基于煤火发展演化的松散煤体自燃温度纵深蔓延特征

赵婧昱，宋佳佳，郭 涛，张宇轩，邓 军，张永利，张廷豪

(1.西安科技大学 安全科学与工程学院，陕西 西安 710054; 2.西安高新区应急管理局，陕西 西安 710065; 3.陕西煤业化工技术研究院有限责任公司,陕西 西安 710065)

由于地表裂隙发育，漏风供氧严重，浅部煤体氧化升温，引起煤的自然发火。随着氧气的不断供给，煤体自燃范围逐步扩大，高温区域不断蔓延，从地表一直向地下延伸，可达200 m以上。煤自然发火对人类采矿事业与身心健康造成严重影响，并且造成大量资源浪费。燃尽的煤层形成地下空洞，造成地表沉陷、凹陷、山体滑坡等地质灾害[1-5]。松散煤体的燃烧给自然生态环境带来了巨大的威胁[6-11]，对空气质量、地表植被、地质条件造成了不同程度的影响[12-18]。

国内外学者建立了大量模型对煤体燃烧温度场的发展变化进行模拟研究，并针对实际情况制定相应的政策和措施，取得了一系列的成果。李林等[17]通过煤自然发火实验炉模拟松散煤体从常温到着火点的全过程，结果表明高温点首先出现在低氧气体积分数分布区，后逐渐向高氧气体积分数分布区移动。ROSEMA等[19]研究了遗煤的自然发火过程，得出太阳照射、大气变化等环境因素都会影响煤自燃的发生和发展，建立了自燃发火过程的数学模型。宋大勇[20]提出了红外成像对隐蔽火源反演识别的方法和巷道自燃发火隐患探测与识别技术。王振平等[21]提出了煤巷近距离煤层自燃高温点的反演算法，确定了自燃火源的深度、范围和温度。谭波等[22]对温度场模型进行了稳态转换，确定了回采时期的煤自燃过程一维模型。邓军等[23]等研究了影响采空区浮煤在氧化自燃过程中的关键影响因素，并据此建立了预测模型，可测试采空区温度场变化情况。卞晓锴等[24]对温度场数学模型进行模拟计算，发现煤因氧化放热导致温度随时间变化呈指数上升。LU Guodong等[25]对煤体燃烧温度场熄灭时的温度变化进行分析，发现2次多项式模型最为精准用以模拟煤体燃烧温度与时间的关系。SONG Zeyang等[26]模拟研究了漏风通道对煤火燃烧区域范围和温度的影响。WOLF和BRUINING[27]建立了煤火的能量、浓度、流动二维数学模型，并描述其热动力学演化过程，认为在燃烧区附近具有较高的渗透率，在露头附近具有较低的渗透率。QIN Botao等[28]提出了火灾高温区的理论模型和几何模型。蔡灿凡[29]对火区煤岩体在热力耦合作用下的力学特征进行研究。王海燕等[30]模拟了新疆某火区自燃中心形成并蔓延时火区温度场、CO体积分数和速度场分布情况，发现高温区域靠近顶板，自燃生成气体主要集中于露头自燃点下风侧方向。肖旸[31]建立了热-固-流耦合模型，模拟了松散煤体的燃烧过程，得出煤体燃烧过程中的剪应力场、主应力场、位移场以及温度场的分布规律。褚廷湘等[32]研究发现水分相变的发生直接影响了含水松散煤体内部温度及热流的分布。

松散煤体燃烧演化较为复杂，前人的研究多集中于函数模型的构建，以及煤自燃高温点形成过程的模拟分析，对于煤火高温区域的迁移机理没有统一的认识，从实验尺度来分析松散煤体燃烧发展过程中高温区域的演化过程鲜有关注。因此，笔者通过自主研发的煤火发展演化模拟实验系统，研究松散煤体燃烧发展过程中高温区域纵深位置移动变化规律，确定温度迁移方向，定义火区发展机制。分析高温区域关键温度点的发展态势，掌握松散煤体着火环境下各裂隙区域迁移运输过程，确定高温区域关键点氧气体积分数变化规律。研究结果明确松散煤体燃烧的发展蔓延规律，为煤田火区在纵深蔓延方向的发展预测提供参考。

