回采時期的煤自燃過程一維模型。鄧軍等[23]等研究了影響采空區浮煤在氧化自燃過程中的關鍵影響因素，并據此建立了預測模型，可測試采空區溫度場變化情況。卞曉鍇等[24]對溫度場數學模型進行模擬計算，發現煤因氧化放熱導致溫度隨時間變化呈指數上升。LU Guodong等[25]對煤體燃燒溫度場熄滅時的溫度變化進行分析，發現2次多項式模型最為精準用以模擬煤體燃燒溫度與時間的關系。SONG Zeyang等[26]模擬研究了漏風通道對煤火燃燒區域范圍和溫度的影響。WOLF和BRUINING[27]建立了煤火的能量、濃度、流動二維數學模型，并描述其熱動力學演化過程，認為在燃燒區附近具有較高的滲透率，在露頭附近具有較低的滲透率。QIN Botao等[28]提出了火災高溫區的理論模型和幾何模型。蔡燦凡[29]對火區煤巖體在熱力耦合作用下的力學特征進行研究。王海燕等[30]模擬了新疆某火區自燃中心形成并蔓延時火區溫度場、CO體積分數和速度場分布情況，發現高溫區域靠近頂板，自燃生成氣體主要集中于露頭自燃點下風側方向。肖旸[31]建立了熱-固-流耦合模型，模擬了松散煤體的燃燒過程，得出煤體燃燒過程中的剪應力場、主應力場、位移場以及溫度場的分布規律。褚廷湘等[32]研究發現水分相變的發生直接影響了含水松散煤體內部溫度及熱流的分布。

松散煤體燃燒演化較為復雜，前人的研究多集中于函數模型的構建，以及煤自燃高溫點形成過程的模擬分析，對于煤火高溫區域的遷移機理沒有統一的認識，從實驗尺度來分析松散煤體燃燒發展過程中高溫區域的演化過程鮮有關注。因此，筆者通過自主研發的煤火發展演化模擬實驗系統，研究松散煤體燃燒發展過程中高溫區域縱深位置移動變化規律，確定溫度遷移方向，定義火區發展機制。分析高溫區域關鍵溫度點的發展態勢，掌握松散煤體著火環境下各裂隙區域遷移運輸過程，確定高溫區域關鍵點氧氣體積分數變化規律。研究結果明確松散煤體燃燒的發展蔓延規律，為煤田火區在縱深蔓延方向的發展預測提供參考。

1 實驗裝置

針對現有裝置成本較高、實驗操作過程較為復雜且實驗重復性較差，缺少對于在煤自燃過程中高溫區域移動規律和供氧通道的研究且只能研究煤自燃過程低溫階段的參數，無法滿足對煤自燃預測技術的需要的煤自燃實驗裝置現狀，設計煤火發展演化模擬實驗裝置。設計思路主要圍繞以下幾點展開:① 為能夠合理的模擬松散煤體著火發展情況，實驗裝置采用半封閉設計;② 溫度監測智能化且測溫準確，保證在較短的時間范圍內完成實驗的測試;③ 為保證實驗設備的使用壽命，需選取耐高溫、抗腐蝕材料;④ 實驗爐體裝煤量適中，所選輔助設備節能性能較高，從而控制實驗損耗;⑤ 實驗裝置可適應多因素條件下松散煤體熱反應過程的模擬。根據設計思路，實驗系統包括以下裝置:溫度控制以及監測平臺、液壓裝置、煤火發展演化模擬實驗裝置、氣體分析裝置以及污染物處理裝置等。實驗系統如圖1所示。

圖1 實驗系統Fig.1 Experiment system

煤火發展演化模擬實驗裝置由耐高溫純纖維毯和碳鋼材料壓制組成，具有較高的柔韌性。爐體結構如圖2所示，對實際堆放、運輸過程中松散煤體的體積進行等比例縮小，結合實驗研究要求，選取等份劃分的300 mm×300 mm×600 mm尺寸內的煤顆粒聚團進行分析，為煤堆尺寸的分析提供本構關系。爐體外部尺寸為:長600 mm×寬600 mm×高730 mm，爐膛內部尺寸為:長300 mm×寬300 mm×高600 mm，側壁保溫層厚度為150 mm，保溫層由耐火磚和纖維的混合結構組成。長期受熱最高溫度1 200 ℃，短期受熱最高溫度1 300 ℃，且保證爐膛內溫度均勻性控制在±10 ℃。為了測試在實驗過程中溫度的分布及發展規律，在爐壁四周布置有直徑為16 mm的通孔作為溫度數據采集點和氣體采集點，測溫單元與溫度記錄儀裝置連接，所采集的氣體采用氣相色譜儀進行分析。在滿足實驗要求的情況下，于煤體表面均勻布置3根不銹鋼加熱棒，避免不銹鋼加熱棒對實驗中測點溫度造成影響。通過在煤體表面進行加熱形成良好的蓄熱環境保證實驗的順利進行，以達到實驗目的。溫度傳感器選用WRNK-19(K)型鎧裝熱電偶，測溫范圍為0～1 100 ℃，溫度穩定性控制在±1 ℃。通過溫度控制與監測平臺對煤體中各個測點溫度變化情況進行實時監測，測溫間隔為1 s。

