粒度對煤炭復(fù)燃行為特性的影響規(guī)律

郭志國，張志達(dá)，鄭彪華

（江西理工大學(xué)應(yīng)急管理與安全工程學(xué)院，江西 贛州 341000）

煤炭是我國經(jīng)濟發(fā)展過程中不可或缺的工業(yè)原料[1]。近年來，隨著大多數(shù)礦井開采強度不斷加大，井下采空區(qū)遺煤和漏風(fēng)現(xiàn)象更加嚴(yán)重[2-3]。為了節(jié)約煤炭資源，比較有效的方法是啟封開采已熄滅的火區(qū)。與煤的初次氧化相比，這些煤已經(jīng)與氧氣有了一定程度的接觸，在外部條件或內(nèi)部供氧突然改變的情況下，會導(dǎo)致火區(qū)原有的平衡狀態(tài)被打破而引起復(fù)燃（亦稱二次氧化）。氧化煤的復(fù)燃不僅使得煤自燃的防治難度加大，而且會造成資源的不必要浪費。煤礦火災(zāi)90%以上為內(nèi)因火災(zāi)，內(nèi)因火災(zāi)受多種因素的影響，其中粒度是較大的影響因素之一。

近年來國內(nèi)外專家學(xué)者對不同粒度煤樣與其氧化升溫過程的關(guān)系進(jìn)行了相關(guān)研究[4-5]，但目前來說還并不完善。首先，有關(guān)粒度對煤初次氧化影響的研究居多，而對復(fù)燃（二次氧化）行為的研究卻較少涉及。其次，目前所采用的大部分測試裝置是對煤樣罐整體進(jìn)行加熱，進(jìn)風(fēng)方向多為豎向，然而實際煤自燃的熱量都是從某個點開始積聚并向外擴散，且風(fēng)流以橫向流動為主。最后，在礦井煤自燃區(qū)域，大多數(shù)情況是多種粒徑混雜在一起并相互影響，煤樣的粒度并非全部一致或處在確定的范圍內(nèi)，然而目前的研究大部分是把煤制成一定粒徑大小的煤樣進(jìn)行試驗。因此，本次試驗將在前人的基礎(chǔ)上加以改進(jìn)。采用自主研發(fā)的程序升溫試驗裝置，在試驗過程中加入不同粒徑的煤樣及其混合煤樣，進(jìn)行粒度對煤復(fù)燃（二次氧化）行為影響規(guī)律的研究。通過測定復(fù)燃過程中特征參數(shù)的變化規(guī)律來反映煤自燃的發(fā)展程度，從而為煤復(fù)燃防治提供一定的參考。

1 試驗系統(tǒng)

1.1 試驗系統(tǒng)

煤自燃氧化程序升溫試驗系統(tǒng)主要由試驗反應(yīng)爐、供氣系統(tǒng)、溫度控制監(jiān)測系統(tǒng)和氣體分析系統(tǒng)四部分組成，如圖1 所示。

圖1 煤自燃氧化程序升溫試驗系統(tǒng)

1.2 評價指標(biāo)

本次實驗中選取耗氧速率、CO 和CO2產(chǎn)生率這三個煤自燃特性參數(shù)以全面分析不同粒度對煤復(fù)燃行為特性的影響規(guī)律。其中耗氧速率可由公式（1）計算得出，CO 和CO2產(chǎn)生率可由公式（2）計算得出[6]。

式中：VO2(T)為耗氧速率，mol/(cm3·s)；S 為煤樣罐截面積，m2；Q 為供風(fēng)量，mL/min；L 為裝煤高度，m；為新鮮風(fēng)流的氧氣體積分?jǐn)?shù)，其值為21%；分別為入口和出口的氧氣體積分?jǐn)?shù)，%，其中。

