煤自燃過程中耗氧速率與放熱強(qiáng)度的時空變化規(guī)律

關(guān)欣杰,李曉龍,鄧 軍

(1.陜西煤業(yè)化工技術(shù)研究院有限責(zé)任公司, 陜西 西安 710065;2.渭南陜煤啟辰科技有限公司, 陜西 渭南 714000;3.煤炭綠色安全高效開采國家地方聯(lián)合工程研究中心, 陜西 西安 710065;4.中煤科工集團(tuán) 西安研究院有限公司, 陜西 西安 710077;5.陜西省煤礦水害防治技術(shù)重點(diǎn)實驗室,陜西 西安 710054;6.西安科技大學(xué) 安全科學(xué)與工程學(xué)院, 陜西 西安 710054)

煤的自然發(fā)火是困擾煤礦的難題,我國90%以上的煤層有自燃傾向,煤自然發(fā)火嚴(yán)重威脅人類的身心健康、自然環(huán)境和煤礦的安全生產(chǎn),造成巨大的經(jīng)濟(jì)損失和資源浪費(fèi)[1]. 煤層發(fā)生自燃的原因主要是煤氧復(fù)合反應(yīng),過程受多因素影響[2-3],因此掌握煤自燃過程中耗氧速率和放熱強(qiáng)度的分布規(guī)律對預(yù)防煤層自燃與控制起著非常重要的作用。

王建國等[4]通過數(shù)值模擬計算,確定了典型松散煤體的自然發(fā)火期和高溫區(qū)分布狀態(tài)。陳曉坤等[5]研制了高溫松散煤體自吸氧試驗裝置,得出了熱對流效應(yīng)對松散煤體內(nèi)的熱量傳遞有很大影響。劉文永等[6]研究了松散煤體在恒風(fēng)量條件下的自燃過程,得出了溫度和氧濃度的時空演變規(guī)律。劉垚等[7]基于程序升溫開展了不同氧濃度的煤升溫實驗,探究了不同變質(zhì)程度煤在變氧條件下基團(tuán)受氧氣影響的變化特征。李林等[8]從煤自燃過程中高溫點(diǎn)運(yùn)移和指標(biāo)氣體2個角度分析了時空變化規(guī)律,但是由于受到實驗設(shè)備體積限制,不能很好地實現(xiàn)火區(qū)自燃過程的實驗?zāi)M;周佩玲[9]重點(diǎn)通過模擬采空區(qū)的自燃情況,分析了煤自燃過程中特性參數(shù)的變化,但是升溫采用的是主動升溫方式,沒有體現(xiàn)自然升溫發(fā)火的實驗特點(diǎn)。本文利用大型煤自燃發(fā)火爐,真實模擬煤自然發(fā)火的過程(從常溫升至140 ℃),分析煤自燃過程中放熱強(qiáng)度和耗氧速率在時間上和不同區(qū)域的差異和規(guī)律,以進(jìn)一步研究煤自燃的多場耦合作用。

1 實驗裝置及過程

1.1 實驗裝置

實驗采用了大型煤自燃發(fā)火實驗臺,最大裝煤量為2 t,實驗臺主要包括爐體、氣路裝置和監(jiān)測系統(tǒng)3部分,爐體呈圓柱形,最大裝煤高度200 cm,內(nèi)徑120 cm. 頂部和底部分別預(yù)留有10～20 cm的自由空間,以保證進(jìn)出氣均勻,頂部留有排氣口。爐體外壁有保溫層和控溫水層,以保證進(jìn)氣的溫度與爐內(nèi)煤樣的溫度大體一致并保持良好的蓄熱環(huán)境。爐體結(jié)構(gòu)見圖1.