圖2 煤火發展演化模擬實驗裝置Fig.2 Development and evolution simulation device of coal fire

2 試驗過程

2.1 試驗條件

實驗采用孟村煤礦煤樣，煤質分析見表1。對所取煤樣進行破碎篩分至粒徑為5～10 mm的混合粒徑(開采破碎后的主要粒徑分布尺寸)，將松散煤樣均勻布置在耐高溫實驗爐體內，于自然通風條件下，記錄實驗過程中環境溫度和濕度;通過實驗裝置留設的通孔布置測溫熱電偶和加熱單元;在常溫常壓環境下對煤體表面采用不銹鋼加熱棒開始加熱，進行實驗。

表1 煤質分析Table 1 Analyses of proximate and ultimate of coal samples

2.2 測點布置

煤體中溫度測點布置方式如圖3所示，其與右側爐膛內壁距離見表2。每層布置3個測點，與右側爐膛內壁距離分別為50,150和250 mm，布置5層測點，如圖3(b)所示，共計15個。其中熱電偶編號1,4，7,10和13由圖3(a)中的紅色表示，距離右側爐膛內壁分別為250,50,250,50和250 mm;熱電偶編號2,5，8,11和14由圖3(a)中的綠色表示，距離右側爐膛內壁分別為50,250,50,250和50 mm;熱電偶編號3,6，9,12和15由圖3(a)中的藍色表示，距離右側爐膛內壁的距離均為150 mm。兩邊測點距離爐膛內壁的距離均為50 mm，兩測點的間距為100 mm，上下兩測點的間距為70 mm。由于所有熱電偶長度均為400 mm，且各個熱電偶插入煤樣深度不一，以實現均勻的探測爐體內煤樣不同位置的溫度變化。為增加試驗過程的可靠性，如圖3(b)所示，前2層并未進行測點標注，也就是說頂層并不屬于高溫區域分析層。由于對松散煤體燃燒過程的關注點在于溫度如何縱深蔓延，所以測點的布置只考慮燃燒臺一個面的方位布局，減少了燃燒中的變量，增強實驗過程的可控性。

圖3 測點布置Fig.3 Layout of measuring point

2.3 試驗現象

通過測量得知試驗裝煤高度為443 mm，環境溫度為5 ℃，空氣濕度58%，將加熱棒均勻布置在煤體表面。實驗開始時，對加熱棒進行通電，對頂層煤樣加熱，為煤火過程提供主動著火點，當頂層煤樣開始出現明火時停止加熱。可觀察到，在實驗進行到13 min時，煤體表面開始出現明顯煙氣且伴隨有大量的水分;35 min時，煤體表面出現明火，此時溫度為309.5 °C;60 min左右，煤體表面開始出現大面積著火;當實驗經過600 h后實驗裝置內部所有測點溫度降低至環境溫度，實驗結束。

表2 測點所在位置Table 2 Location of measuring point

3 試驗結果討論

3.1 高溫區域移動規律分析

根據高溫程序升溫實驗[33]得出孟村煤樣的特征溫度范圍見表3。松散煤體各測點溫度變化情況如圖4所示。

表3 煤樣特征溫度范圍Table 3 Characteristic temperatures range of coal sample

總體來看，各層的3個測點變化趨勢相似。在實驗初期，各個測點溫度與環境溫度相近，差值保持在4～6 ℃。為捕捉高溫區域關鍵點的遷移路徑，確定每層各測點第1個溫度達到燃點的測點為關鍵點。根據測點路徑作圖，如圖5所示，松散煤體高溫區域由2,5,7,10和13號測點的方位向下蔓延，主要集中于中部及西側方向。由圖5可以看出，2，5,7,10,13號測點分別是各層第1個到達燃點的測點，確定這些測點的連接線就是高溫區域的模糊遷移路徑，各測點為高溫區域關鍵點。表面煤樣經主動點燃形成著火點，第1層測點離表面較近，推測2號測點受環境氣候影響比較明顯，該區域煤樣達到燃點后加速與氧氣發生煤氧復合反應，首先形成高溫區域。12 h時，可以觀察到，煤體燃燒過程中產生熱裂隙，推測其為高溫區域熱量的擴散提供了通風線路，促進了其向裂隙擴展方向運動，高溫區域出現在距離爐膛右側250 mm的5號測點;15 h后，高溫區域關鍵點出現在位于5號測點相同距離的7號測點;20 h后高溫區域出現在位于距離爐膛右側50 mm的10號測點位置附近，7號測點下方位置應均處于高溫狀態。最終26 h后，高溫區域到達位于距離爐膛右側內壁250 mm處的13號測點的實驗裝置底部。

