供风量对褐煤自燃极限参数的影响研究*

周西华，牛田元,白　刚,李　昂,王　成

(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; 3.辽宁工程技术大学 煤炭资源安全开采与洁净利用工程研究中心，辽宁 阜新 123000)

0　引言

煤层自燃火灾占矿井火灾90%以上，严重威胁了煤矿井下安全生产[1]。煤体热量的产生和积聚是导致煤炭发生自燃的最直接原因，煤自燃的根本原因是空气中的氧气氧化了煤体。煤自燃极限参数是判断煤自燃危险区域的有力依据，表征煤自燃极限外界条件的参数主要有下限氧浓度、上限漏风强度和最小浮煤厚度[2]。影响煤自燃极限参数的因素较复杂，研究影响自燃极限参数的各种因素并为井下控制煤自燃提供基础参数意义重大，因此，自燃极限参数及其影响因素成为研究重点。为此，徐精彩等[3]用改进的BP神经网络分析距离、氧浓度、放热强度、温度、漏风强度、浮煤厚度几种影响因素来对自燃极限参数进行预测；邓军等[4]总结了用煤自燃极限参数来对煤自燃进行预测的理论研究进展；易欣等[5]用实验模拟自燃过程得到随着时间和温度的变化煤自燃极限参数的变化规律进而推出预防自燃的方法；谭波等[6]利用煤自燃程序升温试验得出3种不同变质程度的烟煤自燃极限参数的规律；马砺等[7-9]利用煤自燃程序升温试验装置计算5种粒径、煤样升温、4种不同的阻化剂处理条件下对煤自燃极限参数的影响。上述研究主要计算和分析了不同时间、粒度、煤温、氧浓度、煤变质程度、阻化剂对煤自燃极限参数的影响。

煤自燃是氧浓度、热量积聚等多因素耦合作用导致，供风量与采空区自燃“三带”分布范围呈现一定规律，进而影响采空区遗煤自燃极限参数，但目前关于供风量对煤自燃极限参数影响研究甚少。为此，笔者选取内蒙古平庄瑞安褐煤为试验煤样，在前期研究供风量与煤自燃气体生成规律基础之上[10]，计算了不同供风量下的煤自燃极限参数，为预防井下遗煤自燃提供关键基础参数。

1　不同供风量条件下褐煤程序升温试验

1.1　煤样工业分析

试验煤样选取内蒙古平庄瑞安褐煤，在实验室将小块状的煤样放入粉碎机中粉碎，筛选出介于50～80目的煤样，装入棕色60 mL广口瓶中，然后将其密封封存以防氧化。煤样的工业分析与元素分析数据详见表1。

表1　煤样的工业分析与元素分析

1.2　试验条件与试验方法

程序升温系统试验装置如图1所示。将称取的2份煤样(2 g/份)放入到瓷盘中，然后推送到管式炉的碳硅管中，用乳胶塞将碳硅管的两端密封，打开钢瓶的阀门，并将气压调节到0.1 MPa，将转子流量计的流量设置为40，80，120，160，200 mL/min，对应风速为0.002 123，0.004 26，0.006 39，0.008 52，0.010 65 m/s。接通电源后，打开温度显示器和管式炉电源开关。管式炉升温速率设置为2℃/min，由于40℃时可以除去褐煤中的外在水分，褐煤的着火温度在200℃以上，所以在试验时采用的温度在40～200℃之间，每隔一定的温度启动管式炉程序升温系统取大约5 mL气体于球胆内，用GC-4085型气相色谱仪对球胆内气样的气体成分及体积分数进行分析。

图1　实验装置Fig.1　Experiment device schematic diagram

试验得到供风量为40～200 mL/min时，温度在40～200℃范围内的O2，CO和CO2体积分数，根据文献[7]计算得出耗氧速率、CO产生速率、CO2产生速率和放热强度的数值，并将所得的放热强度结果用于褐煤自燃极限参数的计算当中。

