供風量對褐煤自燃極限參數的影響研究*

周西華，牛田元,白　剛,李　昂,王　成

(1.遼寧工程技術大學 安全科學與工程學院，遼寧 阜新 123000；2.礦山熱動力災害與防治教育部重點實驗室，遼寧 阜新 123000; 3.遼寧工程技術大學 煤炭資源安全開采與潔凈利用工程研究中心，遼寧 阜新 123000)

0　引言

煤層自燃火災占礦井火災90%以上，嚴重威脅了煤礦井下安全生產[1]。煤體熱量的產生和積聚是導致煤炭發生自燃的最直接原因，煤自燃的根本原因是空氣中的氧氣氧化了煤體。煤自燃極限參數是判斷煤自燃危險區域的有力依據，表征煤自燃極限外界條件的參數主要有下限氧濃度、上限漏風強度和最小浮煤厚度[2]。影響煤自燃極限參數的因素較復雜，研究影響自燃極限參數的各種因素并為井下控制煤自燃提供基礎參數意義重大，因此，自燃極限參數及其影響因素成為研究重點。為此，徐精彩等[3]用改進的BP神經網絡分析距離、氧濃度、放熱強度、溫度、漏風強度、浮煤厚度幾種影響因素來對自燃極限參數進行預測；鄧軍等[4]總結了用煤自燃極限參數來對煤自燃進行預測的理論研究進展；易欣等[5]用實驗模擬自燃過程得到隨著時間和溫度的變化煤自燃極限參數的變化規律進而推出預防自燃的方法；譚波等[6]利用煤自燃程序升溫試驗得出3種不同變質程度的煙煤自燃極限參數的規律；馬礪等[7-9]利用煤自燃程序升溫試驗裝置計算5種粒徑、煤樣升溫、4種不同的阻化劑處理條件下對煤自燃極限參數的影響。上述研究主要計算和分析了不同時間、粒度、煤溫、氧濃度、煤變質程度、阻化劑對煤自燃極限參數的影響。

煤自燃是氧濃度、熱量積聚等多因素耦合作用導致，供風量與采空區自燃“三帶”分布范圍呈現一定規律，進而影響采空區遺煤自燃極限參數，但目前關于供風量對煤自燃極限參數影響研究甚少。為此，筆者選取內蒙古平莊瑞安褐煤為試驗煤樣，在前期研究供風量與煤自燃氣體生成規律基礎之上[10]，計算了不同供風量下的煤自燃極限參數，為預防井下遺煤自燃提供關鍵基礎參數。

1　不同供風量條件下褐煤程序升溫試驗

1.1　煤樣工業分析

試驗煤樣選取內蒙古平莊瑞安褐煤，在實驗室將小塊狀的煤樣放入粉碎機中粉碎，篩選出介于50～80目的煤樣，裝入棕色60 mL廣口瓶中，然后將其密封封存以防氧化。煤樣的工業分析與元素分析數據詳見表1。

表1　煤樣的工業分析與元素分析

1.2　試驗條件與試驗方法

程序升溫系統試驗裝置如圖1所示。將稱取的2份煤樣(2 g/份)放入到瓷盤中，然后推送到管式爐的碳硅管中，用乳膠塞將碳硅管的兩端密封，打開鋼瓶的閥門，并將氣壓調節到0.1 MPa，將轉子流量計的流量設置為40，80，120，160，200 mL/min，對應風速為0.002 123，0.004 26，0.006 39，0.008 52，0.010 65 m/s。接通電源后，打開溫度顯示器和管式爐電源開關。管式爐升溫速率設置為2℃/min，由于40℃時可以除去褐煤中的外在水分，褐煤的著火溫度在200℃以上，所以在試驗時采用的溫度在40～200℃之間，每隔一定的溫度啟動管式爐程序升溫系統取大約5 mL氣體于球膽內，用GC-4085型氣相色譜儀對球膽內氣樣的氣體成分及體積分數進行分析。

圖1　實驗裝置Fig.1　Experiment device schematic diagram

試驗得到供風量為40～200 mL/min時，溫度在40～200℃范圍內的O2，CO和CO2體積分數，根據文獻[7]計算得出耗氧速率、CO產生速率、CO2產生速率和放熱強度的數值，并將所得的放熱強度結果用于褐煤自燃極限參數的計算當中。

