煤自燃发火潜伏期不同温度下耗氧特性的研究*

李宗翔，刘　宇, 张明乾, 吴邦大

(1.辽宁工程技术大学 安全科学与工程学院，辽宁 阜新 123000;2.矿山热动力灾害与防治教育部重点实验室，辽宁 阜新 123000)

consumption experiment

0　引言

长期以来，采空区自然发火一直是威胁煤矿安全生产的重要因素，根据以往的经验，煤的变质程度越高则自燃倾向性越小[1]。预防采空区自燃的首要工作是对采空区进行自燃“三带”的划分[2-3]，而确定窒熄带临界氧浓度是进行采空区自燃“三带”划分的重要内容之一，现场通过埋管测氧浓度的方法可以测定某一采空区窒熄带氧浓度，实验室一般通过对煤样进行程序升温实验测定煤的耗氧特性[4-5]，常温封闭耗氧实验方法测定窒熄带临界氧浓度近年来也逐渐得到发展[6-8]。随着煤矿开采深度的增加，地层温度也逐渐的升高，地层温度的变化对采空区自燃倾向的影响不容忽视，某些常温不易自燃的煤在较高的地温下显现出易自燃倾向，这种情况将会缩短煤的自然发火期并且会增加采空区的自然氧化带宽度，助长采空区自燃危险的发生，因此研究煤自燃潜伏期的自燃特性成为关键问题。为了研究煤样自燃潜伏期的自燃特性，对长平矿3#煤样进行不同温度下的封闭耗氧实验，得到氧气浓度和CO浓度随时间变化的关系，并通过参数反演得到自燃潜伏期不同温度下的氧气消耗速度和CO生成速度，同时确定不同温度下耗氧参数和CO生成参数[9-10]。为进一步探究煤在不同温度耗氧参数下采空区内的自然氧化带宽度的变化，将封闭耗氧实验得到的耗氧参数带入到Fluent中进行采空区流场的数值模拟实验[11-16]。直观呈现地温对采空区窒熄带临界氧浓度以及位置变化的影响，为现场预防采空区自燃发火提供理论依据。

1　封闭耗氧实验方法

封闭耗氧实验方法是将煤样封闭在容器内，通过气泵循环容器内空气，并实时监测记录容器内氧气和CO浓度的方法。实验方法在文献[6-8]中均有介绍 ，实验环境的温度可以通过恒温箱进行调节。封闭耗氧状态下，氧气浓度不断下降，最终趋于稳定值cb。密封罐内氧气浓度c(τ)近似服从负指数函数分布。即 ：

c(τ)=cb+(c0-cb)·e-λC·τ

(1)

式中：c(τ)为密封罐内随时间变化的氧气浓度，mol/L；c0为氧气初始浓度，mol/L；λc为氧浓度衰减率，s-1；τ为氧化时间，s；cb为煤在封闭环境下氧化的最低氧浓度，mol/L。

γ=-λC·(c0-cb)e-λC·τ

(2)

由(1)解出τ带入(2)可得 ：

γ=-λC(c(τ)-cb)

(3)

封闭容器中CO体积分数为：

cCO(τ)=BCO-ACOe-μCcτ

(4)

式中：μC为体积CO浓度增长系数，s-1；ACO为回归系数，代表最终CO体积分数，BCO为数据偏移量。

CO生成速度γCO为：

(5)

或写作：

γCO=44.642 9μC(BCO-cCO(τ))

(6)

对于堆积状态的松散煤体，其耗氧速度跟氧浓度成正比；CO生成速度与CO浓度成正比，且呈负相关性。由公式(1)～(6)可得到煤样随时间变化的耗氧速度和CO生成速度以及氧浓度衰减系数和CO浓度增长系数。

2　自燃潜伏期煤的封闭耗氧实验结果

为了研究温度变化对煤氧化自燃过程的影响，选取长平矿3#煤样，分别在20，30，40，50℃及60℃的温度条件下，进行煤样的封闭耗氧实验，实验的气体浓度变化原始记录如图1所示。

图1　不同温度下长平矿3#煤样的气体浓度曲线Fig.1　Changping Mine 3# coal gas concentration curve under different temperature

从图1(a)可以看出，长平矿3#煤样随温度从20℃增加到60℃，氧气浓度衰减趋势整体呈现增强趋势，最终趋于稳定的氧浓度值(窒熄带氧浓度临界值)随温度增加而下降，分别为16.8%，15.7%，15.2%，13.8%，12.4%。

从图1(b)可以看出，长平矿3#煤样随温度从20℃增加到60℃，CO浓度的增长速度随温度增加而加快，最终趋于稳定。趋于稳定的CO浓度分别为104.76，129.49，212.55，359.04 mg·m-3，60℃时由于CO浓度超过量程(512 mg·m-3)，按发展趋势预计在614.4 mg·m-3左右。

