王 凯，翟小伟，王炜罡，文 虎

0 引言

煤自燃是威胁煤炭开采、储存及利用的主要灾害之一，不但会造成资源的浪费和环境的污染，而且严重威胁着煤矿生产安全。煤自燃灾害防治的主要难点在于火源的隐蔽性［1］，这主要是由于煤体传热性能相对较差，外表与内部温差大，难以识别高温区域。热扩散系数、比热容与导热系数等热物性参数综合表征了松散煤体自燃过程的传热效应［2］，研究煤体的热物性参数是确定松散煤体内部温度分布的基础，对于煤自燃过程火源位置的判定意义重大。

前期研究发现，煤的热物性参数影响因素较多，如水分、温度、粒度、空隙率等［3－4］。岳宁芳通过一维稳态无限长圆筒法，研究了空隙率和导热系数的线性回归关系，发现在特定区间内松散煤体的导热系数随空隙率的增加而减小［5］。岳高伟等采用二分法研究发现煤的导热系数随环境温度升高呈线性增长，但与粒度成反比［6］。李建伟等研究发现粉煤粒径、填充密度及含水量的增加对煤导热系数的升高具有促进作用［7］。此外，陈清华等设计了热线法、参数估计等方法测试煤物性参数的影响规律，一定程度上降低了测试误差［8－9］。D．J．Maloney 等采用快速加热的方法，研究了低温氧化阶段煤的比热容与导热系数变化规律［10］。文虎等采用导热分析仪，系统研究了不同温度下煤岩体的比热容、热扩散系数及导热系数等热物性参数［11］。邓军等针对煤自燃过程出现的氧化、热解及二次氧化实际条件，研究了空气与氮气气氛下的热物性参数，同时对比了煤体在经过初次氧化后煤体的热物性参数变化规律，为煤自燃过程传热特性的研究提供了理论依据［12］。

但是，目前煤自燃规律的研究发现，氧浓度与风量是影响其发生发展的重要因素，很多学者通过自然发火实验、程序升温实验及热分析等多种实验手段对其影响规律进行了研究［13－15］，金永飞等采用自行研制的煤自燃高温程序升温装置，测试了贫氧状态下的煤自燃特征参数［16］;文虎研发了大型煤自然发火实验装置，测试了煤从常温到自燃整个过程中不同氧浓度与风量条件下的自燃特征参数，模拟了煤的实验最短自然发火期［17］;张嬿妮等采用油浴程序升温装置，在稳定的升温装置中测试了煤在不同风量与氧浓度下的自燃特性参数;费金彪等测试了风量对煤低温氧化过程中的气体产物的变化规律。但在热物性参数的研究方面较少。因此，为了更加深入的研究煤自燃传热过程的影响因素，文中通过对比空气与纯氧气氛、改变供风量的方式，测试氧浓度与风量对实验煤样热扩散系数、比热容和导热系数等热物性参数的影响程度，为煤自燃形成演化过程的传热规律提供理论依据。

1 实验煤样

选取陕北侏罗纪煤田的易自燃煤种作为研究对象。在井下采集块状煤样后密封包装，实验测试前在N2气氛中破碎，取煤样中心位置进行研磨、筛选，实验粒径选用0．048～0．075 mm．实验煤样的煤质分析结果见表1．

表1 实验煤样煤质分析Tab．1 Proximate and ultimate analysis of coal sample

2 实验方法

2.1 实验装置

采用LFA457激光导热分析系统对实验煤样的热物性参数进行测试。该系统主要包括供气系统、LFA457激光导热分析仪、控制器、水循环系统和计算机。采用闪光法测试煤样的热物性参数，在一定的设定温度下，由激光源在瞬间发射一束光脉冲，均匀照射在样品下表面，使其表层吸收光能后温度瞬时升高，并将能量以一维热传导方式向上表面传递。使用红外检测器连续测量煤样上表面中心部位的温度，得到温度升高与时间的关系曲线，从而测算热扩散系数。比热容通过参照法与热扩散系数同时测量得到，导热系数通过热扩散系数、比热容和密度的关系式计算得到。闪光法的原理如图1所示。

图1 闪光法测试原理示意图Fig．1 Schematic diagram of the flash test principle

2.2 实验条件

取适量煤样进行压片，保持样品的表面平整，且厚度均匀，制片厚度约为1 mm．将煤样装入煤样罐内，在气密性良好的条件下开展实验。实验设计数据采集温度梯度为10℃，升温范围为30～180℃，每个温度点采集3次数据，取平均值作为该点的热物性参数值;实验气氛为空气和纯氧，控制供气流量为50和100 mL/min，进行交叉实验，见表2．

表2 热物性实验条件Tab．2 Thermal properties experimental condition

3 结果与讨论

3.1 热扩散系数

假设光脉冲宽度接近于无限小，热量在煤样内部为理想的一维热传导过程，外部测量环境为理想的绝热条件，则通过计量升温时间，可以得到热扩散系数的计算公式

式中 D为煤样的热扩散系数，mm2/s;L为待测样品厚度，mm;t50为样品上表面温度达到最大值的一半所需的时间，s．

图2 空气与氧气气氛下的煤样热扩散系数曲线Fig．2 Thermal diffusion coefficient curves of coal samples in different atmosphere

