不同氧氣濃度下采空區煤自燃極限參數研究

高江濤，冉小波，楊 博

(1.山西潞安集團 左權阜生煤業有限公司，山西 晉中 032600；2.復恒(重慶)科技有限公司，重慶 400000; 3. 西安科技大學 安全科學與工程學院，陜西 西安 710054)

煤礦自燃火災事故頻發，甚至引發瓦斯爆炸，造成重大財產損失和人員傷亡，嚴重威脅礦井安全生產[1-2]。煤自燃火災主要發生在采空區，具有一定的隱蔽性，燃燒熱量散失難，防控難度高且易復燃[3]，因此，研究煤自燃發生的特點及臨界條件成為學者們研究的熱點[4-6]。導致煤自燃發生的外部臨界條件主要有最小浮煤厚度、下限氧濃度和上限漏風強度，統稱為煤自燃極限參數[7]。徐精彩采用熱平衡法得到采空區煤自燃極限參數計算方法，計算確定煤自燃極限參數[8]。煤變質程度和粒度降低，氧化放熱量升高，煤自燃極限參數向易發生煤自燃危險的方向變化[9-10]。阻化劑處理后煤樣的氧化放熱性降低，最小浮煤厚度和下限氧濃度顯著升高，上限漏風強度降低，煤自燃風險降低[11]。

基于機器學習提出煤自燃極限參數的預測方法[12]，在采空區內漏風風流速度隨埋入深度、壓實度和阻力作用逐漸降低，同時漏風流通過程中與遺煤發生接觸，風流中的氧氣分子與煤中活性結構發生反應不斷被消耗，氧氣濃度也不斷降低。隨著埋入采空區深度不斷增大，環境中的氧氣濃度逐漸降低，明顯影響煤自燃過程[13-17]，但對采空區低氧環境下煤自燃極限參數變化特征研究較少，這不利于對煤自燃危險性的確定、危險區域的判定及高效防治。因此，選擇山西阜生煤礦煤樣為對象，采用煤自燃特征模擬測試，得到采空區不同氧氣濃度下遺煤自燃氧化耗氧和放熱特征，通過計算得到煤自燃極限參數，揭示采空區低氧環境中煤自燃極限參數變化規律，有利于采空區煤自燃危險區域判定和自燃隱患的早期控制。

1 實驗系統及過程

1.1 實驗煤樣的制備

實驗煤樣采自山西阜生煤礦，工業分析結果見表1。樣品的真密度為1.39 g/cm3，視密度為1.30 g/cm3，孔隙率F為6.47%.采集得到的新鮮煤樣進行封閉，隔絕氧氣運輸到實驗室，首先剝離煤樣表面氧化層，之后將煤樣破碎并篩分為5個粒徑范圍(0～0.9 mm，0.9～3 mm，3～5 mm，5～7 mm，7～10 mm)，從5個粒徑范圍各取200 g進行混合，模擬采空區內松散煤體，每個樣品重1 kg。

表1 煤樣工業分析

1.2 實驗裝置及條件

煤自燃程序升溫裝置如圖1所示。實驗裝置主要由溫度控制部分、氣體供給部分、煤樣氧化反應罐和色譜分析部分等組成，煤樣反應罐裝煤量為1 kg。氣體由煤樣反應罐下部通入，與煤樣反應后流入反應罐上部銅管排出，在銅管出口采集氣體樣品進行色譜分析。不同氧氣濃度氣體采用配氣裝置進行配比實驗，氧氣濃度分別為：21%、17%、13%、9%和5%，實驗供氣量為100 mL/min，升溫速率為0.3 ℃/min，煤樣的氧化升溫范圍為20～170 ℃，每隔10 ℃采集氣樣對煤自燃氣體進行色譜分析。

圖1 程序升溫實驗裝置

2 煤氧化的耗氧和放熱特征

2.1 煤氧化耗氧速率

在煤自燃程序升溫實驗過程中，煤氧化耗氧特征是煤氧化反應強弱的關鍵參數。鄧軍等采用大型煤自燃發火實驗得到煤低溫氧化過程中耗氧速率的計算方法，如公式(1)所示[18]：

(1)

