溫度對煤塵水分蒸發特性的影響規律研究

李 嵐，楊玉中

（河南理工大學能源科學與工程學院，河南焦作 454000）

近年來，隨著礦井開采深度增加、采掘機械化程度提高，井下高溫熱害日益嚴重[1-2]。研究表明在未來10～15 年內，我國將有53%的煤炭資源將為1 000 m 以下的深部開采，高溫熱害問題嚴重[3]。礦井高溫熱害對資源高效安全開采、井下工人職業健康均造成了嚴重影響[4]。此外，因巷道溫度高導致沉積煤塵水分蒸發速率快，井下煤塵二次飛揚嚴重、粉塵防治難的問題近年來逐漸引起學者的重視[5-6]。

煤塵水分蒸發后不僅容易造成二次揚塵問題，而且其爆炸危險性亦顯著升高，給礦井安全生產帶來威脅。針對煤塵爆炸特性，文獻［7］研究了煤塵含水率對其爆炸特性的影響，得到煤塵含水率高于10%后可顯著降低其爆炸性；文獻［8］探究了惰性氣體對煤塵爆炸的抑制特性，得到CO2對煤塵爆炸抑制性更強；文獻［9］測試了水、CaCO3和NH4H2PO43 種物質對煤塵的抑爆特性，結果發現水對煤塵爆炸的抑爆性最強。因此，研究煤塵水分蒸發特性對煤塵爆炸防治具有重要意義。目前對煤塵水分蒸發特性的研究較少，其中文獻［10］研究了露天煤堆內部升溫與水分蒸發特征，得到煤堆內水分蒸發分為緩慢蒸發、快速蒸發和蒸干3 個階段，但該研究對象為露天煤堆，其結果在井下的適用性尚不可知；文獻［6］探究了自然環境下煤塵表面水分蒸發特性的多參數影響模型，但該研究只考慮了常溫環境，對高溫環境下煤塵水分蒸發特性未做研究。

基于此，針對礦井高溫熱災害問題，實驗探究了潤濕煤塵在不同溫度下的蒸發特征參數變化規律，系統分析了溫度對煤塵水分蒸發特性的影響，對高溫礦井粉塵災害治理具有顯著研究價值。

1 實驗材料與方法

1.1 煤樣采集與制備

按照GB/T 482—2008 國標規定的煤樣采集方法，對河南平煤集團4 座煤礦綜采工作面煤樣進行采集，對所采煤樣工業組分進行測試，煤樣工業分析見表1。將所采煤樣進行球磨破碎處理，過74 μm篩，取篩下煤塵作為實驗煤樣進行研究。

表1 煤樣工業分析Table 1 Analysis of industrial components of coal samples

1.2 實驗方法

為系統研究礦井溫度對煤塵水分蒸發特性的影響，采用實驗室模擬，利用單因素（溫度）控制變量法研究了潤濕煤塵在不同環境溫度下的蒸發特性。

首先，將各實驗煤塵樣與水按質量比1∶1 進行均勻混合，制備成潤濕煤塵；然后，用玻璃培養皿取（5±0.1）g 各潤濕煤塵5 組（為保證各煤塵樣受熱表面積的一致性，實驗過程中將潤濕煤塵樣均勻攤放在培養皿中），將潤濕煤塵分別放入不同溫度的恒溫干燥箱中進行蒸發實驗，干燥箱溫度設置為25、30、35、40、45、50 ℃。井下測量顯示，河南平煤集團下屬煤礦綜采工作面的體感溫度在35 ℃左右，因井下煤巖溫度高于巷道內人體體感溫度，故實驗溫度設置高于體感溫度，并增設了富余梯度溫度。實驗過程中定時對潤濕煤塵質量進行測量，當連續3 次質量不再發生變化時，認為潤濕煤塵水分達到最大蒸發質量，停止實驗。為探究溫度對煤塵蒸發特性的影響，對各潤濕煤塵分別進行上述蒸發實驗。

1.3 數據分析方法

潤濕煤塵蒸發過程中，根據其質量變化可分為2 個階段：蒸發失水階段與失水平衡階段。在蒸發失水階段，煤塵中的水分隨時間均勻蒸發，直至達到失水平衡質量，之后煤塵質量不再發生變化。

