煤自燃過程中耗氧速率與放熱強度的時空變化規律

關欣杰,李曉龍,鄧 軍

(1.陜西煤業化工技術研究院有限責任公司, 陜西 西安 710065;2.渭南陜煤啟辰科技有限公司, 陜西 渭南 714000;3.煤炭綠色安全高效開采國家地方聯合工程研究中心, 陜西 西安 710065;4.中煤科工集團 西安研究院有限公司, 陜西 西安 710077;5.陜西省煤礦水害防治技術重點實驗室,陜西 西安 710054;6.西安科技大學 安全科學與工程學院, 陜西 西安 710054)

煤的自然發火是困擾煤礦的難題,我國90%以上的煤層有自燃傾向,煤自然發火嚴重威脅人類的身心健康、自然環境和煤礦的安全生產,造成巨大的經濟損失和資源浪費[1]. 煤層發生自燃的原因主要是煤氧復合反應,過程受多因素影響[2-3],因此掌握煤自燃過程中耗氧速率和放熱強度的分布規律對預防煤層自燃與控制起著非常重要的作用。

王建國等[4]通過數值模擬計算,確定了典型松散煤體的自然發火期和高溫區分布狀態。陳曉坤等[5]研制了高溫松散煤體自吸氧試驗裝置,得出了熱對流效應對松散煤體內的熱量傳遞有很大影響。劉文永等[6]研究了松散煤體在恒風量條件下的自燃過程,得出了溫度和氧濃度的時空演變規律。劉垚等[7]基于程序升溫開展了不同氧濃度的煤升溫實驗,探究了不同變質程度煤在變氧條件下基團受氧氣影響的變化特征。李林等[8]從煤自燃過程中高溫點運移和指標氣體2個角度分析了時空變化規律,但是由于受到實驗設備體積限制,不能很好地實現火區自燃過程的實驗模擬;周佩玲[9]重點通過模擬采空區的自燃情況,分析了煤自燃過程中特性參數的變化,但是升溫采用的是主動升溫方式,沒有體現自然升溫發火的實驗特點。本文利用大型煤自燃發火爐,真實模擬煤自然發火的過程(從常溫升至140 ℃),分析煤自燃過程中放熱強度和耗氧速率在時間上和不同區域的差異和規律,以進一步研究煤自燃的多場耦合作用。

1 實驗裝置及過程

1.1 實驗裝置

實驗采用了大型煤自燃發火實驗臺,最大裝煤量為2 t,實驗臺主要包括爐體、氣路裝置和監測系統3部分,爐體呈圓柱形,最大裝煤高度200 cm,內徑120 cm. 頂部和底部分別預留有10～20 cm的自由空間,以保證進出氣均勻,頂部留有排氣口。爐體外壁有保溫層和控溫水層,以保證進氣的溫度與爐內煤樣的溫度大體一致并保持良好的蓄熱環境。爐體結構見圖1.

圖1 煤自然發火實驗爐結構示意

1.2 氣體、溫度的采集與控制

實驗爐體內從距爐底5 cm開始,每隔20 cm橫縱交叉分布測溫探頭,每一個溫度探頭相隔20 cm,并沿中心軸每層設置氣體采樣管,一共分布了131個溫度探頭和40個氣體采樣點,溫度的測點通過計算機自動控制,每30 min自動更新并記錄每個測點的溫度。

1.3 實驗條件與過程

將實驗用煤樣利用鄂式碎煤機碎成標準粒徑,具體粒徑和煤樣基本數據見表1、表2. 實驗開始前檢查爐體的密封性,供風系統和溫度控制監測系統是否正常工作,待確保系統正常運行后,向實驗爐通入在控溫水層預熱后干燥的空氣,從實驗常溫(36 ℃)開始記錄每天氣體數據,直至升至140 ℃結束。