1 实验装置

针对现有装置成本较高、实验操作过程较为复杂且实验重复性较差，缺少对于在煤自燃过程中高温区域移动规律和供氧通道的研究且只能研究煤自燃过程低温阶段的参数，无法满足对煤自燃预测技术的需要的煤自燃实验装置现状，设计煤火发展演化模拟实验装置。设计思路主要围绕以下几点展开:① 为能够合理的模拟松散煤体着火发展情况，实验装置采用半封闭设计;② 温度监测智能化且测温准确，保证在较短的时间范围内完成实验的测试;③ 为保证实验设备的使用寿命，需选取耐高温、抗腐蚀材料;④ 实验炉体装煤量适中，所选辅助设备节能性能较高，从而控制实验损耗;⑤ 实验装置可适应多因素条件下松散煤体热反应过程的模拟。根据设计思路，实验系统包括以下装置:温度控制以及监测平台、液压装置、煤火发展演化模拟实验装置、气体分析装置以及污染物处理装置等。实验系统如图1所示。

图1 实验系统Fig.1 Experiment system

煤火发展演化模拟实验装置由耐高温纯纤维毯和碳钢材料压制组成，具有较高的柔韧性。炉体结构如图2所示，对实际堆放、运输过程中松散煤体的体积进行等比例缩小，结合实验研究要求，选取等份划分的300 mm×300 mm×600 mm尺寸内的煤颗粒聚团进行分析，为煤堆尺寸的分析提供本构关系。炉体外部尺寸为:长600 mm×宽600 mm×高730 mm，炉膛内部尺寸为:长300 mm×宽300 mm×高600 mm，侧壁保温层厚度为150 mm，保温层由耐火砖和纤维的混合结构组成。长期受热最高温度1 200 ℃，短期受热最高温度1 300 ℃，且保证炉膛内温度均匀性控制在±10 ℃。为了测试在实验过程中温度的分布及发展规律，在炉壁四周布置有直径为16 mm的通孔作为温度数据采集点和气体采集点，测温单元与温度记录仪装置连接，所采集的气体采用气相色谱仪进行分析。在满足实验要求的情况下，于煤体表面均匀布置3根不锈钢加热棒，避免不锈钢加热棒对实验中测点温度造成影响。通过在煤体表面进行加热形成良好的蓄热环境保证实验的顺利进行，以达到实验目的。温度传感器选用WRNK-19(K)型铠装热电偶，测温范围为0～1 100 ℃，温度稳定性控制在±1 ℃。通过温度控制与监测平台对煤体中各个测点温度变化情况进行实时监测，测温间隔为1 s。

图2 煤火发展演化模拟实验装置Fig.2 Development and evolution simulation device of coal fire

2 试验过程

2.1 试验条件

实验采用孟村煤矿煤样，煤质分析见表1。对所取煤样进行破碎筛分至粒径为5～10 mm的混合粒径(开采破碎后的主要粒径分布尺寸)，将松散煤样均匀布置在耐高温实验炉体内，于自然通风条件下，记录实验过程中环境温度和湿度;通过实验装置留设的通孔布置测温热电偶和加热单元;在常温常压环境下对煤体表面采用不锈钢加热棒开始加热，进行实验。

表1 煤质分析Table 1 Analyses of proximate and ultimate of coal samples

2.2 测点布置

煤体中温度测点布置方式如图3所示，其与右侧炉膛内壁距离见表2。每层布置3个测点，与右侧炉膛内壁距离分别为50,150和250 mm，布置5层测点，如图3(b)所示，共计15个。其中热电偶编号1,4，7,10和13由图3(a)中的红色表示，距离右侧炉膛内壁分别为250,50,250,50和250 mm;热电偶编号2,5，8,11和14由图3(a)中的绿色表示，距离右侧炉膛内壁分别为50,250,50,250和50 mm;热电偶编号3,6，9,12和15由图3(a)中的蓝色表示，距离右侧炉膛内壁的距离均为150 mm。两边测点距离炉膛内壁的距离均为50 mm，两测点的间距为100 mm，上下两测点的间距为70 mm。由于所有热电偶长度均为400 mm，且各个热电偶插入煤样深度不一，以实现均匀的探测炉体内煤样不同位置的温度变化。为增加试验过程的可靠性，如图3(b)所示，前2层并未进行测点标注，也就是说顶层并不属于高温区域分析层。由于对松散煤体燃烧过程的关注点在于温度如何纵深蔓延，所以测点的布置只考虑燃烧台一个面的方位布局，减少了燃烧中的变量，增强实验过程的可控性。