2　煤自燃極限參數計算

煤自燃是內因和外因都滿足的條件下發生的。煤層自燃除了滿足自燃內在因素，即有自燃傾向性的煤以外，在一定時間的基礎上還要有足夠大的煤厚，充足的氧氣和熱量聚集的場所[11]。煤自燃的極限參數是引發自燃的外界條件的極限值，主要包括：最小浮煤厚度、下限氧濃度、上限漏風強度。當煤層厚度大于最小浮煤厚度，煤層中氧氣濃度大于下限氧濃度，漏風強度小于上限漏風強度3條件同時滿足時煤體才有可能自燃[12]：

(h>hmin)∩(C>Cmin)∩(Q

式中：h為浮煤厚度，m；hmin為最小浮煤厚度，m；C為氧氣濃度，mol/m3；Cmin為下限氧濃度，mol/m3；Q為漏風強度，m3/(m2·s)；Qmax為上限漏風強度，m3/(m2·s)。

2.1　最小浮煤厚度

最小浮煤厚度主要與松散煤體溫度、放熱強度、漏風強度有關[13]。根據瑞安煤礦現場實測井下煤巖體溫度為25℃，漏風強度為0.10 m/s，根據文獻[8]中公式計算得出漏風強度為0.10 m/s時不同供風量條件下最小浮煤厚度如圖2所示。

圖2　最小浮煤厚度與供風量的關系Fig.2　Relationship between the thickness of minimum floating coal and wind speed

由圖2可知：溫度為40～120℃時，最小浮煤厚度隨著供風量增大而減小，更容易引發自燃；溫度為120～200℃時，在40～80 mL/min供風量范圍內，最小浮煤厚度隨著風量增大而增大；在80～160 mL/min范圍內，最小浮煤厚度隨著供風量增大而減小；在160～200 mL/min范圍內，最小浮煤厚度隨著供風量增大而增大。漏風強度一定時，溫度不同，供風量不同對最小浮煤厚度的影響不同，繼而得出對煤層自燃危險性的影響。井下煤層厚度大于最小浮煤厚度是進入氧化升溫帶必要前提[13]，最小浮煤厚度越小越容易滿足這一前提，就更容易引發自燃。由此可見，溫度為40～120℃時和溫度為120～200℃，供風量為80～160 mL/min時，供風量的增大會增加自燃危險性。定義臨界點溫度為供風量一定時褐煤自燃極限參數在該溫度下達到的最大或最小值，不同供風量下對應最小浮煤厚度的臨界點溫度見表2。

表2　不同供風量對應的最小浮煤厚度臨界點溫度

由表2可知：隨著供風量增大，最小浮煤厚度的臨界點溫度呈升高趨勢。供風量越大，散熱越多，達到煤自燃極限參數極值所需溫度就越高，所以試驗樣品的臨界點溫度隨之升高，臨界點溫度對應的溫度點隨之增加，導致煤自燃危險性的溫度范圍降低，因此，風量越大，最小浮煤厚度對應的臨界點溫度越大，自燃危險性越小。

2.2　下限氧濃度

根據文獻[14]知，某一溫度下，其放熱強度和對應的氧濃度近似正相關，存在一極限值，當氧濃度小于這一極限值時，煤氧復合反應的生成熱與散熱正好相等，煤體不再升溫，該極限值即為下限氧濃度。煤巖體溫度為25℃，漏風強度0.10 m/s，浮煤厚度為0.6 m時，根據文獻[8]計算出浮煤厚度為0.6 m，供風量不同時下限氧濃度變化關系如圖3所示。

圖3　下限氧濃度與風速的關系Fig.3　Relationship between lower oxygen concentration and wind speed