通过测算100 mL/min风量时空气与氧气2种气氛下实验煤样的热扩散系数，确定了热扩散系数与温度的对应关系，如图2所示。实验煤样的热扩散系数随着温度的升高总体呈降低趋势，且前期下降速率较大，后期逐渐趋于平缓。但在风量相同条件下，在整个升温过程中氧气气氛下实验煤样的热扩散系数相比较空气气氛时略高。由于相同风量下松散煤体内部的漏风强度一致，即热量散失程度相同，氧气气氛下煤样与氧接触发生氧化的机会高于空气气氛，一定程度上缩短了上表面温度达到最大值的时间，因此，氧气气氛下煤样的热扩散系数略高于空气气氛。

同理，通过测算得到了空气气氛时不同风量(50与100 mL/min)下实验煤样的热扩散系数与温度的对应关系，如图3所示。实验结果表明，风量对煤样氧化过程中热扩散系数的影响较大，低风量条件下煤样的热扩散系数明显高于高风量条件。在高风量条件下，由于松散煤体中的漏风强度较高，煤样氧化放出热量在散失过程中，延缓了上表面温度达到最大值的时间，从而供风量较小的煤样热扩散系数大于供风量大的热扩散系数。

图3 不同风量下的煤样热扩散系数随温度的变化规律Fig．3 Thermal diffusion coefficient curves of coal samples at different blowing rates

3.2 比热容

根据比热容定义，

式中 Q为样品吸收的能量，J;ΔT—样品吸收能量后的温度升高值，℃;m为样品质量，g．

在光源照射能量相同、样品与参照的标样下表面吸收面积与吸收比相同的情况下，Qsam=Qstd;在环境温度一定、样品与标样上表面检测面积一致、红外发射比相同的情况下可将上式中的ΔT用检测器信号差值ΔU(电压值，单位为V)代替，则

式中 Cpstd为参比标样的比热容，J/(g·℃);mstd为参比标样的质量，g;msam为待测样品的质量，g．

ΔU通过仪器调节合适的放大增益可由测试曲线得到，则样品比热容为

忽略实验升温过程中热膨胀的影响，将测得实验煤样在不同条件下的比热容数据进行误差校正并带入公式(4)，通过计算可以得到不同条件下煤样的比热容。实验煤样随温度升高的比热容曲线图如图4，图5所示。

图4 空气与氧气气氛下煤样比热容曲线Fig．4 Specific heat capacity curves of coal sample in different oxygen concentrations

实验发现，随着温度的升高，实验煤样的比热容基本呈线性增长规律，通过一元线性拟合确定其空气与氧气气氛下线性相关系数在0．99以上。在空气与氧气气氛条件下，实验煤样的比热容具有较小的差别，在整个升温过程中空气条件下比热容值略高于氧气气氛。比热容值主要与上表面的温差有关，相同漏风强度条件下，相比较空气气氛，纯氧环境更利于煤样的氧化放热，增加了煤样上表面的温差，同时，氧气比热容值低于空气，相对降低了煤样的比热容。

图5 不同风量下煤样比热容曲线Fig．5 Specific heat capacity curves of coal sample at different blowing rates

当实验控制气氛为空气时，50 mL/min的供风量条件下，整个升温过程中煤样表现出的比热容值均略高于100 mL/min条件下，且同样随温度呈线性增长规律，一元线性拟合相关系数大于0．99．这主要受不同供风量时的漏风强度影响，当实验的供风量越大，造成煤样中的热量散失增加的同时，煤体空隙中的空气含量增加，由于空气的比热容比煤的低，一定程度上降低了煤的比热容值。

3.3 导热系数

导热系数与热扩散系数、比热容和密度存在以下关系

式中 λ为温度T时的导热系数，W/(m·℃);ρ为密度，g/cm3．

通过计算可以得到升温过程中煤样的导热系数。实验煤样的导热系数如图6，图7所示。可以发现，煤样的导热系数随着温度的升高而增长，但增长速率较低。

图6 空气与氧气气氛下的导热系数变化曲线Fig．6 Thermal conductivity curves of coal sample in different oxygen concentrations

从图6可以看出，在不同温度下，氧气与空气气氛对煤导热系数的影响不大。由于氧气气氛下，实验煤样热扩散系数增加的同时，降低了比热容，因此综合表现为在整个升温范围内导热系数无显著差异。

图7 不同风量下的煤样导热系数曲线Fig．7 Thermal conductivity curves of coal sample at different blowing rates

从图7可以得出，低风量条件下(50 mL/min)煤样的导热系数明显高于高风量条件(100 mL/min)，这也是热扩散系数与比热容同时增加引起的结果。这也表明了在此实验条件下，低风量条件下煤样不但具备良好的蓄热条件，同时能够加速热量的传递，加速煤自燃高温区域的形成。

综合分析，风量增加1倍(50 mL/min增加到100 mL/min)时实验煤样导热系数的变化比氧浓度增加约3．76倍(空气到纯氧)时的变化更加明显，显然风量对热物性参数的影响较大。

4 结论

1)实验煤样的热物性参数随着温度的升高呈现不同的规律:热扩散系数随温度的升高总体呈下降趋势，而比热容表现为线性增加，导热系数随着温度的升高呈缓慢的非线性增长规律;

2)纯氧条件下煤的热扩散系数比空气气氛下的相对较高，比热容则相反，综合表现为纯氧气氛对煤升温过程中导热系数的影响较小;

3)供风量对煤样的热扩散系数、比热容以及导热系数的变化有明显的影响，较大的供风量降低了煤样的热扩散系数与比热容，综合效应为导热系数的降低。

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