圖1 煤自然發(fā)火實驗爐結(jié)構(gòu)示意

1.2 氣體、溫度的采集與控制

實驗爐體內(nèi)從距爐底5 cm開始,每隔20 cm橫縱交叉分布測溫探頭,每一個溫度探頭相隔20 cm,并沿中心軸每層設(shè)置氣體采樣管,一共分布了131個溫度探頭和40個氣體采樣點(diǎn),溫度的測點(diǎn)通過計算機(jī)自動控制,每30 min自動更新并記錄每個測點(diǎn)的溫度。

1.3 實驗條件與過程

將實驗用煤樣利用鄂式碎煤機(jī)碎成標(biāo)準(zhǔn)粒徑,具體粒徑和煤樣基本數(shù)據(jù)見表1、表2. 實驗開始前檢查爐體的密封性,供風(fēng)系統(tǒng)和溫度控制監(jiān)測系統(tǒng)是否正常工作,待確保系統(tǒng)正常運(yùn)行后,向?qū)嶒灎t通入在控溫水層預(yù)熱后干燥的空氣,從實驗常溫(36 ℃)開始記錄每天氣體數(shù)據(jù),直至升至140 ℃結(jié)束。

表1 煤樣粒徑

表2 煤樣基本數(shù)據(jù)

選取實驗過程中高溫點(diǎn)分別分布在不同區(qū)域的時間進(jìn)行分析,中心軸測點(diǎn)高溫區(qū)域的運(yùn)移規(guī)律展示見圖2. 可以看出:初期實驗階段,高溫區(qū)域并未在氧氣濃度較高的進(jìn)風(fēng)一側(cè)產(chǎn)生,而是出現(xiàn)在位于煤體上層、氧氣濃度較低的區(qū)域。隨著時間的推移和溫度的升高,高溫區(qū)域逐漸向進(jìn)風(fēng)一側(cè)移動。值得注意的是,中心軸的溫度從初始常溫升至75 ℃所需時間約為29天,而從75 ℃升至140 ℃僅需約10天。這表明高溫階段僅占總時間的1/3左右。這一現(xiàn)象表明,在低溫階段,松散煤體主要經(jīng)歷氧化蓄熱過程,熱量逐漸積累,而這一過程相對較為漫長。然而,當(dāng)松散煤體達(dá)到一定的熱蓄狀態(tài)后,便進(jìn)入了高溫階段。這個高溫階段在松散煤體內(nèi)部引發(fā)了煤氧復(fù)合化學(xué)反應(yīng),從而引起了劇烈的溫度升高。由此得出煤溫的增長在高溫階段發(fā)生得更為迅速。

圖2 中心軸測點(diǎn)溫度與高度的關(guān)系

2 實驗結(jié)果分析

2.1 煤自燃過程中耗氧速率的時空分布規(guī)律

氧氣是衡量煤自燃過程的重要指標(biāo),爐體內(nèi)各測點(diǎn)氧氣濃度的變化主要與空氣流動、分子擴(kuò)散和紊流擴(kuò)散、煤氧作用耗氧等因素有關(guān)。實驗通入新鮮空氣,煤樣進(jìn)行煤氧復(fù)合反應(yīng),通過測得煤樣自燃過程中不同測點(diǎn)、不同時間段的氧氣濃度,從而推算出耗氧速率為[10]:

圖3、圖4表示煤自燃過程中隨時間推進(jìn)的耗氧速率在時間、空間內(nèi)的演變規(guī)律。

圖3 中心軸測點(diǎn)耗氧速率與高度的關(guān)系

圖4 中心軸測點(diǎn)耗氧速率與時間的關(guān)系

2.1.1 耗氧速率與高度的關(guān)系

根據(jù)圖3所示,可觀察到在煤溫低于75 ℃時,耗氧速率相對較低。最大耗氧速率分布于遠(yuǎn)離進(jìn)風(fēng)一側(cè)的低氧濃度區(qū)域。隨著溫度的逐漸升高,耗氧速率呈遞增趨勢。最大耗氧速率的位置逐漸向進(jìn)風(fēng)一側(cè)轉(zhuǎn)移,而低氧濃度區(qū)域的耗氧速率始終保持在較低水平。進(jìn)一步從圖3中得知,不同區(qū)域的耗氧速率與其溫度上升速率呈正相關(guān)。最大耗氧速率所處的空間位置分布規(guī)律與高溫區(qū)域的運(yùn)動規(guī)律相一致。在探究松散煤體自燃機(jī)制時,耗氧速率與煤體高度之間存在密切聯(lián)系。初期實驗階段,位于煤體上層低氧濃度區(qū)域的煤體仍然發(fā)揮了一定的耗氧速率,盡管相對較低。這可能是由于氧氣與煤體之間的物理和化學(xué)作用,即使在低氧濃度環(huán)境下,也導(dǎo)致了少量的氧化反應(yīng)和熱量釋放。然而,隨著時間的推移和溫度的升高,煤體的耗氧速率逐漸增加,尤其是當(dāng)溫度達(dá)到一定閾值后,耗氧速率顯著增強(qiáng)。這一趨勢與高溫區(qū)域逐漸向進(jìn)風(fēng)側(cè)移動的現(xiàn)象相吻合,強(qiáng)化了煤體內(nèi)部熱氧耦合作用的重要性。

2.1.2 耗氧速率與時間的關(guān)系

圖4的實驗結(jié)果揭示了耗氧速率與時間之間的密切關(guān)系。在低氧濃度區(qū)域(離進(jìn)風(fēng)側(cè)距離遠(yuǎn)處),耗氧速率在實驗初期達(dá)到峰值,在溫度升高后,高溫區(qū)域逐漸往下移動,低氧濃度區(qū)域的耗氧速率先降低后緩慢升高并趨于平穩(wěn)。煤溫在臨界溫度(65～75 ℃)以下時,煤樣的耗氧速度增加緩慢;煤溫超過該溫度后,耗氧速度的增加明顯加快;煤溫超過干裂溫度(90～100 ℃)后,耗氧速度急劇增加。在高氧濃度區(qū)域(離進(jìn)風(fēng)側(cè)距離近處),溫度在100 ℃之前,耗氧速率與溫度成正相關(guān),溫度上升到100 ℃之后,高溫區(qū)域移動到進(jìn)風(fēng)側(cè)處,最底部的耗氧速率達(dá)到最大值,煤體的升溫速率加快,松散煤樣接近自燃點(diǎn)。在初始階段,雖然耗氧速率相對較低,但仍然存在持續(xù)的氧化過程。隨著時間的推移,煤體內(nèi)部的化學(xué)反應(yīng)逐漸積累,導(dǎo)致耗氧速率逐漸增強(qiáng)。特別是在高溫階段,煤體內(nèi)部的氧化反應(yīng)顯著加速,耗氧速率達(dá)到高峰。這一現(xiàn)象與自燃現(xiàn)象的發(fā)展趨勢相符,強(qiáng)調(diào)了時間對于自燃機(jī)制的影響。

2.2 煤自燃過程中放熱強(qiáng)度的時空分布規(guī)律

松散煤體的自燃升溫主要是煤氧復(fù)合反應(yīng)和蓄熱環(huán)境,實驗煤樣在自燃升溫條件下的放熱強(qiáng)度和周圍環(huán)境的散熱條件相比,當(dāng)放熱強(qiáng)度大于煤樣散失的熱量時,實驗煤體就會升溫。

在煤樣自燃升溫過程中,測定實驗煤體各點(diǎn)的溫度和控制中心點(diǎn)的氧濃度,根據(jù)能量守恒原理,應(yīng)用傳熱學(xué)的方法,推算出煤放熱強(qiáng)度測算公式[11]:

圖5,圖6表示煤自燃過程中隨時間推進(jìn)的放熱強(qiáng)度在時間、空間內(nèi)的演變規(guī)律。

圖5 中心軸測點(diǎn)放熱強(qiáng)度與高度的關(guān)系

圖6 中心軸測點(diǎn)放熱強(qiáng)度與時間的關(guān)系

2.2.1 放熱強(qiáng)度與高度的關(guān)系

從圖5可以看出,在煤溫達(dá)到臨界溫度之前,溫度上升緩慢,且放熱強(qiáng)度低,放熱強(qiáng)度的峰值主要聚集在煤體上部,低溫條件下放熱強(qiáng)度較平穩(wěn)。這是由于煤體上部初期蓄熱環(huán)境較好,熱量聚集,放熱強(qiáng)度較高。煤溫增加,放熱強(qiáng)度整體增強(qiáng),且高溫點(diǎn)的放熱強(qiáng)度與煤體其他區(qū)域放熱強(qiáng)度差距更大。進(jìn)風(fēng)側(cè)的放熱強(qiáng)度會首先達(dá)到自燃點(diǎn),放熱強(qiáng)度所在區(qū)域逐漸向進(jìn)風(fēng)側(cè)移動,出現(xiàn)順序跟高溫區(qū)域的變化順序相吻合。靠近進(jìn)風(fēng)口的中下部區(qū)域,由于其較為有利的蓄熱條件和高氧濃度環(huán)境,溫度升高速度較快。值得特別關(guān)注的是,當(dāng)溫度超過一定臨界值,如75 ℃,進(jìn)風(fēng)側(cè)煤體高度2/10范圍內(nèi)的溫度將會急劇上升,形成高溫區(qū)域,從而加大了自燃的風(fēng)險。隨著高度的增加,煤體的蓄熱能力顯著增強(qiáng),放熱強(qiáng)度逐漸上升。這為高溫區(qū)域的形成提供了能量基礎(chǔ),也加劇了煤體內(nèi)部復(fù)雜耦合作用。

2.2.2 放熱強(qiáng)度與時間的關(guān)系

從圖6可以看出,實驗初期,放熱強(qiáng)度趨于平穩(wěn),上升速度緩慢,放熱強(qiáng)度的峰值主要聚集在煤體上部,這是由于實驗初期煤體上部的漏風(fēng)強(qiáng)度較小,熱量聚集更好;隨著溫度的增加,放熱強(qiáng)度峰值逐漸向下移動,上部放熱強(qiáng)度在臨界溫度之前有輕微下降,煤溫超過臨界溫度之后,放熱強(qiáng)度驟增,且越接近進(jìn)風(fēng)口,臨界溫度后的放熱強(qiáng)度增加的速率越快,前后的放熱強(qiáng)度的差值越大。需要注意的是,松散煤體內(nèi)部存在著相當(dāng)復(fù)雜的耦合作用,這更加增加了自燃現(xiàn)象的難以預(yù)測性。具體來說,空氣滲流場、氧濃度和溫度場這三者相互交織,呈現(xiàn)出非穩(wěn)態(tài)的變化狀態(tài)。在自燃的初始階段,大量松散煤體與氧氣接觸,由此產(chǎn)生的物理和化學(xué)吸附作用會釋放少量熱量。然而,由于煤體的導(dǎo)熱性較差,這些熱量會逐漸積累,促使更多的化學(xué)反應(yīng)加速進(jìn)行,進(jìn)而釋放更多的熱量。這種情況形成了一個正反饋的循環(huán),推動自燃現(xiàn)象的傳播與發(fā)展。

3 結(jié) 論

1) 自燃過程中,松散煤體的高溫點(diǎn)首先出現(xiàn)在煤體上部約7/10位置,低于臨界溫度(約75 ℃)時移動緩慢;超過臨界溫度后,迅速向進(jìn)風(fēng)側(cè)高氧濃度區(qū)域移動,煤層底部首先達(dá)到自燃點(diǎn)。

2) 煤體的耗氧速率在初期緩慢上升,隨溫度逐漸向下移動時有所下降。煤體上部耗氧速率增加幅度較小,而進(jìn)風(fēng)側(cè)高氧濃度區(qū)域耗氧速率增加幅度較大。

3) 煤體的放熱強(qiáng)度與高溫點(diǎn)運(yùn)移一致。進(jìn)風(fēng)側(cè)的放熱強(qiáng)度前后跨度大,首先達(dá)到自燃點(diǎn)。實際觀測中可根據(jù)探測煤層高溫點(diǎn)的位置判斷放熱強(qiáng)度的峰值,研究結(jié)果對實際工程的使用更有針對性和方向性。