根據圖4，橫向對比各層測點可以得知，各層關鍵點到達燃點溫度時試驗時間從1層到5層依次為5,12,15,20,26 h，可以看出3，4，5層縱向達到燃點溫度的時間差相近，由圖6不難發現這是由于關鍵點移動距離相同所致;進一步分析，3～4層的時間和4～5層的時間差為1 h，這與關鍵點峰值溫度下降有關。各層關鍵點達到峰值溫度的試驗時間從1～5層依次為15,24,32,40,68 h;第4層與第5層雖然到達燃點的時間相差6 h，但是到達峰值溫度的時間相差28 h;對時間差隨層數增長進行非線性擬合，如圖7所示，不難發現隨著縱深的增加燃點溫度與峰值溫度對應的時間差幾乎呈指數形式增長，y=y0+a1×exp[(x-x0)/t1]，擬合度大于0.999，其中y0，a1，x0，t1均為常數?？v深向下各關鍵點峰值溫度分別為624，605，528，471，441 ℃，隨著縱深向下峰值溫度逐漸降低;可以表明深層煤體實際溫度增長速率較淺層相差較大;通過計算各層關鍵點從燃點溫度到峰值溫度隨時間變化的增長率，如圖6所示，隨著縱深的增加，關鍵點溫度到達燃點溫度后其增長速率基本呈線性下降。不難發現，隨著試驗的進行，在各層溫度下降階段，高溫區域關鍵點在所屬層測點的下降趨勢是最慢的。松散煤體在200 h后第1,2層溫度相對較低，表面煤樣燃燒基本結束;在試驗進行300 h后，底層煤樣溫度逐漸趨于常溫，此時底部煤樣燃燒基本結束。值得注意的是，各層煤體的溫度下降到80 ℃以后，其降溫速率開始變得非常緩慢;表明在煤體降溫過程中，如若環境行為發生變化，則很有可能會發生復燃現象。實驗進行至600 h時，各個測點溫度均處于實驗室溫度，此次試驗結束?？梢哉f明松散煤體從點燃至完全燃燒結束其燃燒周期為600 h。

圖4 實驗煤樣溫度隨時間的變化趨勢Fig.4 Curves of coal sample temperature with time

圖5 試驗煤樣高溫區域運移和分布Fig.5 Migration and distribution of coal sample in high temperature area

圖6 關鍵點溫度增長率隨層數變化曲線Fig.6 Temperature growth rate of key points varies with the layer number

圖7 燃點溫度與峰值溫度對應時間差隨層數增長變化曲線Fig.7 Time difference between ignition point temperature and peak temperature varies with the increase of layer number

3.2 高溫區域關鍵點氧氣體積分數分析

以上分析確定了高溫區域關鍵點為2,5,7,10,13號，故本節對關鍵點的氧氣體積分數變化規律進行分析。由于煤體自發向下傳熱較慢，故在試驗過程中，當一層有測點高于30 ℃時，開始抽取該層所有測點的氣體。26 h后第5層13號測點溫度達到310 ℃，該溫度已經超過燃點溫度，則認為第5層已經出現高溫區域，停止抽取氣體。

隨縱深的增加，各層關鍵點氧氣體積分數從淺到深依次開始下降。對比圖5可知，當各層關鍵點氧氣體積分數下降到1%～3%時的第1個時間點與其達到燃點溫度的時間點較相近。隨著縱深的增加，關鍵點氧氣體積分數下降時期所經歷的時間逐漸增大，從第1層到第5層依次為4.5,6,7,9,10 h。值得注意的是，5號和7號關鍵點的氧氣體積分數下降的起始時間相差1 h，這與3.1節其燃點出現的時間基本相對應。橫向對比各層關鍵點氧氣體積分數變化，第5層13號關鍵點在溫度開始增長的時候氧氣體積分數最大，其他關鍵點基本隨著縱深的增加而降低;由圖8可知，當第5層13號點的氧氣體積分數開始下降時，第1～3層的氧氣體積分數都處于極限氧氣體積分數狀態[34]，推斷由于在試驗進行16 h的時候，第5層處于煤體燃燒微弱裂隙形成的熱輻射邊界，氧氣進入該層的擴散通道較其他層要容易。