表1 煤樣粒徑

表2 煤樣基本數據

選取實驗過程中高溫點分別分布在不同區域的時間進行分析,中心軸測點高溫區域的運移規律展示見圖2. 可以看出:初期實驗階段,高溫區域并未在氧氣濃度較高的進風一側產生,而是出現在位于煤體上層、氧氣濃度較低的區域。隨著時間的推移和溫度的升高,高溫區域逐漸向進風一側移動。值得注意的是,中心軸的溫度從初始常溫升至75 ℃所需時間約為29天,而從75 ℃升至140 ℃僅需約10天。這表明高溫階段僅占總時間的1/3左右。這一現象表明,在低溫階段,松散煤體主要經歷氧化蓄熱過程,熱量逐漸積累,而這一過程相對較為漫長。然而,當松散煤體達到一定的熱蓄狀態后,便進入了高溫階段。這個高溫階段在松散煤體內部引發了煤氧復合化學反應,從而引起了劇烈的溫度升高。由此得出煤溫的增長在高溫階段發生得更為迅速。

圖2 中心軸測點溫度與高度的關系

2 實驗結果分析

2.1 煤自燃過程中耗氧速率的時空分布規律

氧氣是衡量煤自燃過程的重要指標,爐體內各測點氧氣濃度的變化主要與空氣流動、分子擴散和紊流擴散、煤氧作用耗氧等因素有關。實驗通入新鮮空氣,煤樣進行煤氧復合反應,通過測得煤樣自燃過程中不同測點、不同時間段的氧氣濃度,從而推算出耗氧速率為[10]:

圖3、圖4表示煤自燃過程中隨時間推進的耗氧速率在時間、空間內的演變規律。

圖3 中心軸測點耗氧速率與高度的關系

圖4 中心軸測點耗氧速率與時間的關系

2.1.1 耗氧速率與高度的關系

根據圖3所示,可觀察到在煤溫低于75 ℃時,耗氧速率相對較低。最大耗氧速率分布于遠離進風一側的低氧濃度區域。隨著溫度的逐漸升高,耗氧速率呈遞增趨勢。最大耗氧速率的位置逐漸向進風一側轉移,而低氧濃度區域的耗氧速率始終保持在較低水平。進一步從圖3中得知,不同區域的耗氧速率與其溫度上升速率呈正相關。最大耗氧速率所處的空間位置分布規律與高溫區域的運動規律相一致。在探究松散煤體自燃機制時,耗氧速率與煤體高度之間存在密切聯系。初期實驗階段,位于煤體上層低氧濃度區域的煤體仍然發揮了一定的耗氧速率,盡管相對較低。這可能是由于氧氣與煤體之間的物理和化學作用,即使在低氧濃度環境下,也導致了少量的氧化反應和熱量釋放。然而,隨著時間的推移和溫度的升高,煤體的耗氧速率逐漸增加,尤其是當溫度達到一定閾值后,耗氧速率顯著增強。這一趨勢與高溫區域逐漸向進風側移動的現象相吻合,強化了煤體內部熱氧耦合作用的重要性。

2.1.2 耗氧速率與時間的關系

圖4的實驗結果揭示了耗氧速率與時間之間的密切關系。在低氧濃度區域(離進風側距離遠處),耗氧速率在實驗初期達到峰值,在溫度升高后,高溫區域逐漸往下移動,低氧濃度區域的耗氧速率先降低后緩慢升高并趨于平穩。煤溫在臨界溫度(65～75 ℃)以下時,煤樣的耗氧速度增加緩慢;煤溫超過該溫度后,耗氧速度的增加明顯加快;煤溫超過干裂溫度(90～100 ℃)后,耗氧速度急劇增加。在高氧濃度區域(離進風側距離近處),溫度在100 ℃之前,耗氧速率與溫度成正相關,溫度上升到100 ℃之后,高溫區域移動到進風側處,最底部的耗氧速率達到最大值,煤體的升溫速率加快,松散煤樣接近自燃點。在初始階段,雖然耗氧速率相對較低,但仍然存在持續的氧化過程。隨著時間的推移,煤體內部的化學反應逐漸積累,導致耗氧速率逐漸增強。特別是在高溫階段,煤體內部的氧化反應顯著加速,耗氧速率達到高峰。這一現象與自燃現象的發展趨勢相符,強調了時間對于自燃機制的影響。