3　煤样耗氧速度及CO生成速度的对比分析

在不同温度的封闭耗氧实验条件下，氧浓度变化曲线呈自然衰减，CO浓度变化曲线呈现自然增加，以自然衰减曲线及自然增长曲线分别对氧浓度变化曲线及CO浓度变化曲线做拟合，分别得到氧浓度变化曲线及CO浓度变化曲线。拟合结果见表1。

表1　长平矿3#煤样不同温度下的拟合结果

耗氧速度可以反映煤氧复合能力即耗氧能力，CO生成速度是煤氧复合CO生成能力的直接表现，这2个参数都是煤矿火灾防治的重要参数[9-10]。长平矿3#煤样不同温度下的封闭耗氧实验得到的耗氧速度及CO生成速度随各自浓度的变化关系如图2所示。

图2　长平矿3#煤样不同温度的耗氧速度、CO生成速度对比Fig.2　Oxygen consumption rate and CO generation rate at different temperatures of 3# coal in Changping Mine

从图2可以看出，不同温度下煤的耗氧速度随氧浓度线性增加，温度较低时耗氧速度较小且受氧浓度变化的影响不明显。温度较高时，煤的耗氧速度受到氧浓度变化影响较明显，且温度越高，影响越明显；CO生成速度随CO浓度的增加线性递减，低温时CO生成速度较慢且随CO浓度变化的斜率基本一致。温度升高，CO生成速度加快且斜率变大。

氧浓度与耗氧速度呈线性关系，分析其原因，煤与氧低温阶段(低于70℃)反应主要气体产物是CO和CO2，从化学动力学来看，该反应属于气固表面反应，反应方式如下：

O2+2C→2CO

(7)

O2+C →CO2

(8)

由质量作用定律知，反应的速率方程可表示为：

γ=k[O2]

(9)

式中：γ为反应速率，mol/(min·L)；k为速率常数；[O2]为氧浓度，mol/L。

因此，从气固表面反应的化学动力学角度分析，低温条件下煤氧复合反应耗氧速度与氧浓度呈线性关系，而CO生成速度与氧浓度呈正比，因此CO生成速度与CO浓度也呈线性关系。耗氧速度及氧浓度关系曲线的斜率作为耗氧衰减系数，反映了氧浓度衰减的快慢，温度不同，该参数也不同；同理，CO浓度增长系数反映了煤氧化生成CO的快慢，煤氧化的环境温度不同，该参数也不同。从拟合结果得到不同温度下煤样的氧浓度衰减系数及CO浓度增长系数，其关系如图3所示。

图3　长平矿3#煤样不同温度下的气体浓度系数曲线Fig.3　Changping Mine 3# coal samplecoal gas concentration coefficient curve under different temperature

图4　数值模拟不同温度的采空区自然氧化带Fig.4　Numerical simulation of natural oxidation zone of goaf with different temperature

从图3(a)可以明显地看出，不同温度下长平矿3#煤样的氧浓度衰减系数λC呈指数增长，20℃的衰减系数最小为0.000 481 2 min-1，30，40，50℃及60℃的衰减系数分别为20℃的1.04，1.21，1.74倍和3.15倍；从图3(b)可以明显地看出，不同温度下煤样的CO生成系数μc也不同，20℃的生成系数最小为0.000 404 min-1，30，40，50℃及60℃的生成系数分别为20℃的1.04，1.15，1.39倍和2.21倍。分析其原因，煤与氧的结合反应需要一定的温度，温度低时，只有部分氧气分子及煤体内的活性物质达到反应所需活化能，发生煤的氧化反应，而产生的热量也只能引发少量的氧气分子与煤体内的活性物质继续发生氧化反应，因此其氧浓度衰减系数及CO增长系数低。 温度的升高，使更多的氧气分子与煤体内的活性物质达到反应所需的活化能，氧的消耗及CO的生成越来越激烈，因此，高温时，耗氧速度和CO生成速度加快，氧浓度衰减系数及CO增长系数就相对较高[17-19]。

4　不同地温采空区自然氧化带宽度对比

为探究在不同地温条件下采空区内的自然氧化带宽度的变化，以长平矿工作面为原型建立模型并应用Fluent软件计算采空区流场。长平矿工作面长度为236 m，工作面采高6 m，进、回风巷宽度均为5 m，采空区深度为400 m，采空区高度设置为25 m，进风风量为2 600 m3/min。模型中的耗氧源项由上文的耗氧系数确定并根据采空区内氧浓度的变化而变化[14]。将封闭耗氧实验得到的煤样在不同温度下的耗氧系数以及窒熄带氧浓度临界值参数应用UDF功能代入到Fluent软件中进行采空区流场模拟。模拟得到环境温度为20～60℃的采空区氧浓度分布情况，如图4所示。关于Fluent模拟的控制方程及参数的设置方法在文献[14]中均进行了详细的介绍。其中采空区内部为多孔介质，根据“O”型圈理论设置采空区内孔隙度，采空区三维孔隙度分布公式如下：

