不同预氧化温度下煤样热物性参数的实验研究

肖 旸，尹 岚，马 砺，周一峰

(1.西安科技大学，安全科学与工程学院，陕西 西安 710054；2.西安科技大学，陕西省煤火灾害防治重点实验室，陕西 西安 710054)

0 引 言

矿井煤自燃是煤矿5大灾害之一，中国90%以上的煤层为自燃或者易自燃，煤自燃是放热过程，该过程主要是煤氧复合作用过程，对中国矿井安全高效生产构成了严重的威胁[1-3]。由于煤自燃释放热量且热量不易消散，易积聚，继而产生高温[4]，导致煤体的热膨胀性增大，促使煤体裂隙的生成，造成煤与氧气更充分的接触，从而促进煤自燃的发展，进而造成范围更大的、燃烧更剧烈的火灾事故[5-7]。因此，研究煤体的热物性参数对于掌握热量在煤中的传递规律从而抑制煤自燃有很重要的意义。

许多学者通过实验测试以及建立模型来研究煤体的热量传递规律。Gosset研究煤的热物性参数发现在300 ℃以内，煤样的热扩散系数随着温度升高逐渐降低[8]；陈清华等提出利用平面热源法测量松散煤体的导热系数，并以此建立数学模型，设计与开发了松散煤体导热系数的测量系统[9]；李建伟等通过对不同粒度、含水率情况进行研究，发现煤体的导热系数随着煤体含水率、粒度的增加而增大[10]；唐明云等主要研究温度、粒度等影响因素与煤体导热系数的关系，发现煤体的导热系数随着含水率的增加，呈现出先上升，后趋于平稳的趋势[11]；Zhumagulov通过准稳态方法测量煤体的比热容、导热系数随温度的变化，并分析了煤体的热物性参数随温度的变化情况[12]；Deng等使用激光闪射法研究煤在热解以及氧化过程中的热物性参数随温度的变化趋势[13]；Guan等分析影响松散煤体导热系数测量的因素，并通过控制控温设备控制误差[14]；Liu等对煤在受热煤中的热解和传热过程进行了数值分析，模拟煤颗粒的传热和温度变化[15]；Wen等主要研究温度对煤岩体的影响，得出随着温度的增加，煤体的热扩散系数逐渐降低，比热容和导热系数逐渐增加[16]。从文献中可发现，对于预氧化处理煤样的热物性参数研究较少，而文中实验主要研究预氧化处理后煤的热物性参数。预先对煤样进行预氧化处理，分别在程序升温箱中氧化升温至80，110，140，170，200 ℃.待煤样在升温箱中被充分氧化后，使用激光导热仪FLA 457测量煤的热物性参数，得出热物性参数随温度的变化趋势，从而研究煤的热物性参数与预氧化温度之间的关系，并分析预氧化处理后煤样对温度的敏感性。对煤样进行不同温度下的预氧化处理是为了分析煤田火区中煤的氧化以及采空区中遗煤氧化对煤体热物性参数的影响，从而研究预氧化后煤的热量传递规律，为煤自燃的防治提供理论依据以及技术指导。

1 实验设备及其原理

热物性参数是指热扩散系数、比热容以及导热系数。采用的仪器是德国耐驰公司生产的LFA 457激光导热仪，此设备主要是由加热炉、红外检测器以及数据采集系统和激光加热系统组成，如图1所示。其工作原理为当激光照射煤体的下表面时，煤体的下表面吸收能量，这样煤体下表面和上表面之间形成了一定温度差，热量由煤体下表面朝着上表面传递，同时红外探测器检测出煤体上表面中心的温度变化，进而得出煤体的热扩散系数，再根据公式推导出比热容以及导热系数。

图1 激光导热原理Fig.1 Laser pyrometer theory

根据Parker and Jenkins和Cowan等人提出的热扩散系数模型方程(1)可知[17-19]

(1)

式中t1/2为半升温时间，s；α为热扩散系数，cm2/s；d为实验样品厚度，cm；γ≈0.138 78.

比热容可通过公式(2)计算可得[13]

(2)

式中cstd为标准样品的比热容，J/(g·K)；csam为实验样品的比热容，J/(g·K)；mstd为标准样品的质量，g；ΔUstd为标准样品受辐射时电信号的电压与受辐射后的最大电压之间的差值，V；ΔUsam为实验样品受辐射时的电信号的电压与受辐射后的最大电压之间的差值，V.

通过已测出的热扩散系数和比热容，根据式(3)测出实验样品的导热系数

λ(T)=α(T)·ρ·csam(T)

(3)

式中λ为实验样品的导热系数，W/cm·K；T是温度，K.

2 煤样的制备与处理

2.1 实验样品的制备

样品来自于新疆硫磺沟煤矿，属于长焰煤。为了研究不同预氧化温度对煤样热物性的影响，需要对煤进行预氧化处理。将取自于井下的新鲜煤样袋装并密封，开袋后取出块煤的中心部分，粉碎研磨，并进行筛选，取粒径为3～5 mm煤样，以此保证粒径较小以及受热均匀。将筛选后的煤样均匀分成6组并编号为C1，C2，C3，C4，C5和C6.其中C1煤样为原煤样。煤样用瓷质敞口坩埚承装，并将其均匀铺在坩埚底部置于程序升温箱中，分别氧化升温至80，110，140，170，200 ℃，并恒温保持2 h，保证煤样充分氧化。

煤样经预氧化处理之后，为了减小煤的异质性对煤的热物性参数的影响，将煤样粉碎，使其粒径低至0.089 mm.每组分别称取适量煤粉压成薄片，且使用游标卡尺测量薄片的直径、厚度，煤样薄片的相关属性见表1.每组煤样压取3个薄片，并编号为C11，C12，C13；C21，C22，C23；C31，C32，C33；C41，C42，C43；C51，C52，C53；C61，C62，C63，实验样品如图2所示。