為量化分析溫度對潤濕煤塵蒸發特性的影響規律，根據潤濕煤塵典型蒸發曲線，分別選取蒸發速率Ve、蒸發平衡時間t 和最大失水率△m作為潤濕煤塵蒸發的特征參數進行分析。煤塵水分蒸發特征參數選取示意圖如圖1。

圖1 煤塵水分蒸發特征參數選取示意圖Fig.1 Evaporation parameters of the water in coal dust samples

圖1 中，Ve為潤濕煤塵在蒸發失水階段的質量變化速率，可用最小二值法對其質量與時間進行線性擬合，所得曲線斜率絕對值即為Ve；t 為潤濕煤塵從開始蒸發到達到失水平衡點時所用時間，即蒸發失水階段時長；△m為煤塵達到失水平衡點時的失水率，其計算方法如下：

式中：mt為煤塵在達到蒸發平衡時間t 時的質量（含培養皿），g；m1為培養皿質量，g；m2為潤濕煤塵質量，g。

2 結果與討論

2.1 不同溫度下煤塵水分蒸發特性

不同溫度下4 組潤濕煤塵水分蒸發曲線如圖2。

圖2 不同溫度下4 組潤濕煤塵水分蒸發曲線Fig.2 Evaporation curves of four wetting coal dust samples in different temperatures

由圖2 可知：隨時間增加，不同溫度下潤濕煤塵均先進行蒸發失水，之后質量保持不變，進入失水平衡階段。根據界面化學理論[9]，自然環境中在氣-液兩相濃度差的推動下，潤濕煤塵中的液體水分不斷向氣相空間擴散，形成蒸發失水過程；當蒸發到一定程度后，即潤濕煤塵中的殘余水分與煤塵顆粒間的吸附力大于分子擴散力時，潤濕煤塵中的水分不在發生蒸發，煤塵質量保持不變，即進入水平平衡階段。這與文獻［5］研究的煤垛表面水分自然蒸發特性基本一致。

此外，由圖2 可知，隨環境溫度升高，4 種潤濕煤塵的失水平衡時間與達到失水平衡后的質量均顯著降低。該結果表明隨溫度升高，潤濕煤塵失水速率與最大失水率均增加，即隨溫度升高，潤濕煤塵中的水分容易發生蒸發，且蒸發量顯著增加。分析可知，隨溫度升高，煤塵中水分子運動能不斷增加，其擺脫煤塵分子吸附力的能力亦不斷增強，進而使得潤濕煤塵的蒸發速率與最大失水率增加[11]。為進一步量化分析溫度對潤濕煤塵水分蒸發特性的影響規律，對不同溫度下4 種潤濕煤塵的蒸發速率、最大失水率與蒸發平衡時間進行了分析。

2.2 溫度對煤塵水分蒸發速率的影響規律

不同溫度下4 組潤濕煤塵水分蒸發速率曲線如圖3。

由圖3 可知，隨溫度增加，各潤濕煤塵對應蒸發速率均呈類直線增加。在50 ℃下，1 號～4 號潤濕煤塵的蒸發速率較25 ℃時分別提高了2.0、2.6、1.9、1.6 倍，4 種潤濕煤塵蒸發速率平均提高2.0 倍。結果表明：隨礦井溫度升高，巷道地面沉積煤塵水分蒸發速率將快速增加。

另外，由圖3（c）可知，3 號煤樣在45 ℃下的蒸發速率較40 ℃時略有下降，通過分析實驗過程發現這可能是由于實驗過程中恒溫箱溫度控制不穩定所造成的實驗誤差。相似結果亦在2 號煤樣與4 號煤樣中發現了，即潤濕煤塵蒸發速率在45 ℃時較40℃時增加不顯著。文獻［12］指出溫度對土壤孔隙中水汽運動具有顯著作用，即溫度越高，水汽運動能越大，水汽擴散能力越強，水分蒸發速率越快。與土壤類似，煤塵是1 種典型多孔介質材料[13-14]，其內部發達的孔隙結構中吸附有大量水分，在環境溫度升高后，孔內水分子運動能增加，汽化速率升高，汽化后水分子向環境的擴散速率增加，最終導致煤塵水分蒸發速率快速增加。煤塵水分蒸發后，煤塵顆粒間的黏附力與自身比重均快速降低，在外力擾動下極易形成二次揚塵，對井下工人職業健康與安全造成嚴重影響[15]。因此，高溫礦井應充分重視巷道沉積煤塵水分蒸發特性，及時制定防治措施。