图3 测点布置Fig.3 Layout of measuring point

2.3 试验现象

通过测量得知试验装煤高度为443 mm，环境温度为5 ℃，空气湿度58%，将加热棒均匀布置在煤体表面。实验开始时，对加热棒进行通电，对顶层煤样加热，为煤火过程提供主动着火点，当顶层煤样开始出现明火时停止加热。可观察到，在实验进行到13 min时，煤体表面开始出现明显烟气且伴随有大量的水分;35 min时，煤体表面出现明火，此时温度为309.5 °C;60 min左右，煤体表面开始出现大面积着火;当实验经过600 h后实验装置内部所有测点温度降低至环境温度，实验结束。

表2 测点所在位置Table 2 Location of measuring point

3 试验结果讨论

3.1 高温区域移动规律分析

根据高温程序升温实验[33]得出孟村煤样的特征温度范围见表3。松散煤体各测点温度变化情况如图4所示。

表3 煤样特征温度范围Table 3 Characteristic temperatures range of coal sample

总体来看，各层的3个测点变化趋势相似。在实验初期，各个测点温度与环境温度相近，差值保持在4～6 ℃。为捕捉高温区域关键点的迁移路径，确定每层各测点第1个温度达到燃点的测点为关键点。根据测点路径作图，如图5所示，松散煤体高温区域由2,5,7,10和13号测点的方位向下蔓延，主要集中于中部及西侧方向。由图5可以看出，2，5,7,10,13号测点分别是各层第1个到达燃点的测点，确定这些测点的连接线就是高温区域的模糊迁移路径，各测点为高温区域关键点。表面煤样经主动点燃形成着火点，第1层测点离表面较近，推测2号测点受环境气候影响比较明显，该区域煤样达到燃点后加速与氧气发生煤氧复合反应，首先形成高温区域。12 h时，可以观察到，煤体燃烧过程中产生热裂隙，推测其为高温区域热量的扩散提供了通风线路，促进了其向裂隙扩展方向运动，高温区域出现在距离炉膛右侧250 mm的5号测点;15 h后，高温区域关键点出现在位于5号测点相同距离的7号测点;20 h后高温区域出现在位于距离炉膛右侧50 mm的10号测点位置附近，7号测点下方位置应均处于高温状态。最终26 h后，高温区域到达位于距离炉膛右侧内壁250 mm处的13号测点的实验装置底部。

根据图4，横向对比各层测点可以得知，各层关键点到达燃点温度时试验时间从1层到5层依次为5,12,15,20,26 h，可以看出3，4，5层纵向达到燃点温度的时间差相近，由图6不难发现这是由于关键点移动距离相同所致;进一步分析，3～4层的时间和4～5层的时间差为1 h，这与关键点峰值温度下降有关。各层关键点达到峰值温度的试验时间从1～5层依次为15,24,32,40,68 h;第4层与第5层虽然到达燃点的时间相差6 h，但是到达峰值温度的时间相差28 h;对时间差随层数增长进行非线性拟合，如图7所示，不难发现随着纵深的增加燃点温度与峰值温度对应的时间差几乎呈指数形式增长，y=y0+a1×exp[(x-x0)/t1]，拟合度大于0.999，其中y0，a1，x0，t1均为常数。纵深向下各关键点峰值温度分别为624，605，528，471，441 ℃，随着纵深向下峰值温度逐渐降低;可以表明深层煤体实际温度增长速率较浅层相差较大;通过计算各层关键点从燃点温度到峰值温度随时间变化的增长率，如图6所示，随着纵深的增加，关键点温度到达燃点温度后其增长速率基本呈线性下降。不难发现，随着试验的进行，在各层温度下降阶段，高温区域关键点在所属层测点的下降趋势是最慢的。松散煤体在200 h后第1,2层温度相对较低，表面煤样燃烧基本结束;在试验进行300 h后，底层煤样温度逐渐趋于常温，此时底部煤样燃烧基本结束。值得注意的是，各层煤体的温度下降到80 ℃以后，其降温速率开始变得非常缓慢;表明在煤体降温过程中，如若环境行为发生变化，则很有可能会发生复燃现象。实验进行至600 h时，各个测点温度均处于实验室温度，此次试验结束。可以说明松散煤体从点燃至完全燃烧结束其燃烧周期为600 h。

