粒徑不同條件下煤氧化升溫規律試驗研究

李曉琳

(晉能控股煤業集團 四老溝礦，山西 大同 037000)

工作面回采結束后形成大面積的采空區，在采空區內部充滿了粒徑大小不一的煤巖顆粒，從而形成多孔介質區域，很容易發生遺煤自然發火[1-3]。所以對煤自然發火氧化升溫規律進行研究的意義重大，可為治理采空區遺煤自然發火提供重要依據。

為此，我國科研工作者開展了大量的試驗研究，并取得一定的成果。賈廷貴等[4]在神東布爾臺42201-1工作面采集煤樣、開展熱重(TG)和差示掃描量熱法(DSC)試驗，分析煤在氧化階段失重與放熱規律與水分含量之間的關系，試驗結果表明：增加煤體水分可提高煤體溫度升高所需的熱量，減緩熱量傳遞速率，從而降低煤自燃熱傳導特性；何瑾瑤等[5]借助差示掃描量熱法(DSC)對粒徑大小不一的煤發生低溫氧化過程進行研究，發現煤在氧化時的熱演化規律為由吸熱過程逐漸轉化為放熱過程，粒徑越小越能夠加快煤氧化放熱，同時活化能也開始減少，小粒徑的煤自然發火危險性在升高；文虎等[6]借助程序升溫法在色連3號礦對5種不同粒徑的煤開展研究，發現當空氣流量改變時，小粒徑煤樣的耗氧量變化最敏感，而且空氣流量低、粒徑小的煤樣反應活化能最小；鄧軍等[7]借助煤自燃程序升溫試驗裝置，研究在低溫氧化時，粒徑大小不一的煤樣氣體產物與耗氧速率隨溫度的變化規律，發現煤樣粒徑越大，活化能越大的規律。

然而，以上科研工作者進行研究時，沒有充分分析覆巖以及保護煤柱形成的軸向應力對工作面采空區中粒徑大小不一的煤所產生的影響，進而影響遺煤的裂隙結構、滲透率等參數[8-9]，改變煤的自然發火氧化過程[10-11]。所以，此次試驗借助氣相色譜儀及荷載加壓裝置研究煤的氧化升溫規律，為指導礦井治理采空區遺煤自然發火提供理論依據。

1 試 驗

1.1 制作煤樣

晉能控股煤業集團四老溝礦所開采煤層的自燃傾向性為Ⅱ類自燃，吸氧量為0.67 cm3/g干煤，最短自然發火期為86 d。

選用四老溝煤礦較低變質程度的煙煤作為試驗煤樣，表1為煤樣的元素和工業分析結果。在采煤工作面采集新鮮暴露煤樣，立即采用保鮮膜密封包裹，在試驗室氮氣環境下拆開煤樣包裝，選擇煤樣內芯粉碎，篩選得到0.6～2.0 mm、2.0～6.0 mm、6.0～10.0 mm共3個粒徑尺寸的煤樣，命名為A、B、C煤樣[12-14]，立即放到真空干燥箱進行48 h干燥[15-16]，避免水分影響煤樣的氧化升溫反應。

表1 工業分析結果

1.2 試驗過程

試驗設備包括氣相色譜儀、荷載加壓煤自燃特性參數測定裝置，如圖1所示。

圖1 試驗設備圖

在反應釜的上蓋安裝熱電偶，以測定試驗時煤樣的溫度，設置反應釜1 ℃/min的升溫速率。因反應釜的外層存在升溫加熱套，加之反應釜整體面積不大，判定煤樣在升溫加熱階段受熱均勻[17]。

向高壓氣瓶內充裝干空氣，設置氣體流量為1 200 mL/min，壓力為0.3 MPa。

氣相色譜儀主要作用是將反應釜出口氣體濃度完整記錄。

試驗過程：

1) 加裝煤樣。把活塞下調到最低點，在反應釜內放進0.8 kg煤樣，要求煤樣平鋪均勻，保證活塞與煤樣的底部面積基本一致，蓋住上蓋，然后將高壓氣瓶閥門打開。

2) 設置單軸應力。旋轉液壓裝置，將單軸應力設置為5個檔次：0 MPa、2 MPa、4 MPa、6 MPa、8 MPa、10 MPa，控制進入反應釜的氣體壓力和流量。

3) 設置升溫程序。觀察應力表和氣體流量計，等待讀數平穩30 min之后，啟動程序升溫裝置加熱煤樣，同時記錄活塞位移情況。

搜集氣體數據。觀察溫度，間隔10 ℃，把從反應釜出口氣體通入1次氣相色譜儀；如果煤樣升溫速度加快，間隔12 min 1次。

2 自燃氧化升溫特征

2.1 升溫速率特性

依據煤樣升溫速率、煤樣溫度、加熱時間三者之間的計算公式，具體見公式(1)，獲得煤樣在單軸應力不同條件下，隨溫度不斷增大升溫速率的變化規律，具體如圖2所示。

(1)

式中：v為升溫速率，℃/s；θ為溫度，℃；t為加熱時間，s。

在單軸應力不同條件下，粒徑不同煤樣隨溫度不斷增大，升溫速率變化呈現規律基本相同，具有先增大之后下降的特點。出現這一現象的原因是：試驗裝置在加熱煤樣升溫時，裝置中的氧氣與煤進行氧化反應同時釋放出熱量，使得煤樣溫度很快增大；伴隨溫度不斷增大，煤樣的氧化反應逐漸達到平衡狀態，放熱量趨于穩定，受到試驗裝置的限制，煤樣溫度波動不大，升溫速率開始下降。