2.2 煤自燃過程中放熱強度的時空分布規律

松散煤體的自燃升溫主要是煤氧復合反應和蓄熱環境,實驗煤樣在自燃升溫條件下的放熱強度和周圍環境的散熱條件相比,當放熱強度大于煤樣散失的熱量時,實驗煤體就會升溫。

在煤樣自燃升溫過程中,測定實驗煤體各點的溫度和控制中心點的氧濃度,根據能量守恒原理,應用傳熱學的方法,推算出煤放熱強度測算公式[11]:

圖5,圖6表示煤自燃過程中隨時間推進的放熱強度在時間、空間內的演變規律。

圖5 中心軸測點放熱強度與高度的關系

圖6 中心軸測點放熱強度與時間的關系

2.2.1 放熱強度與高度的關系

從圖5可以看出,在煤溫達到臨界溫度之前,溫度上升緩慢,且放熱強度低,放熱強度的峰值主要聚集在煤體上部,低溫條件下放熱強度較平穩。這是由于煤體上部初期蓄熱環境較好,熱量聚集,放熱強度較高。煤溫增加,放熱強度整體增強,且高溫點的放熱強度與煤體其他區域放熱強度差距更大。進風側的放熱強度會首先達到自燃點,放熱強度所在區域逐漸向進風側移動,出現順序跟高溫區域的變化順序相吻合?？拷M風口的中下部區域,由于其較為有利的蓄熱條件和高氧濃度環境,溫度升高速度較快。值得特別關注的是,當溫度超過一定臨界值,如75 ℃,進風側煤體高度2/10范圍內的溫度將會急劇上升,形成高溫區域,從而加大了自燃的風險。隨著高度的增加,煤體的蓄熱能力顯著增強,放熱強度逐漸上升。這為高溫區域的形成提供了能量基礎,也加劇了煤體內部復雜耦合作用。

2.2.2 放熱強度與時間的關系

從圖6可以看出,實驗初期,放熱強度趨于平穩,上升速度緩慢,放熱強度的峰值主要聚集在煤體上部,這是由于實驗初期煤體上部的漏風強度較小,熱量聚集更好;隨著溫度的增加,放熱強度峰值逐漸向下移動,上部放熱強度在臨界溫度之前有輕微下降,煤溫超過臨界溫度之后,放熱強度驟增,且越接近進風口,臨界溫度后的放熱強度增加的速率越快,前后的放熱強度的差值越大。需要注意的是,松散煤體內部存在著相當復雜的耦合作用,這更加增加了自燃現象的難以預測性。具體來說,空氣滲流場、氧濃度和溫度場這三者相互交織,呈現出非穩態的變化狀態。在自燃的初始階段,大量松散煤體與氧氣接觸,由此產生的物理和化學吸附作用會釋放少量熱量。然而,由于煤體的導熱性較差,這些熱量會逐漸積累,促使更多的化學反應加速進行,進而釋放更多的熱量。這種情況形成了一個正反饋的循環,推動自燃現象的傳播與發展。

3 結 論

1) 自燃過程中,松散煤體的高溫點首先出現在煤體上部約7/10位置,低于臨界溫度(約75 ℃)時移動緩慢;超過臨界溫度后,迅速向進風側高氧濃度區域移動,煤層底部首先達到自燃點。

2) 煤體的耗氧速率在初期緩慢上升,隨溫度逐漸向下移動時有所下降。煤體上部耗氧速率增加幅度較小,而進風側高氧濃度區域耗氧速率增加幅度較大。

3) 煤體的放熱強度與高溫點運移一致。進風側的放熱強度前后跨度大,首先達到自燃點。實際觀測中可根據探測煤層高溫點的位置判斷放熱強度的峰值,研究結果對實際工程的使用更有針對性和方向性。