圖8 高溫區域關鍵點氧氣體積分數隨時間變化曲線Fig.8 Changes of oxygen concentration with time at key points in high temperature region

3.3 高溫區域縱深蔓延特征討論

氧氣的持續供給是維持松散煤體不斷燃燒發展的重要條件。自然通風狀態下，不僅模擬了松散煤堆的實際情況，還能提供充足的氧氣，來維持實驗煤樣燃燒。當燃燒開始后，便會由淺部向深部逐步發展，由于實驗裝置內的松散煤體以多孔介質為主，各部位的傳熱是傳導、輻射、對流共存的綜合傳熱過程，屬于不穩定傳熱。隨著時間的增加，熱源不斷向下移動，由于受到物理吸附的作用和裂隙的影響，表層煤燃燒后，氧氣會首先順著最易擴散的裂隙方向向下傳播，導致該裂隙附近的煤樣發生自燃，該測點區域溫度上升，達到燃點。隨著燃燒深度的增加，煤氧化學反應不斷加劇，蓄熱能力增強，傳熱作用顯著增加，當裂隙位置發生變化后，高溫區域隨之發生變化，不斷向深部運移。因此，將深部煤火的發展模式定義為熱氧互促驅動機制。

第1層與第2層煤樣溫度變化主要受傳熱作用影響，導致前2層煤樣溫度比較相近;第3，4和5層煤樣溫度變化主要受燃燒所產生的裂隙影響較大，加之氧氣體積分數降低，導致溫度依次降低。在實驗過程中高溫區域均向下移動，由于受到孔隙、氧氣體積分數和傳熱作用等條件影響，整個傳播方向呈非線性移動規律。

根據以上實驗過程探討，對松散煤體燃燒演化過程做以下推斷。首先，高溫區域測點的溫度，隨著火區不斷蔓延，測點的溫度會隨著深度的增加越來越低，這跟實際的煤田火相對應。在時間尺度較長的條件下，目前實際煤田火區的燃燒發展是經過數百年才形成的，現在大多數煤火縱深蔓延速度較數年前要變慢，推斷這是由于高溫區域關鍵點溫度下降所導致的，本實驗對此縱深蔓延現象有良好的體現。

依據松散煤體溫度場移動過程，得出以下啟示，雖然高溫區域關鍵溫度點的溫度在降低，但是煤火區縱深還在一直向下蔓延，這是由于高溫區域半封閉的裂隙環境導致熱量較難向外擴散，擴散的效率較低，在一定程度上促進了煤的燃燒產熱和傳熱擴散。因此，該半封閉環境向外擴散熱量始終小于內部燃燒產生的熱量，煤氧熱反應便循環進行，形成了熱氧耦合互促過程，使得煤田火一直無法熄滅。總結以上分析，煤火在深層的蔓延過程中由于形成了微弱裂隙環境，能夠滲入的氧氣量較少，體積分數較低，煤氧熱反應推進較慢，導致高溫區域溫度下降;其次，正是由于這個微弱裂隙環境，推動了熱量的主動運輸，造成高溫區域不斷向縱深蔓延。微弱的裂隙環境已經阻止氧的大量擴散，煤體本身的反應不是高溫區域縱深蔓延的主要因素，故筆者認為煤田火的防治應該重點放在火區熱提取上，以此為煤田火災的防治提供理論支撐。

4 結 論

(1)基于煤燃燒過程分析，借鑒現有設備的優點和不足，設計研發了煤火發展演化模擬實驗裝置，該實驗裝置能夠較好的再現煤火發展演化過程。

(2)煤樣熱反應在蔓延傳播過程中，第1個高溫區域在第5小時的時候出現，26 h時遷移至實驗爐體底層，整個發展周期為600 h。隨著反應進程推進，熱量不斷向煤體燃燒過程中裂隙產生的方向擴散，呈非線性移動規律。

(3)高溫區域關鍵點燃點溫度與峰值溫度對應的時間差隨著縱深的增加呈指數形式增長，符合函數y=y0+a1exp[(x-x0)/t1];高溫區域關鍵點從燃點到達峰值其溫度增長速率隨著縱深的增加基本呈線性下降;高溫區域關鍵點氧氣體積分數快速下降階段所經歷的時間隨著縱深的增加逐漸增大。

(4)隨著煤體縱深深度增加，高溫區域關鍵點溫度逐漸下降，由于燃燒產生的微弱熱裂隙導致氧氣傳輸困難，高溫區域縱深移動速度變緩，煤火區半封閉環境導致熱量向外散失較少，導致熱量在煤體內部傳遞，其主要遷移規律受制于熱氧互促驅動機制。