2　煤自燃极限参数计算

煤自燃是内因和外因都满足的条件下发生的。煤层自燃除了满足自燃内在因素，即有自燃倾向性的煤以外，在一定时间的基础上还要有足够大的煤厚，充足的氧气和热量聚集的场所[11]。煤自燃的极限参数是引发自燃的外界条件的极限值，主要包括：最小浮煤厚度、下限氧浓度、上限漏风强度。当煤层厚度大于最小浮煤厚度，煤层中氧气浓度大于下限氧浓度，漏风强度小于上限漏风强度3条件同时满足时煤体才有可能自燃[12]：

(h>hmin)∩(C>Cmin)∩(Q

式中：h为浮煤厚度，m；hmin为最小浮煤厚度，m；C为氧气浓度，mol/m3；Cmin为下限氧浓度，mol/m3；Q为漏风强度，m3/(m2·s)；Qmax为上限漏风强度，m3/(m2·s)。

2.1　最小浮煤厚度

最小浮煤厚度主要与松散煤体温度、放热强度、漏风强度有关[13]。根据瑞安煤矿现场实测井下煤岩体温度为25℃，漏风强度为0.10 m/s，根据文献[8]中公式计算得出漏风强度为0.10 m/s时不同供风量条件下最小浮煤厚度如图2所示。

图2　最小浮煤厚度与供风量的关系Fig.2　Relationship between the thickness of minimum floating coal and wind speed

由图2可知：温度为40～120℃时，最小浮煤厚度随着供风量增大而减小，更容易引发自燃；温度为120～200℃时，在40～80 mL/min供风量范围内，最小浮煤厚度随着风量增大而增大；在80～160 mL/min范围内，最小浮煤厚度随着供风量增大而减小；在160～200 mL/min范围内，最小浮煤厚度随着供风量增大而增大。漏风强度一定时，温度不同，供风量不同对最小浮煤厚度的影响不同，继而得出对煤层自燃危险性的影响。井下煤层厚度大于最小浮煤厚度是进入氧化升温带必要前提[13]，最小浮煤厚度越小越容易满足这一前提，就更容易引发自燃。由此可见，温度为40～120℃时和温度为120～200℃，供风量为80～160 mL/min时，供风量的增大会增加自燃危险性。定义临界点温度为供风量一定时褐煤自燃极限参数在该温度下达到的最大或最小值，不同供风量下对应最小浮煤厚度的临界点温度见表2。

表2　不同供风量对应的最小浮煤厚度临界点温度

由表2可知：随着供风量增大，最小浮煤厚度的临界点温度呈升高趋势。供风量越大，散热越多，达到煤自燃极限参数极值所需温度就越高，所以试验样品的临界点温度随之升高，临界点温度对应的温度点随之增加，导致煤自燃危险性的温度范围降低，因此，风量越大，最小浮煤厚度对应的临界点温度越大，自燃危险性越小。

2.2　下限氧浓度

根据文献[14]知，某一温度下，其放热强度和对应的氧浓度近似正相关，存在一极限值，当氧浓度小于这一极限值时，煤氧复合反应的生成热与散热正好相等，煤体不再升温，该极限值即为下限氧浓度。煤岩体温度为25℃，漏风强度0.10 m/s，浮煤厚度为0.6 m时，根据文献[8]计算出浮煤厚度为0.6 m，供风量不同时下限氧浓度变化关系如图3所示。

图3　下限氧浓度与风速的关系Fig.3　Relationship between lower oxygen concentration and wind speed

由图3可知：温度为40～120℃时，下限氧浓度随着供风量增大而减小；温度为120～200℃时，在40～80 mL/min供风量范围内，下限氧浓度随着供风量增大而增大；在80～160 mL/min范围内，下限氧浓度随着供风量增大而减小；在160～200 mL/min范围内，下限氧浓度随着供风量增大而增大。煤层中的氧浓度大于下限氧浓度是煤体进入煤氧复合反应中的必然条件[13]。笔者计算下限氧浓度所取的漏风强度是一定值，即煤层散热为定值，氧浓度超过下限氧浓度煤体即可蓄热，所以下限氧浓度越小，越容易引发自燃，由此可见，温度为40～120℃时和温度为120～200℃，供风量在80～160 mL/min范围内，供风量的上升会增加自燃危险性。不同供风量的下限氧浓度临界点温度见表3。