表1 煤样薄片的相关属性Tab.1 Interrelated characteristics of coal slices

图2 实验样品Fig.2 Experimental sample

2.2 实验条件

将C11，C12，C13放入仪器样品支架后，通入氮气，并设定气体的恒定流量为100 mL/min，升温速率为1 K/min.测试温度范围为30～200 ℃，并设定温度30，60，80，100，120，140，160，180，200 ℃为数据采集点。

3 结果与讨论

当温度达到采集点时，每个薄片将被闪射3次，即单个煤样薄片的每个采集点存在3组数据。每组热物性实验完成后，对每个采集点求取平均值。并且每组热物性实验有3个煤样薄片，再对其求取均值。

图3 煤样热物性参数随温度的变化趋势Fig.3 Trend of the thermo-physical parameters of coal samples with temperature

3.1 热物性参数的变化趋势

煤样的热物性参数随温度的变化趋势，如图3所示。从图3(a)可以看出，在30～200 ℃之间，热扩散系数随着温度的升高逐渐降低，这与Gosset所测的热扩散系数变化趋势相同[8]。热扩散系数的降低与声子平均自由路径的减小有关[20-21]。原子间通过相互作用力联系在一起，每个原子的振动都要牵动周围的原子，使振动以弹性波的形式在晶体中传播，而声子是量子化的弹性波的最小单位。热扩散系数逐渐降低是由于随着温度升高，煤中晶格结构震动，致使声子间相互碰撞的几率增大，声子的平均自由程减少，从而导致煤样的热扩散系数降低。并且在相同温度点下，预氧化处理煤样的热扩散系数与原煤样相对比，发现原煤样的热扩散系数最小。这可能是因为随着预氧化温度的升高，煤分子中的亲氧烷基侧链、含氧官能团等结构发生氧化反应，芳香环发生缩聚反应，造成芳香结构逐渐增加，致使煤化度逐渐增大，煤样朝着高变质程度的结构发展[22]。

从图3(b)可以看出，在30～200 ℃之间，原煤的比热容随着温度的升高，总体都表现出上升趋势。这是由于煤中原子本身围绕点阵结点，以一定的振幅和频率震动。随着温度升高，引起振幅和频率增大，分子热运动和声子振动加剧，晶格总能量增加，吸收的热能以动能的方式储存在煤体内，平均能量增大造成的[23]。预氧化处理煤样的比热容与原煤样相对比，发现原煤样的比热容最小，导致这种现象的原因可能是预氧化处理使得晶格结构发育导致单位体积内的声子数目增多，总动能量增大，大量的热量储存在煤体内。

从图3(c)可以看出，在30～200 ℃之间，随着温度的升高，实验煤样的导热系数总体都表现出上升趋势。而随着温度的升高，热扩散系数逐渐降低，比热容逐渐升高，实验煤样的导热系数呈现上升趋势说明温度对比热容的影响大于热扩散系数，从而抵消了热扩散系数降低引起的降低趋势。

此外，从图3还可以看出，不同温度预氧化煤样的热物性参数变化趋势与原煤相似，即热扩散系数随着温度的升高而降低，比热容和导热系数随着温度的升高而升高，这是因为即使原煤经历了不同温度的预氧化，但温度对其热物性参数的影响机理不变。

3.2 敏感性分析

根据实验条件，为了分析煤样的热物性参数的敏感性，计算相邻2个数据采集点间的每摄氏度下的平均变化率，如图4所示。

从图4可知，煤样的比热容的平均变化率最大，导热系数的平均变化率最小，表明比热容对温度最敏感，导热系数的敏感性最小。在60～120 ℃之间，随着温度的逐渐升高，煤样的热扩散系数、比热容以及导热系数的变化率整体上变化明显，呈现下降趋势；在120～200 ℃之间，随着温度的增加，煤样的热物性参数变化率整体上逐渐趋于平稳，即温度越高，热扩散系数的降低趋势以及比热容和导热系数的增大趋势越来越弱。当温度超过120 ℃时，在相同温度下，预氧化处理温度越高，煤样热物性参数对温度的敏感性越低。因此，预氧化煤样的热物性参数的敏感性低可能是由于经预氧化处理后的煤样，随着煤样预氧化处理温度的增加，煤中的含氧官能团等结构发生氧化反应，煤样的氧化程度以及煤化度会越来越高，即煤氧复合的化学反应会引起煤表面结构和空间结构的变化[2，22，24]，当再次受到高温加热时，氧化程度越高的煤样，受到温度的影响就越低。因此预氧化处理后的煤样随着预氧化温度的升高，对温度的敏感性整体呈现出逐渐降低的趋势。

图4 热物性参数的变化率Fig.4 Change rate of thermo-physical parameters

4 结 论

1)在30～200 ℃之间，随着温度的逐渐升高，煤样的热扩散系数呈现出逐渐降低的趋势，而煤样的导热系数和比热容呈现出增加的趋势，且温度越高，热扩散系数的降低趋势以及比热容和导热系数的增大趋势越来越弱；

2)在相同温度下，原煤样的热扩散系数和导热系数与预氧化煤样相比，原煤样的热扩散系数以及导热系数最小，表明预氧化处理煤样的传热效果更显著；

3)比热容对温度最敏感，导热系数的敏感性最小。此外，当温度超过120 ℃时，在相同温度下，随着煤预氧化温度的逐渐升高，煤样对温度的敏感性整体呈现出降低趋势。

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