Kp(x,y,z)=Kp,min+[Kp,max1+(Kp,max2-Kp,max1)e-a2d2-

Kp,min]e-a1d1(1-e-ξa0d0)

(10)

式中：Kp(x，y，z)为采空区内孔隙度；ξ为调整系数；Kp,max1为采空区底部初始冒落碎胀系数；Kp,max2为采空区顶部初始冒落碎胀系数；Kp,min为采空区深部冒落岩石压实时碎胀系数；a0，a1为点(x，y，z)与侧帮固壁和工作面距离对碎胀系数影响的衰减率，1/m；d0，d1为点(x，y，z)与侧帮固壁和工作面边界的距离，m。a2为点(x，y，z)与采空区顶部距离对碎胀系数影响的衰减率，1/m；d2为点(x，y，z)与离采空区顶部的距离, m。

由图4可知，采空区窒熄带临界氧浓度的位置随着温度的升高逐渐移动到采空区深部，由20℃的200 m一直增大到60℃的380 m。模拟结果表明采空区内同种煤样在不同地温条件下自燃倾向性也有较大的差异，地层温度较高时需要采取一定的降温措施提高采空区窒熄带临界氧浓度值或者通过注惰性气体等措施来减小工作面向采空区的漏风，以缩短自然氧化带的宽度。

5　结论

1)地温的不同影响煤的耗氧速度和CO释放的速度，当温度较高时，长平矿不易自燃的无烟煤也表现出了很高的氧气消耗速度和CO释放速度。

2)随着温度的升高，氧浓度衰减系数和CO浓度增长系数都相应增大，且有近似于指数增长的趋势。

3)随着环境温度的升高，封闭耗氧实验所得到的窒熄带氧浓度临界值越来越小。地温的升高会增大采空区自然氧化带宽度，模拟结果表明地温由20℃升高到60℃，窒熄带临界氧浓度位置由200 m增长至380 m，地温的升高增大了采空区自燃危险性。

[1]张辛亥,白亚娥,李青蔚,等. 基于活化能指标研究不同变质程度烟煤的自燃倾向性[J]. 矿业安全与环保,2016,43(1):5-7,11.

ZHANG Xinhai, BAI Ya’e, LI Qingwei, et al. Research on spontaneous combustion tendency of bituminous coals in different metamorphic grades based on activation energy index[J]. Mining Safety & Environmental Protection, 2016,43(1):5-7,11.

[2]周健,刘泽功. 采空区三维耦合场数值模拟研究[J]. 中国安全生产科学技术,2014,10(6):116-121.

ZHOU Jian, LIU Zegong. Numerical Simulation on Three-dimensional Coupled Field in Goaf[J]. Journal of Safety Science and Technology,2014,10(6):116-121.

[3]张龙,袁树杰,朱成涛. 俯采工作面采空区“三带”分布研究[J]. 中国安全生产科学技术,2013,9(5):67-71.

ZHANG Long, YUAN Shujie, ZHU Chengtao. Study on distribution of “Three Zones” in goaf of fully mechanized underhand mining face[J]. Journal of Safety Science and Technology,2013,9(5):67-71.

[4]邓军,徐精彩,张迎弟,等. 煤最短自然发火期实验及数值分析[J]. 煤炭学报, 1999,24 (3): 274-278.

DENG Jun, XU Jingcai, ZHANG Yingdi, et al. Experimental and numerical analysis on the shortiest spontaneous combustion period of coal[J]. Journal of China Coal Society, 1999,24(3):274-278.

[5]邓军,徐精彩,徐通模,等. 煤自燃性参数的测试与应用[J]. 燃料化学学报, 2001, 29(6):553-556.

DENG Jun, XU Jingcai, XU Tongmo, et al. Test and application of the spontaneous combustibility parameters of coal[J]. Journal of Fuel Chemistry and Technology, 2001, 29(6):553-556.

[6]李宗翔,刘宇,吴邦大,等. 基于封闭耗氧实验的窒熄带煤临界氧浓度研究[J]. 煤炭学报, 2017, 42(3): 1776-1781.

LI Zongxiang, LIU Yu, WU Bangda, et al. Determination of critical oxygen concentration of suffocation zone in goaf by closed oxygen consumption experiment[J]. Journal of China Coal Society, 2017, 42(3): 1776-1781.

[7]李宗翔,刘宇,贾进章,等. 煤氧化实验精度改进及封闭耗氧实验方法[J]. 中国矿业大学学报, 2017, 46(2): 273 -278.