式中：Vx(T)為標(biāo)志性氣體CO 和CO2的產(chǎn)生率，mol/(cm3·s)；S 為煤樣罐截面積，m2；Q 為供風(fēng)量，mL/min；L 為裝煤高度，m；為新鮮風(fēng)流的氧氣體積分?jǐn)?shù)，其值為21%；分別為入口和出口的CO 和CO2體積分?jǐn)?shù)，%。

2 試驗方法

2.1 煤樣采集

采集平煤八礦煙煤煤樣，破碎后篩選出粒徑為1.0～3.0 mm，3.0～7.0 mm，7.0～10.0 mm 的單粒度范圍煤樣各3 300 g，然后再分別取每種粒徑范圍的煤樣各1 100 g 組成混合煤樣3 300 g，將4 組煤樣依次標(biāo)記為1#、2#、3#和4#，密封保存以備使用。該煤樣的自燃傾向性等級鑒定為Ⅱ類（自燃）。

2.2 試驗步驟

首先利用電子天平稱取待測煤樣裝進(jìn)煤樣罐中，向煤樣中通入空氣，在系統(tǒng)上設(shè)定升溫范圍（20℃～220℃）、升溫速率（0.5℃/min）和供風(fēng)量（300 mL/min）參數(shù)，然后點擊加熱棒開關(guān)對煤樣進(jìn)行升溫，依次對4 組煤樣進(jìn)行初次氧化試驗。待初次氧化試驗結(jié)束后，對初次氧化煤樣絕氧降溫后密封保存，再對初次氧化后的4 種不同粒度煤樣分別進(jìn)行相同的二次氧化升溫過程，最后待溫度上升至220℃時，保存數(shù)據(jù)，關(guān)閉系統(tǒng)，試驗結(jié)束。

3 試驗結(jié)果與分析

3.1 耗氧速率變化規(guī)律

根據(jù)本次實驗條件測定4 種不同粒度的煤樣在復(fù)燃（二次氧化）過程中耗氧速率的變化規(guī)律，具體如圖2 所示。

圖2 耗氧速率隨溫度變化關(guān)系

從圖2 可以看出，不同粒度煤樣復(fù)燃過程的耗氧速率均隨著溫度的升高而升高，且在煤自燃后期隨溫度變化逐漸加快，具有明顯的階段特征，這主要是由于在氧化反應(yīng)后期參與反應(yīng)的活性基團(tuán)和自由基數(shù)量和種類不斷增多，煤自燃反應(yīng)的速率就會加快。同時也可以看出：對于不同粒度的煤樣來說，耗氧速率隨煤樣粒度的減小而增大，粒度越小，煤自燃過程耗氧速率就越高。這主要有以下原因：一是對于相同質(zhì)量的煤樣來說，其粒度越小，比表面積就越大，對氧氣的吸附能力就越強，耗氧速率自然就越快； 二是煤在受到外力破碎時會因分子的斷裂而形成自由基，對于同種煤樣來說，粒度越小，其破碎程度就越大，產(chǎn)生自由基的濃度就越高，煤自燃反應(yīng)就更劇烈；三是煤樣的粒度越小，氧化反應(yīng)所需的表觀活化能就越小，煤的燃燒就更容易發(fā)生。混合煤樣二次氧化過程中的耗氧速率一直介于三種煤樣之間，原因在于雖然煤樣的粒度越小，其氧化性就越強，但是卻不利于熱量的積聚以及氧氣向煤樣內(nèi)部的擴散，因此，氧化煤樣既有相對較大的總體比表面積，又利于氧氣向其內(nèi)部擴散，若比例合適，有可能其耗氧速率比其余三種煤樣都要大。

