预氧化对煤复燃极限参数影响的实验研究

2020-07-27和运中

煤矿安全 2020年7期

王凯，和运中，尚博

（1.西安科技大学安全科学与工程学院，陕西西安710054；2.陕西省煤火灾害防治重点实验室，陕西西安710054）

我国煤炭资源丰富，在煤矿开采过程中由于工艺、技术及自然条件限制，不可避免地出现采空区遗煤现象。部分遗煤在初次开采时氧化升温超过其自燃临界温度，受外界环境影响降温成为“氧化煤”，氧化煤再次供风发生二次氧化升温或复燃[1]。煤经历初次氧化后自燃性发生改变，受初次氧化条件影响较大，如初次氧化温度、氧浓度等，王凯等研究发现预氧化温度对煤二次氧化的影响呈先抑制后促进的综合效应[2-3]。

煤氧化蓄热自燃需要一定的外界条件，通常把引起煤自燃的极限外界条件称作煤自燃极限参数，主要用上限漏风强度、下限氧浓度、最小浮煤厚度来表征[4]。国内外学者就煤自燃极限参数的影响因素做了大量的研究。郭亚军、周西华[5-6]等选取不同变质程度煤种为研究对象，研究了风量对其自燃极限参数的影响，为指导现场安全生产提供了一定参考。马砺、李国芳[7-8]等研究了高地温环境对煤极限参数的影响，发现高地温环境可显著缩短煤的自然发火期。文虎等[9]研究了煤二次氧化过程中的气体产生规律及自燃特性参数变化规律。肖旸等[10]研究了空气相对湿度对煤自燃极限参数的影响，发现增大空气相对湿度使煤低温氧化前期自燃极限参数更容易满足。此外，部分学者开展了煤二次氧化自燃特性参数研究。邓军等[11-12]采用恒温氧化与程序升温方式制备氧化煤，对比分析原煤与氧化煤低温氧化阶段的CO 产生规律，发现氧化煤在50 ℃以下CO 浓度高于原煤，同时氧化煤分子中含氧官能团显著增多。王君宇等[13]采用H2O2氧化升温方式研究褐煤二次氧化特性，发现二次氧化自燃特性受预氧化温度与时间共同影响。陈晓坤等[14]对王洼二矿上分层遗煤二次氧化自燃特性研究，发现上分层遗煤经过初次氧化后自燃性增强，烷烯烃类气体出现温度降低。秦跃平等[15]通过油浴升温氧化装置对煤样重复升温至190 ℃，发现重复氧化降低了煤的氧化能力。刘文永等[16]研究了长焰煤二次氧化特性参数，从微观、宏观角度阐述了二次氧化造成指标变化的本质原因，为实际生产提供了有力的理论支持。

目前针对经历过程序升温预氧化过程后煤复燃极限参数方面研究较少。因此，通过程序升温实验装置，测试了煤预氧化至临界温度后，二次氧化过程极限参数的变化规律，为现场实际指导防灭火提供一定的参考依据。

1 实验条件及装置

1）实验煤样制备。选取陕北侏罗纪煤田易自燃煤样，并将其破碎筛分成0～＜0.9、0.9～＜3、3～＜5、5～＜7、7～10 mm 5 种粒径。取上述5 种粒径的煤样各0.2 kg 混合成1 kg 用于制备氧化煤。氧化煤制备方法为：将1 kg 煤样在空气流量为120 mL/min、升温速率为0.3 ℃/min 的实验条件下升温至80 ℃，然后绝氧降温至室温。

2）实验装置和实验过程。程序升温实验装置示意图如图1。将原煤与氧化煤样分别装入煤样罐中，放至升温箱中在30 ℃进行恒温氧化，直到测得其温度及放出气体成分基本保持不变后，在空气流量为120 mL/min、升温速率为0.3 ℃/min 的条件下进行程序升温；升温过程中煤样每升高10 ℃取1 次气体进行色谱分析。

图1 程序升温实验装置示意图Fig.1 Schematic diagram of temperature-programmed heating experimental system

2 煤自燃特性参数

2.1 耗氧速率

耗氧速率的计算公式如下：

式中：VO2（T）为温度为T 时的实际耗氧速率，mol/（cm3·s）；CO2为实验中煤样罐出口处气体中氧气体积分数，%；S 为煤样罐的横截面积，cm2；L 为煤样罐高度，cm；Q 为空气流量，mL/min；20.9%为实验中煤样罐入口处气体中氧气体积分数，即为空气中氧气体积分数，取20.9%。