LI Zongxiang, LIU Yu, JIA Jinzhang, et al. Precision improvement of coal oxidation experiment and experimental method of closed oxygen consumption[J]. Journal of China University of Mining & Technology, 2017, 46(2): 273-278.

[8]李宗翔,温永宇,张金玉. 煤样封闭耗氧试验及其参数测定分析[J]. 安全与环境学报, 2009, 9(1): 116-119.

LIi Zongxiang, WEN Yongyu, ZHANG Jinyu. An experiment with oxygen consumption and parameter-defining for sealed coal samples[J]. Journal of Safety and Environment, 2009, 9(1): 116-119

[9]秦红星,戴广龙,张树川,等. 基于煤低温氧化试验下的标志气体优选及应用[J]. 煤炭科学技术, 2015, 43(6): 65-70.

QIN Hongxing, DAI Guanglong, ZHANG Shuchuan, et al. Optimal selection and application of mark gas based on coal low temperature oxidation test[J]. Coal Science and Technology, 2015,43(6): 65-70.

[10]邓军,李贝,李珍宝, 等. 预报煤自燃的气体指标优选试验研究[J]. 煤炭科学技术,2014,42(1):55-59,79.

DENG Jun, LI Bei, LI Zhenbao, et al. Experiment study on gas indexes optimization for coal spontaneous combustion prediction[J]. Coal Science and Technology,2014,42(1):55-59,79.

[11]杨胜强,徐全,黄金,等. 采空区自燃“三带”微循环理论及漏风流场数值模拟[J]. 中国矿业大学学报,2009, 34(6):769-773,788.

YANG Shengqiang, XU Quan, HUANG Jin, et al. The “Three Zones” microcirculation theory of goaf spontaneous combustion and a numerical simulation of the air leakage flow field[J]. Journal of China University of Mining & Technology,2009,34(6):769-773,788.

[12]时国庆,胡方坤,王德明,等. 采空区自燃“三带”分布规律的四维动态模拟[J]. 中国矿业大学学报,2014,60(2):189-194.

SHI Guoqing, HU Fangkun, WANG Deming, et al. Unsteady simulation on distribution of three zones for spontaneous combustion in goaf areas[J]. Journal of China University of Mining & Technology,2014,60(2):189-194.

[13]高光超,李宗翔,张春,等. 基于三维“O”型圈的采空区多场分布特征数值模拟[J]. 安全与环境学报,2017,17(3):931-936.

GAO Guangchao, LI Zongxiang, ZHANG Chun, et al. Numerical simulation for multi-field distribution characteristic features of the goaf based on 3D “O” type circle[J].Journal of Safety and Environment, 2017,17(3):931-936.

[14]刘宇. 采空区瓦斯与自燃灾害关联3D数值模拟研究[D].阜新：辽宁工程技术大学, 2014.

[15]秦跃平,刘伟,杨小彬,等. 基于非达西渗流的采空区自然发火数值模拟[J]. 煤炭学报,2012,37(7):1177-1183.

QIN Yueping, LIU Wei, YANG Xiaobin, et al. Numerical simulation of impact of non-darcy seepage on spontaneous combustion in goaf[J]. Journal of China Coal, 2012,37(7):1177-1183.

[16]李宗翔, 顾润红, 张晓明, 等. 基于RNGk-ε湍流模型的3D采空区瓦斯上浮贮移[J]. 煤炭学报,2014,39(5):880-885.

LI Zongxiang, GU Runhong, ZHANG Xiaoming, et al. Simulation of gas migration in 3D goaf based on RNGk-εturbulence model[J].Journal of China Coal Society,2014,39(5):880-885.

[17]陆伟，王德明，仲晓星，等. 基于活化能的煤自燃倾向性研究[J]. 中国矿业大学学报, 2006, 35(2): 201-205.

LU Wei, WANG Deming, ZHONG Xiaoxing, et al. Tendency of spontaneous combustion of coal based on activation energy[J]. Journal of China University of Mining & Technology, 2006,35(2): 201-205.

[18]刘剑，王继仁，孙宝铮. 煤的活化能理论研究[J]. 煤炭学报, 1999,24(3) : 316-320.

LIU Jian, WANG Jiren, SUN Baozheng. A study on the theory of activation energy of coal[J]. Journal of China Coal Society, 1999,24(3): 316-320.

[19]秦波涛，王德明，李增华，等. 以活化能的观点研究煤炭自燃机理[J]. 中国安全科学学报, 2005, 15(1) : 11-13.

QIN Botao, WANG Deming, LI Zenghua, et al. Study on the mechanism of coal spontaneous combustion with activated energy view[J]. China Safety Science Journal, 2005,15(1): 11-13.