由圖3可知：溫度為40～120℃時，下限氧濃度隨著供風量增大而減小；溫度為120～200℃時，在40～80 mL/min供風量范圍內，下限氧濃度隨著供風量增大而增大；在80～160 mL/min范圍內，下限氧濃度隨著供風量增大而減小；在160～200 mL/min范圍內，下限氧濃度隨著供風量增大而增大。煤層中的氧濃度大于下限氧濃度是煤體進入煤氧復合反應中的必然條件[13]。筆者計算下限氧濃度所取的漏風強度是一定值，即煤層散熱為定值，氧濃度超過下限氧濃度煤體即可蓄熱，所以下限氧濃度越小，越容易引發自燃，由此可見，溫度為40～120℃時和溫度為120～200℃，供風量在80～160 mL/min范圍內，供風量的上升會增加自燃危險性。不同供風量的下限氧濃度臨界點溫度見表3。

供風量為40 mL/min,溫度為90℃時，下限氧濃度達到最大值25.258 6%，供風量為80 mL/min,溫度為140℃時，下限氧濃度達到最大值25.097 1%，煤層自燃的下限氧濃度都超過了25%，自燃風流中氧氣濃度為21%，煤層不能滿足這一條件，所以無法發生自燃；供風量為120,160,200 mL/min時臨界點溫度對應的下限氧濃度都小于21%，具備自燃的基本條件。由表3可見，供風量越大，下限氧濃度的臨界點溫度呈升高趨勢，臨界點溫度對應的溫度點增加，導致煤自燃危險性的溫度范圍降低，因此，供風量越大，下限氧濃度的臨界點溫度越大，自燃危險性越小。

表3　不同供風量的下限氧濃度臨界點溫度

2.3 上限漏風強度

對于給定的井下煤體，漏風強度不斷增加到一個定值時，煤樣復合反應的產生熱全部被熱量傳遞和風流焓變所消耗，這一臨界值即為上限漏風強度[15]。根據文獻[8]計算出當煤層厚度為0.6 m時，不同供風量條件下上限漏風強度變化規律如圖4所示。

圖4　上限漏風強度與風速的關系Fig.4　Relation between upper air leakage intensity and wind speed

由圖4可知：溫度為40～120℃時，下限漏風強度隨著供風量增加而增大；溫度為120～200℃時，在40～80 mL/min供風量范圍內，下限漏風強度隨著供風量增加而減小；在80～160 mL/min范圍內，下限漏風強度隨著供風量增加而增大；在160～200 mL/min范圍內，下限漏風強度隨著供風量增加而減小。煤層的漏風強度小于下限漏風強度是煤體進入煤氧復合反應中氧化升溫帶的必然條件[13]，上限漏風強度越大，說明產生熱量越多，煤體蓄熱越多，會更容易引發自燃。由此可見，當溫度為40～120℃和120～200℃,供風量在80～160 mL/min范圍內時，供風量的增大更容易引發煤體自燃。不同供風量的上限漏風強度臨界點溫度見表4。

由表4可見：供風量越大，上限漏風強度的臨界點溫度呈升高趨勢，臨界點溫度對應的溫度點增加，導致煤自燃危險性的溫度范圍降低，因此，風量越大，上限氧濃度對應的臨界點溫度越大，自燃危險性越小。

表4　不同供風量的上限漏風強度臨界點溫度

3　結論

1)通過計算煤自燃極限參數與溫度關系數據發現，最小浮煤厚度和下限氧濃度隨著溫度升高在低溫(40～120℃)時增大，中低溫(120～200℃)時減小；上限漏風強度相反，隨著溫度升高在低溫(40～120℃)時減小，中低溫(120～200℃)時增大。

2)最小浮煤厚度和下限氧濃度隨著供風量的增大在低溫(40～120℃)時減小，中低溫(120～200℃)時，僅當供風量在80～160 mL/min范圍內，最小浮煤厚度和下限氧濃度會因為供風量的增大而減小；上限漏風強度相反隨著供風量的增大在低溫(40～120℃)時增大，中低溫(120～200℃)時，僅在供風量為80～160 mL/min時，最小浮煤厚度和下限氧濃度會增大。供風量的增大會將3個自燃極限參數向更容易引發自燃的方向推進，為避免自燃應控制煤層的供風量。

3)通過分析不同供風量下的自燃極限參數的臨界點溫度得出，風量越大，最小浮煤厚度、下限氧濃度和上限漏風強度對應的臨界點溫度越大，導致煤自燃危險性的溫度范圍越低，自燃危險性越小。

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