将实验过程中测试值代入式（1）中，得出的原煤与氧化煤样的耗氧速率随煤温变化关系如图2。

图2 耗氧速率随煤温变化关系Fig.2 Oxygen consumption rate at different coal temperatures

2.2 CO 和CO2 产生率

CO、CO2产生率计算公式如下：

将实验中测试的参数代入式（2）、式（3）中，得到的CO、CO2产生率随煤温变化图如图3 和图4。

图3 CO 产生率随煤温变化关系Fig.3 CO production rate at different coal temperatures

图4 CO2 产生率随煤温变化关系Fig.4 CO2 production rate at different coal temperatures

2.3 放热强度

假设煤样氧化升温过程中全部产生CO 和CO2气体，最大放热强度估算公式如下：

将实验测得的参数代入式（4），得出的煤样放热强度随温度的变化曲线如图5。

图5 放热强度随煤温变化关系Fig.5 Exothermic intensity at different coal temperatures

2.4 实验结果

从图2～图5 可看出，原煤与氧化煤的耗氧速率、CO 和CO2产生率、放热强度均随着煤温的升高而增加，但70 ℃之前增速较慢，且氧化煤稍高于原煤，70 ℃之后氧化煤开始显著低于原煤。这主要是由于氧化煤经过初次氧化处理后，煤中水分含量有所降低，蒸发过程吸热量减少，煤中原生活性结构在初次氧化过程有所消耗，综合表现为低温阶段容易氧化，而高温阶段氧化放热能力减弱。

3 煤自燃极限参数

假设煤岩温度Ty=25 ℃，浮煤厚度h=1 m，空气密度ρg=1.293×10-3g/cm3，比热容cg=1.003 J/（g·℃），为定量表征二次氧化后煤自燃极限参数的变化，松散煤体导热系数λe=0.75×10-3J/(cm·s·℃)，测算实验条件下漏风强度Q=0.057 cm3/（cm2·s）。

3.1 上限漏风强度

自然状态下，煤与氧发生复合作用放热，蓄热条件合适时发生自燃。漏风强度越大，氧气供应越充足，一定程度上能加快煤氧复合作用速率，同时会带走更多热量，当漏风强度大到一定值时，其所带走的热量等于煤氧复合作用所产生的热量，导致煤无法蓄热自燃。这个数值定义为上限漏风强度Qmax：

将实验数据代入式（5）中，得到的上限漏风强度随煤温变化图如图6。

图6 上限漏风强度随煤温变化关系Fig.6 Maximum air leakage intensity at different coal temperatures

由图6 可以看出，随着煤温的升高，氧化煤与原煤的上限漏风强度均呈现先降低后升高的趋势。这表明在低温氧化初始阶段煤氧复合速率较慢，放热强度较弱，同时煤体与外界温差逐渐增加，散热能力增强，因此，上限漏风强度出现降低的趋势；随着煤温升高，煤氧复合速率加快，放热强度升高，放热显著高于散热，上限漏风强度出现升高趋势。由于70 ℃之前氧化煤放热强度高于原煤，其上限漏风强度高于原煤，后期原煤放热强度显著高于氧化煤，原煤自燃的上限漏风强度也显著高于氧化煤。

3.2 下限氧浓度

足够的氧浓度是煤持续氧化自燃和放热的必要条件之一，煤持续自热所需要的最低氧浓度称为下限氧浓度Cmin，计算公式如下：

式中：Cmin为下限氧浓度，%。

将各参数代入式（6）中，得到的下限氧浓度随煤温变化示意图如图7。

图7 下限氧浓度随煤温变化关系Fig.7 Minimum oxygen limit concentration at different coal temperatures

由图7 可以看出，随着煤温的升高，原煤与氧化煤的下限氧浓度均呈现先升高后降低的趋势，且在50～60 ℃时达到最大。这是由于在低温氧化阶段初始，煤体与外界温差较小，散热较差，维持煤体自热的放热能力要求较低，需氧量较少，但随着温差增加，煤氧复合放热能力低于散热，下限氧浓度出现升高趋势；超过60 ℃后，煤氧复合作用增强，放热能力显著提高，下限氧浓度开始降低。由于氧化煤在低温阶段耗氧与放热能力稍高于原煤，70 ℃之前氧化煤自燃的下限氧浓度低于原煤，在70 ℃之后显著高于原煤。从整个低温氧化过程看，氧化煤发生自燃的最高下限氧浓度值低于原煤，降低了自燃发生的氧浓度最低需求值，从这个角度上，氧化煤自燃危险性有所增强。

3.3 最小浮煤厚度

浮煤厚度是煤氧复合作用产生的热量蓄积的重要前提。当浮煤厚度为一定值时，煤氧化放热量等于其散失的热量，此时就是最小浮煤厚度hmin，计算公式如下。

式中：hmin为最小浮煤厚度，cm。

将各参数代入式（7）中，得到的最小浮煤厚度随煤温变化图如图8。

由图8 可以看出，原煤与氧化煤的最小浮煤厚度均呈现先升高后降低的趋势，与下限氧浓度变化趋势一致。这也是由于低温氧化阶段初始煤体与外界环境温差较小，散热较少，随着温度升高，散热增加，煤氧复合放热能力较弱，最小浮煤厚度出现升高趋势；后期煤体氧化放热能力高于散热水平，最小浮煤厚度逐渐降低。由于氧化煤在低温阶段放热能力稍高于原煤，70 ℃之前氧化煤自燃的最小浮煤厚度低于原煤，在70 ℃之后显著高于原煤。