粒度對煤炭復燃行為特性的影響規律

郭志國，張志達，鄭彪華

（江西理工大學應急管理與安全工程學院，江西 贛州 341000）

煤炭是我國經濟發展過程中不可或缺的工業原料[1]。近年來，隨著大多數礦井開采強度不斷加大，井下采空區遺煤和漏風現象更加嚴重[2-3]。為了節約煤炭資源，比較有效的方法是啟封開采已熄滅的火區。與煤的初次氧化相比，這些煤已經與氧氣有了一定程度的接觸，在外部條件或內部供氧突然改變的情況下，會導致火區原有的平衡狀態被打破而引起復燃（亦稱二次氧化）。氧化煤的復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90%以上為內因火災，內因火災受多種因素的影響，其中粒度是較大的影響因素之一。

近年來國內外專家學者對不同粒度煤樣與其氧化升溫過程的關系進行了相關研究[4-5]，但目前來說還并不完善。首先，有關粒度對煤初次氧化影響的研究居多，而對復燃（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行加熱，進風方向多為豎向，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，且風流以橫向流動為主。最后，在礦井煤自燃區域，大多數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，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行試驗。因此，本次試驗將在前人的基礎上加以改進。采用自主研發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，進行粒度對煤復燃（二次氧化）行為影響規律的研究。通過測定復燃過程中特征參數的變化規律來反映煤自燃的發展程度，從而為煤復燃防治提供一定的參考。

1 試驗系統

1.1 試驗系統

煤自燃氧化程序升溫試驗系統主要由試驗反應爐、供氣系統、溫度控制監測系統和氣體分析系統四部分組成，如圖1 所示。

圖1 煤自燃氧化程序升溫試驗系統

1.2 評價指標

本次實驗中選取耗氧速率、CO 和CO2產生率這三個煤自燃特性參數以全面分析不同粒度對煤復燃行為特性的影響規律。其中耗氧速率可由公式（1）計算得出，CO 和CO2產生率可由公式（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 為供風量，mL/min；L 為裝煤高度，m；為新鮮風流的氧氣體積分數，其值為21%；分別為入口和出口的氧氣體積分數，%，其中。

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

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煤樣罐中，向煤樣中通入空氣，在系統上設定升溫范圍（20℃～220℃）、升溫速率（0.5℃/min）和供風量（300 mL/min）參數，然后點擊加熱棒開關對煤樣進行升溫，依次對4 組煤樣進行初次氧化試驗。待初次氧化試驗結束后，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，保存數據，關閉系統，試驗結束。

3 試驗結果與分析

3.1 耗氧速率變化規律

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

圖2 耗氧速率隨溫度變化關系

從圖2 可以看出，不同粒度煤樣復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后期參與反應的活性基團和自由基數量和種類不斷增多，煤自燃反應的速率就會加快。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，產生自由基的濃度就越高，煤自燃反應就更劇烈；三是煤樣的粒度越小，氧化反應所需的表觀活化能就越小，煤的燃燒就更容易發生。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 產生率變化規律

根據本次實驗條件測定4 種不同粒度的煤樣在氧化升溫過程中CO 產生率的變化規律，如圖3所示。

圖3 CO 產生率隨溫度變化關系

從圖2 可以看出，混合煤樣二次氧化過程中的CO 產生率介于1#和2#煤樣之間，從整體來看，CO 產生率與溫度的變化成正比，不同粒度煤樣CO產生量均隨著溫度的升高而升高，在氧化反應前期（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后期參與反應的活性基團和自由基的數量和種類不斷增多，煤自燃反應速率加快。同時也可以看出：CO 產生率與粒度的變化成反比，CO 產生率隨煤樣粒度的減小而增大，煤樣粒度越大，產生的CO 體積分數就越小。這主要有以下原因：一是相同質量的煤樣，粒度越小，其比表面積就越大，對參與反應的各物質的吸附能力就越強；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，產生自由基的濃度就越高；三是煤樣的粒度越小，氧化反應所需的表觀活化能就越小，煤的燃燒就更容易發生。

3.3 CO2 產生率變化規律

根據試驗條件測定4 種不同粒度的煤樣在氧化升溫過程中CO2產生率的變化規律，如圖4 所示。

圖4 CO2 產生率隨溫度變化關系

從圖4 可以看出，混合煤樣二次氧化過程中CO2產生率介于1#和2#煤樣之間，整體上CO2產生率與溫度的變化成正比，不同粒度煤樣的CO2產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后期參與反應的活性基團和自由基不斷增多，煤自燃反應的速率就加快。同時也可以看出：對于不同粒度的煤樣來說，CO2產生率隨煤樣粒度的減小而增大，粒度越小，煤自燃過程CO2產生率就越高。這主要有以下原因：一是對于相同質量的煤樣來說，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，產生自由基的濃度就越高；三是煤樣的粒度越小，氧化反應所需的表觀活化能就越小，煤的燃燒就更容易發生。

4 結論

1）在本次試驗條件下，耗氧速率、CO 和CO2產生率隨溫度的變化有著類似的規律，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，反應過程中CO 和CO2產生率的變化介于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燃過程來說，三種特征參數的變化均與粒度成反比。粒度越小，煤樣的比表面積就越大，對氧化反應過程中各物質的吸附能力就越強，從而導致耗氧速率、CO 和CO2產生率就越高。