圖3 不同溫度下4 組潤濕煤塵水分蒸發速率曲線圖Fig.3 Evaporation rate curves of four wetting coal dust samples in different temperatures

2.3 溫度對煤塵最大失水率的影響

不同溫度下4 組潤濕煤塵最大失水率曲線如圖4。

圖4 不同溫度下4 組潤濕煤塵最大失水率曲線圖Fig.4 Maximum water loss rate curves of four wetting coal dust samples in different temperatures

由圖4 可知：隨著溫度的升高，各潤濕煤塵對應的最大失水率均呈近直線快速增加。溫度50 ℃下，1號～4 號潤濕煤塵最大失水率較25 ℃時分別提高了27.55%、32.45%、19.49%、18.81%，4 組潤濕煤塵平均升高了24.57%。此外，除3 號潤濕煤塵外，其余3組潤濕煤塵在溫度從25 ℃升高到30 ℃時，最大失水率變化均較小；之后，隨溫度進一步升高，最大失水率開始快速增加。該結果表明低溫階段（＜35 ℃），溫度對煤塵蒸發最大失水率的影響較小；但當溫度高于35 ℃后，煤塵最大失水率顯著增加。因此，巷道溫度高于35 ℃的礦井應對沉積煤塵水分蒸發速率快、失水率高導致的煤塵干燥問題給予充分重視。

2.4 溫度對煤塵水分蒸發平衡時間的影響

不同溫度下4 組潤濕煤塵蒸發平衡時間變化圖如圖5。

由圖5 可知，4 組煤塵蒸發平衡時間隨溫度升高均呈下降趨勢，溫度從25 ℃升高到50 ℃后，1號～4 號煤塵蒸發平衡時間由200 min 以上降低到了80 min 左右，平均下降了63.3%。此外，與煤塵失水率變化規律不同（圖4），隨溫度增加4 種潤濕煤塵蒸發平衡時間在低溫下的下降速率遠大于在高溫下的下降速率。利用最小二值法，以溫度為自變量、以蒸發平衡時間為因變量進行擬合。擬合結果可知，潤濕煤塵蒸發平衡時間均與溫度呈顯著對數負相關關系，擬合度R2均高于0.92。以上結果表明，溫度在低溫階段的升高可引起煤塵蒸發平衡時間的快速下降，即潤濕煤塵干化時間降低、煤塵蒸發速率快速增加，這與圖3 結果基本一致。因此，高溫礦井應根據巷道溫度變化情況，及時增加灑水頻率，以降低沉積煤塵二次飛揚危害。

圖5 不同溫度下4 組潤濕煤塵蒸發平衡時間變化圖Fig.5 Evaporation equilibrium time curves of four wetting coal dust samples in different temperatures

3 結 語

1）不同溫度環境下，煤塵蒸發過程可分為蒸發失水階段與失水平衡階段；環境溫度越高，蒸發失水階段時間越短，煤塵水分蒸發速率越快。

2）隨環境溫度增加，煤塵蒸發速率呈近直線增加，溫度50 ℃時煤塵蒸發速率較25 ℃時平均提高了2 倍。

3）隨環境溫度增加，煤塵最大失水率呈先緩慢增加（溫度＜35 ℃）、后快速增加（溫度≥35 ℃）的變化趨勢，溫度50 ℃時煤塵最大失水率較25 ℃時平均升高了24.57%。

4）煤塵蒸發平衡時間與溫度呈對數負相關關系，即隨環境溫度越高，煤塵蒸發平衡時間以對數函數降低。溫度從25 ℃升高到50 ℃后，4 組煤塵蒸發平衡時間由200 min 以上降低到了80 min 左右，平均下降了63.3%。