3.2 CO 產(chǎn)生率變化規(guī)律

根據(jù)本次實驗條件測定4 種不同粒度的煤樣在氧化升溫過程中CO 產(chǎn)生率的變化規(guī)律，如圖3所示。

圖3 CO 產(chǎn)生率隨溫度變化關(guān)系

從圖2 可以看出，混合煤樣二次氧化過程中的CO 產(chǎn)生率介于1#和2#煤樣之間，從整體來看，CO 產(chǎn)生率與溫度的變化成正比，不同粒度煤樣CO產(chǎn)生量均隨著溫度的升高而升高，在氧化反應(yīng)前期（T＜120℃）隨溫度的變化較為緩慢，到了后期則逐漸加快，具有明顯的階段性。這主要是由于在氧化反應(yīng)后期參與反應(yīng)的活性基團(tuán)和自由基的數(shù)量和種類不斷增多，煤自燃反應(yīng)速率加快。同時也可以看出：CO 產(chǎn)生率與粒度的變化成反比，CO 產(chǎn)生率隨煤樣粒度的減小而增大，煤樣粒度越大，產(chǎn)生的CO 體積分?jǐn)?shù)就越小。這主要有以下原因：一是相同質(zhì)量的煤樣，粒度越小，其比表面積就越大，對參與反應(yīng)的各物質(zhì)的吸附能力就越強；二是煤在受到力破碎時會因分子的斷裂而形成自由基，對于同種煤樣來說，粒度越小，其破碎程度就越大，產(chǎn)生自由基的濃度就越高；三是煤樣的粒度越小，氧化反應(yīng)所需的表觀活化能就越小，煤的燃燒就更容易發(fā)生。

3.3 CO2 產(chǎn)生率變化規(guī)律

根據(jù)試驗條件測定4 種不同粒度的煤樣在氧化升溫過程中CO2產(chǎn)生率的變化規(guī)律，如圖4 所示。

圖4 CO2 產(chǎn)生率隨溫度變化關(guān)系

從圖4 可以看出，混合煤樣二次氧化過程中CO2產(chǎn)生率介于1#和2#煤樣之間，整體上CO2產(chǎn)生率與溫度的變化成正比，不同粒度煤樣的CO2產(chǎn)生率均隨著溫度的升高而升高，且在煤自燃后期隨溫度的變化逐漸加快。這主要是由于在氧化反應(yīng)后期參與反應(yīng)的活性基團(tuán)和自由基不斷增多，煤自燃反應(yīng)的速率就加快。同時也可以看出：對于不同粒度的煤樣來說，CO2產(chǎn)生率隨煤樣粒度的減小而增大，粒度越小，煤自燃過程CO2產(chǎn)生率就越高。這主要有以下原因：一是對于相同質(zhì)量的煤樣來說，其粒度越小，比表面積就越大，與氧氣接觸的表面積就越大，CO2就上升速度就越快；二是煤在受到外力破碎時會因分子的斷裂而形成自由基，對于同種煤樣來說，粒度越小，其破碎程度就越大，產(chǎn)生自由基的濃度就越高；三是煤樣的粒度越小，氧化反應(yīng)所需的表觀活化能就越小，煤的燃燒就更容易發(fā)生。

4 結(jié)論

1）在本次試驗條件下，耗氧速率、CO 和CO2產(chǎn)生率隨溫度的變化有著類似的規(guī)律，整體上都與溫度的變化成正比，隨著溫度的升高均逐漸增大，且在煤自燃前期變化較為緩慢，后期逐漸加快，具有明顯的階段性特征，混合煤樣的變化稍有不同。

2）對于4#混合煤樣來說，反應(yīng)過程中CO 和CO2產(chǎn)生率的變化介于1#和2#煤樣之間，而耗氧速率的變化則介于其余三種煤樣之間，這主要取決于混合煤樣比表面積、熱量積聚及氧氣擴散的共同作用。

3）對于不同粒度煤樣的復(fù)燃過程來說，三種特征參數(shù)的變化均與粒度成反比。粒度越小，煤樣的比表面積就越大，對氧化反應(yīng)過程中各物質(zhì)的吸附能力就越強，從而導(dǎo)致耗氧速率、CO 和CO2產(chǎn)生率就越高。