供风量为40 mL/min,温度为90℃时，下限氧浓度达到最大值25.258 6%，供风量为80 mL/min,温度为140℃时，下限氧浓度达到最大值25.097 1%，煤层自燃的下限氧浓度都超过了25%，自燃风流中氧气浓度为21%，煤层不能满足这一条件，所以无法发生自燃；供风量为120,160,200 mL/min时临界点温度对应的下限氧浓度都小于21%，具备自燃的基本条件。由表3可见，供风量越大，下限氧浓度的临界点温度呈升高趋势，临界点温度对应的温度点增加，导致煤自燃危险性的温度范围降低，因此，供风量越大，下限氧浓度的临界点温度越大，自燃危险性越小。

表3　不同供风量的下限氧浓度临界点温度

2.3 上限漏风强度

对于给定的井下煤体，漏风强度不断增加到一个定值时，煤样复合反应的产生热全部被热量传递和风流焓变所消耗，这一临界值即为上限漏风强度[15]。根据文献[8]计算出当煤层厚度为0.6 m时，不同供风量条件下上限漏风强度变化规律如图4所示。

图4　上限漏风强度与风速的关系Fig.4　Relation between upper air leakage intensity and wind speed

由图4可知：温度为40～120℃时，下限漏风强度随着供风量增加而增大；温度为120～200℃时，在40～80 mL/min供风量范围内，下限漏风强度随着供风量增加而减小；在80～160 mL/min范围内，下限漏风强度随着供风量增加而增大；在160～200 mL/min范围内，下限漏风强度随着供风量增加而减小。煤层的漏风强度小于下限漏风强度是煤体进入煤氧复合反应中氧化升温带的必然条件[13]，上限漏风强度越大，说明产生热量越多，煤体蓄热越多，会更容易引发自燃。由此可见，当温度为40～120℃和120～200℃,供风量在80～160 mL/min范围内时，供风量的增大更容易引发煤体自燃。不同供风量的上限漏风强度临界点温度见表4。

由表4可见：供风量越大，上限漏风强度的临界点温度呈升高趋势，临界点温度对应的温度点增加，导致煤自燃危险性的温度范围降低，因此，风量越大，上限氧浓度对应的临界点温度越大，自燃危险性越小。

表4　不同供风量的上限漏风强度临界点温度

3　结论

1)通过计算煤自燃极限参数与温度关系数据发现，最小浮煤厚度和下限氧浓度随着温度升高在低温(40～120℃)时增大，中低温(120～200℃)时减小；上限漏风强度相反，随着温度升高在低温(40～120℃)时减小，中低温(120～200℃)时增大。

2)最小浮煤厚度和下限氧浓度随着供风量的增大在低温(40～120℃)时减小，中低温(120～200℃)时，仅当供风量在80～160 mL/min范围内，最小浮煤厚度和下限氧浓度会因为供风量的增大而减小；上限漏风强度相反随着供风量的增大在低温(40～120℃)时增大，中低温(120～200℃)时，仅在供风量为80～160 mL/min时，最小浮煤厚度和下限氧浓度会增大。供风量的增大会将3个自燃极限参数向更容易引发自燃的方向推进，为避免自燃应控制煤层的供风量。

3)通过分析不同供风量下的自燃极限参数的临界点温度得出，风量越大，最小浮煤厚度、下限氧浓度和上限漏风强度对应的临界点温度越大，导致煤自燃危险性的温度范围越低，自燃危险性越小。

[1]王德明．矿井火灾学[M]．徐州:中国矿业大学出版社，2008.

[2]郭兴明，徐精彩，惠世恩.煤自燃过程中极限参数的研究[J]．西安交通大学学报，2001，35(7):682-686．

GUO Xingming，XU Jingcai， HUI Shien，et al．Research on key parameters in the process of coal self-Ignition[J]．Journalof Xi’an Jiaotong University，2001，35(7):682-686

[3]徐精彩, 王华. 煤自燃极限参数的神经网络预测方法[J]. 煤炭学报, 2002, 27(4):366-370.