在單軸應力由2 MPa增加到8 MPa時，煤樣的最大升溫速率伴隨煤樣粒徑升高，表現為先升高之后下降的變化規律。原因是：粒徑較小，與氧氣接觸范圍較大，反應速率加快，釋放出的熱量較多，使得煤樣氧化升溫時最大升溫速率呈現升高趨勢；伴隨粒徑增大，在單軸應力的作用下，煤樣發生擠壓，再次形成孔隙和裂隙，然而壓裂過程中所形成的粒徑很小的顆粒充填到孔隙和裂隙之中，使得煤與氧氣的接觸面積相對減小，最大升溫速率開始減緩；在10 MPa單軸應力作用下，隨煤樣粒徑增大，最大升溫速率在升高，原因是：當單軸應力達到10 MPa時，粒徑較大煤樣被壓縮形成二次破裂，接觸面積再次增大，最大升溫速率開始增高。

圖2 隨溫度升高煤樣升溫速率變化規律圖

2.2 耗氧速率特性

結合公式(2)對試驗數據進行處理，得到在單軸應力不同條件下隨著溫度的不斷升高，煤樣耗氧速率的變化曲線，如圖3所示。

(2)

圖3 煤樣耗氧速率變化曲線圖

在升溫過程中，粒徑不同的煤樣耗氧速率表現為先加速升高之后逐步升高的規律，原因是：煤樣剛開始氧化時，參與反應的基團在持續不斷活化過程中，將反應釜內的大量氧氣消耗，在激活自由基鏈式反應之后，產生熱量加快氧化反應，加快了氧化反應速率，從而很快升高耗氧速率；伴隨溫度增大，逐步將參與反應的基團活化，氧化反應逐步達到平衡狀態，氧氣含量逐步達到平衡，但因氧化反應的作用，煤樣本身形成很多孔隙和裂隙，和氧氣的接觸區域增大，導致煤樣小幅度增大耗氧速率，呈現逐步升高的變化規律。隨著單軸應力的增大，粒徑大小不同的煤樣耗氧速率在升高，原因是：單軸應力增大，導致煤樣顆粒相互擠壓明顯，擴大了接觸面積以及活性位點，同時因單軸應力的增大，減少表面活性基團化學鍵破斷所需的鍵能，增加了自由基數目，使得升溫時鏈式反應消耗更多的氧氣。

2.3 產熱速率特性

結合公式(3)對試驗數據進行處理，得到在單軸應力不同時，隨溫度不斷升高，煤樣產熱速率的變化曲線，具體如圖4所示。

圖4 煤樣產熱速率變化曲線圖

(3)

式中：Qt為煤樣產熱速率，J/s；m為煤樣質量，kg；Cp為恒壓比熱系數，J/(kg·K)；T為煤樣熱力學溫度，K；s為反應釜橫截面積，0.007 85 m2；λ為煤樣導熱系數，W/(m2·K)；γ為反應釜進口氣體質量流量，1.61×10-6kg/s；TL為反應釜加熱裝置溫度，K。

在升溫時，粒徑不同的煤樣產熱速率表現為先平穩不變接著升高再下降的變化規律，原因是：溫度0～100 ℃時，煤樣與氧氣反應，主要表現為物理吸附吸熱和化學吸附放熱，吸熱量和放熱量基本平衡，因此煤樣產熱速率變化幅度很??；伴隨溫度增加，在加熱時，參加反應的各種基團逐步被激活，處于供給充足氧氣環境條件的大量活化基團很快氧化，煤樣與氧氣反應速率得到加快，釋放更多熱量；隨著活性基團氧化反應后逐步減少，向環境中釋放的熱量也在降低。

在10 MPa單軸應力作用下，B煤樣處于溫度0～100 ℃時產熱速率低于零，原因是：此時煤樣形成很多自由基，物理吸附作用得到加強，導致煤樣發生物理吸附作用時吸收熱量大于化學吸附作用時放出熱量。

在單軸應力作用下，A煤樣的最大產熱速率比無單軸應力作用時小，B煤樣在2 MPa、6 MPa、8 MPa單軸應力作用下最大產熱速率比無單軸應力作用時大，C煤樣在2 MPa、8 MPa單軸應力作用下的最大產熱速率比無單軸應力作用時大，說明：伴隨煤樣粒徑不斷增大，煤樣在一定的單軸應力影響下最大產熱速率比未施加單軸應力時大。原因是A煤樣自身粒徑較小，當單軸應力施加之后，呈現松散堆積狀態的煤樣接觸面積減小，僅有一小部分的活性基團發生氧化，氧化反應強度較弱，使得釋放出的熱量比松散煤樣小；在增大煤樣粒徑時，施加單軸應力后B和C煤樣發生各種形式的破裂和擠壓，使得煤樣氧化時孔隙、裂隙和活性基團不斷增多，氧化強度得到提高，加快了最大產熱速率。

3 結 語

1) 在單軸應力作用下，粒徑不同的煤樣升溫速率變化趨勢基本相同，表現為先升高再減少趨勢。當2 MPa、4 MPa、6 MPa、8 MPa單軸應力作用下，最大升溫速率伴隨煤樣粒徑不斷增大而先升高再減少；但在10 MPa單軸應力作用下，隨煤樣粒徑不斷增大，最大升溫速率卻在升高。

2) 在升溫時，隨單軸應力的增大，粒徑不同的煤樣耗氧速率表現為先迅速升高后逐步增大，整體為一直升高的變化規律。

3) 在升溫時，粒徑不同的煤樣產熱速率變化趨勢為初始階段較平穩、之后升高、最后下降；伴隨煤樣粒徑不斷增大，煤樣在一定的單軸應力影響下最大產熱速率比未施加單軸應力時大。