根據公式(1)計算、繪制煤樣低溫氧化的耗氧速率變化曲線，如圖2所示。

圖2 煤低溫氧化過程中耗氧速率曲線圖

由圖2可知，在實驗一開始，煤樣接觸氧氣，煤氧化溫度較低，環境中的氧氣首先在煤樣內部孔隙的表面發生單層的物理吸附，在逐漸飽和之后，一部分氧氣與煤表面的活性結構發生化學吸附和緩慢的化學反應，此時煤氧化的耗氧量較低。隨煤樣氧氣溫度逐漸升高，煤中活性結構逐漸被活化，且環境中活化氧氣分子數也不斷增加，使得煤氧化反應速率逐漸增大，煤氧化耗氧速率隨煤氧化溫度升高緩慢增大。當煤氧化溫度超過臨界溫度后，煤中活性結構活化速度加快導致煤氧化耗氧速率增速加快，特別是煤氧化溫度超過100 ℃后，煤進入快速氧化階段，氧氣與活性結構反應產生大量中間產物，進一步加速煤的氧化反應，環境中氧氣濃度降低導致煤氧化耗氧速率顯著減慢。這主要是由于氧氣濃度降低使氧氣在煤表面物理吸附動力降低，抑制了化學吸附和化學反應，同時也使環境中活化氧氣分子數降低，抑制了活化氧氣分子與活化結構的反應機率，抑制煤的氧化反應。在實驗開始階段，環境中不同氧氣條件對煤氧化耗氧速率差別較小，這因為實驗開始階段煤氧化需氧量較小，造成低氧環境下對煤氧化抑制作用較小。隨煤氧化溫度升高，煤氧化耗氧量逐漸增大，這使得低氧環境對煤氧化反應的抑制作用更加明顯，氧氣濃度越低則耗氧速率降低幅度越大。

2.2 煤氧化的放熱強度

根據煤樣低溫氧化試驗，得到煤樣氧化耗氧、一氧化碳和二氧化碳產生率等數據，松散煤體放熱強度q的計算見公式(2)[9-10]：

q=qa(v1-v2-v3)+v2(h1+△h1)+v3(h2+△h2)

(2)

式中：qa為在煤低溫氧化過程中煤樣表面活性結構化學吸附氧的化學吸附熱，J/mol；v1為煤樣氧化溫度為T時煤低溫氧化時耗氧速率，mol/s；v2、v3分別為煤樣氧化溫度為T時CO和CO2的產生速率，mol/s；h1、h2分別為煤氧化過程中在標準情況下CO和CO2的標準生成熱，J/mol；△h1、△h2分別為CO和CO2在標準大氣壓、煤樣氧化溫度為T時與標準生成熱的差值，J/mol。

經計算，得到試驗煤樣氧化的放熱強度，見圖3。

圖3 煤低溫氧化過程中的放熱強度曲線圖

由圖3可知，阜生煤礦煤樣的低溫氧化自燃是一個從物理吸附到化學反應的逐漸加速過程。在實驗一開始，煤氧化溫度較低，煤分子中的活性基團較少，煤與氧氣反應速度較低，導致煤的氧化放熱強度較低。隨煤氧化溫度不斷升高，煤中活性結構逐漸活化，參與到煤氧化釋放熱量。在煤氧化溫度超過臨界溫度(80～90 ℃)后，達到了一些活性較高的結構的活化溫度，被大量活化，參與煤的氧化反應，使煤氧化放熱量開始顯著升高。煤氧化溫度越高，被活化參與煤氧化的活性結構種類和數量就越多，造成煤氧化反應放熱增速隨煤氧化溫度上升而逐漸升高。在實驗開始階段，煤氧化溫度較低，主要發生氧氣在煤表面的物理化學吸附及與活性結構緩慢的化學反應，降低氧氣濃度對煤氧化放熱量影響較小。隨煤氧化溫度升高，煤中活性結構與氧氣之間的化學反應逐漸增強，特別是煤氧化溫度超過臨界溫度之后，大量活性結構被活化，煤氧化耗氧量顯著升高(見圖2)，造成低氧環境對煤氧化放熱量產生的抑制作用愈加明顯。溫度越高，氧氣濃度越低，煤氧化放熱量降低幅度越大。降低氧氣濃度會導致環境中活化氧氣分子數顯著減少，煤中活化結構與氧氣接觸機會減少抑制煤氧化反應，因此，低氧環境對煤氧化放熱的抑制作用會隨煤氧化溫度升高而不斷升高。

3 煤自燃極限參數

3.1 極限參數

采空區內煤自燃會受到煤自燃傾向性及外界環境的共同作用，在煤自燃特性和外界條件同時滿足時，煤才有可能發生自燃[19]。滿足采空區內遺煤自然發火的外在條件主要有遺煤自燃最小浮煤厚度、極限氧濃度和下限漏風強度，統稱為煤自燃極限參數[7,11]。

hmin=

(3)

(4)

(5)