XU Jingcai, WANG Hua. Neural network prediction method for limit parameters of coal spontaneous combustion[J]. Journal of China Coal Society, 2002, 27(4):366-370..

[4]邓军，徐精彩，陈晓坤.煤自燃机理及预测理论研究进展[J].辽宁工程技术大学学报,2003，22(4):455-459.

DENG Jun, XU Jingcai, CHRN Xiaokun. Advances in research on mechanism and prediction theory of spontaneous combustion of coal[J]. Journal of Liaoning Technical University,2003, 22 (4): 455-459.

[5]易欣，邓军.煤自燃极限参数的实验研究[J].矿业安全与环保，2006，33(1):18-20.

YI Xin,Deng Jun.Experimental study on coal spontaneous combustion limit parameters[J].Mining Safety & Environmental Protection,2006,33(1):18-20.

[6]谭波,胡瑞丽,李凯,等.不同变质程度烟煤的自燃极限参数对比分析[J].煤炭科学技术,2013,41(5):63-67.

TAN Bo,HU Ruili,LI Kai, et al.Comparison analysis of spontaneous combustion limit parameters of bituminous coal samples different in metamorphic degree[J].Coal Science and Technology,2013,41(5):63-67.

[7]马砺，任立峰，韩力，等.粒度对采空区煤自燃极限参数的影响试验研究[J].煤炭科学技术，2015,43(6)：59-64.

MA Li, REN Lifeng, HAN Li, et al. Effect of particle size on the spontaneous combustion of coal mined out area limit parameters test of [J]. Coal Science and Technology,2015,43(6):59-64.

[8]马砺，雷昌奎，王凯，等.高地温环境对煤自燃极限参数的影响研究[J].煤炭工程，2015，47(12)：89-92.

MA Li, LEI Changkui, WANG Kai, et al. High temperature environment on coal spontaneous combustion limit parameters on [J]. Coal Engineering,2015,47(12):89-92.

[9]马砺，任立峰，等.氯盐阻化剂对煤自燃极限参数影响的试验研究[J].安全与环境学报.2015,15(4):83-88.

MA Li, REN Lifeng, et al. Chlorine salt inhibitor effect on coal spontaneous combustion parameters test research[J].Journal of Safety and Environment.2015,15 (4): 83-88.

[10]周西华，白刚，等. 不同风量下褐煤燃烧碳氧化物生成规律[J].辽宁工程技术大学学报，2017，36(10):1020-1025．

ZHOU Xihua,BAI Gang,et al.Carbon oxide generation in lignite combustion under different air volume [J]. Journal of Liaoning Technical University，2017，36(10):1020-1025．

[11]邓军，杨一帆，等.基于层次分析法的矿井煤自燃危险性模糊评价[J]．中国安全生产科学技术，2014，10(4): 120-125．

DENG Jun, YANG Yifan, et al. Fuzzy evaluation of coal spontaneous combustion risk based on analytic hierarchy process[J].China Safety Production Science and Technology,2014,10(4):120-125..

[12]徐精彩，文虎，葛岭梅，等 . 松散煤体低温氧化放强度的测定和计算[J]．煤炭学报，2002，21(2):129-132．

XU Jingcai, WEN Hu,GE Lingmei, et al. Measurement and calculation of low temperature oxidation of loose coal intensity [J]. Journal of China Coal Society,2002,21(2):129-132.

[13]徐精彩. 煤自燃危险区域判定理论[M]. 北京：煤炭工业出版社, 2001.

[14]徐精彩，文虎，邓军，等．煤自燃极限参数研究[J]．火灾科学，2000，9(2):14-18.

XU Jingcai,WEN Hu,DENG Jun,et al.Study limit parameter of coal self-ignite[J].Fire Safety Science,2000,9(2):14-18.

[15]郭兴明，徐精彩，惠世恩，等．煤自燃过程中极限参数的研究[J]．西安交通大学学报，2001，35(7):682-686.

GUO Xingming,XU Jingcai,HUI Shien,et al.Research on key parameters in the process of coal self-Ignition[J].Journal of Xi’an Jiaotong University,2001,35(7):682-686.