3.2 最小浮煤厚度

采空區煤體漏風強度為0.025 5 cm/s時，不同氧氣濃度下采空區遺煤自燃最小浮煤厚度變化規律見圖4。

由圖4得到，阜生礦煤樣自燃的最小浮煤厚度隨煤氧化溫度上升呈現先上升后下降的趨勢，最小浮煤厚度的最大值出現在50～60 ℃，在煤樣氧化溫度超過60 ℃之后，最小浮煤厚度隨煤氧化溫度升高而不斷降低。浮煤厚度是影響松散煤體氧化蓄熱的關鍵因素，最小浮煤厚度代表能使得松散煤體放熱蓄積導致煤溫不斷升高的最小堆積厚度。在煤氧化臨界溫度之前，煤氧化放熱量低，而隨煤氧化溫度升高導致與環境溫差增大，使煤與環境之間的散熱量增大，氧化放熱量隨煤氧化溫度升高增大量不足以彌補散熱量增大量，因此，最小浮煤厚度隨溫度升高逐漸增大。在氧化溫度接近臨界溫度附近時，氧化放熱量顯著增大，隨溫度升高，氧化放熱量增長率會顯著升高，氧化放熱量增速逐漸超過散熱量的增速，這使得最小浮煤厚度在臨界溫度附近達到最大值，之后隨煤氧化溫度升高而逐漸下降。降低氧氣濃度會顯著抑制煤的氧化放熱，這造成相同條件下煤氧化蓄熱需要的浮煤厚度顯著增大，因此環境中氧氣濃度降低，煤自燃的最小浮煤厚度逐漸增大。

圖4 不同氧氣濃度煤自燃的最小浮煤厚度曲線圖

3.3 下限氧氣濃度

遺煤厚度在120 cm時不同氧氣濃度下，采空區遺煤自燃下限氧氣濃度變化規律如圖5所示。

圖5 不同氧氣濃度時煤自燃下限氧氣濃度曲線圖

由圖5可知，不同氧氣濃度條件下阜生煤礦煤體自燃下限氧氣濃度隨煤氧化溫度升高與最小浮煤厚度變化規律相似，均為先升高后降低，也是煤氧化放熱量和散熱量隨煤氧化溫度升高之間的相互作用導致的。環境中氧氣濃度降低使煤氧化放熱量降低抑制煤的自燃，圖5中不同氧氣濃度條件下煤自燃下限氧氣濃度為該氧氣濃度條件下煤自燃需要的最低氧氣環境。環境中氧氣濃度小于煤自燃下限氧氣濃度時，環境中氧氣濃度不足，煤氧化放熱量小于環境中的散熱量，不能使煤溫升高而發生自燃。環境中氧氣濃度為21%時煤自燃下限氧氣濃度為9.8%，此時煤存在自燃風險；環境中氧氣濃度降低至13%時，煤自燃下限氧氣濃度升高到18.6%，在此條件下煤自燃難以發生。因此，在采空區煤自燃火災防治過程中，可將采空區氧氣濃度降低到煤自燃下限氧氣濃度之下，實現煤自燃火災的有效防治。

3.4 上限漏風強度

采空區松散遺煤的厚度在120 cm時，不同環境氧氣濃度條件下松散遺煤自燃上限漏風強度變化規律如圖6所示。

圖6 不同氧濃度時煤自燃上限漏風強度曲線圖

漏風強度是影響煤氧化放熱量蓄積的關鍵因素，漏風強度越高，帶走松散煤體氧化放熱量越大。由圖6可知，阜生礦煤樣自燃上限漏風強度隨煤氧化溫度升高為先降低后升高的趨勢，最小值處在煤自燃臨界溫度點。在臨界溫度之前松散遺煤氧化放熱量隨氧化溫度升高增加速度較慢，不足以彌補因煤氧化溫度升高導致漏風帶走熱量的增大，導致上限漏風強度呈降低趨勢。松散遺煤氧化溫度超過臨界溫度之后，遺煤氧化反應強度顯著升高，放熱量隨煤溫升高增速逐漸超過了漏風量帶走的熱量，上限漏風強度隨煤溫升高而逐漸升高。降低氧氣濃度，抑制煤樣的氧化放熱，相同條件下煤氧化蓄熱所需的漏風上限降低，不利于煤氧化放熱量的蓄積。因此，降低采空區環境中的氧氣濃度可明顯降低采空區松散遺煤氧化自燃風險。

4 結 語

1) 隨著氧氣濃度降低，煤自燃氧化耗氧速率和放熱量明顯降低，煤氧化耗氧量和氧化反應速率隨煤氧化溫度升高不斷增強。

2) 不同氧氣濃度條件下煤樣自燃極限參數中的最小浮煤厚度及下限氧氣濃度隨煤氧化溫度上升表現為先增大后減少的趨勢，最大值在煤自燃臨界溫度時達到，而煤自燃上限漏風強度呈現相反的變化趨勢，在煤自燃臨界溫度附近達到最小值。

3) 降低氧氣濃度，煤自燃極限參數向抑制煤自燃發生的方向變化。煤自燃的最小浮煤厚度和下限氧氣濃度升高，煤自燃上限漏風強度降低，將環境中氧氣濃度降低到下限氧氣濃度之下，可有效防治煤自燃火災事故的發生。