图4 实验煤样温度随时间的变化趋势Fig.4 Curves of coal sample temperature with time

图5 试验煤样高温区域运移和分布Fig.5 Migration and distribution of coal sample in high temperature area

图6 关键点温度增长率随层数变化曲线Fig.6 Temperature growth rate of key points varies with the layer number

图7 燃点温度与峰值温度对应时间差随层数增长变化曲线Fig.7 Time difference between ignition point temperature and peak temperature varies with the increase of layer number

3.2 高温区域关键点氧气体积分数分析

以上分析确定了高温区域关键点为2,5,7,10,13号，故本节对关键点的氧气体积分数变化规律进行分析。由于煤体自发向下传热较慢，故在试验过程中，当一层有测点高于30 ℃时，开始抽取该层所有测点的气体。26 h后第5层13号测点温度达到310 ℃，该温度已经超过燃点温度，则认为第5层已经出现高温区域，停止抽取气体。

随纵深的增加，各层关键点氧气体积分数从浅到深依次开始下降。对比图5可知，当各层关键点氧气体积分数下降到1%～3%时的第1个时间点与其达到燃点温度的时间点较相近。随着纵深的增加，关键点氧气体积分数下降时期所经历的时间逐渐增大，从第1层到第5层依次为4.5,6,7,9,10 h。值得注意的是，5号和7号关键点的氧气体积分数下降的起始时间相差1 h，这与3.1节其燃点出现的时间基本相对应。横向对比各层关键点氧气体积分数变化，第5层13号关键点在温度开始增长的时候氧气体积分数最大，其他关键点基本随着纵深的增加而降低;由图8可知，当第5层13号点的氧气体积分数开始下降时，第1～3层的氧气体积分数都处于极限氧气体积分数状态[34]，推断由于在试验进行16 h的时候，第5层处于煤体燃烧微弱裂隙形成的热辐射边界，氧气进入该层的扩散通道较其他层要容易。

图8 高温区域关键点氧气体积分数随时间变化曲线Fig.8 Changes of oxygen concentration with time at key points in high temperature region

3.3 高温区域纵深蔓延特征讨论

氧气的持续供给是维持松散煤体不断燃烧发展的重要条件。自然通风状态下，不仅模拟了松散煤堆的实际情况，还能提供充足的氧气，来维持实验煤样燃烧。当燃烧开始后，便会由浅部向深部逐步发展，由于实验装置内的松散煤体以多孔介质为主，各部位的传热是传导、辐射、对流共存的综合传热过程，属于不稳定传热。随着时间的增加，热源不断向下移动，由于受到物理吸附的作用和裂隙的影响，表层煤燃烧后，氧气会首先顺着最易扩散的裂隙方向向下传播，导致该裂隙附近的煤样发生自燃，该测点区域温度上升，达到燃点。随着燃烧深度的增加，煤氧化学反应不断加剧，蓄热能力增强，传热作用显著增加，当裂隙位置发生变化后，高温区域随之发生变化，不断向深部运移。因此，将深部煤火的发展模式定义为热氧互促驱动机制。

第1层与第2层煤样温度变化主要受传热作用影响，导致前2层煤样温度比较相近;第3，4和5层煤样温度变化主要受燃烧所产生的裂隙影响较大，加之氧气体积分数降低，导致温度依次降低。在实验过程中高温区域均向下移动，由于受到孔隙、氧气体积分数和传热作用等条件影响，整个传播方向呈非线性移动规律。

根据以上实验过程探讨，对松散煤体燃烧演化过程做以下推断。首先，高温区域测点的温度，随着火区不断蔓延，测点的温度会随着深度的增加越来越低，这跟实际的煤田火相对应。在时间尺度较长的条件下，目前实际煤田火区的燃烧发展是经过数百年才形成的，现在大多数煤火纵深蔓延速度较数年前要变慢，推断这是由于高温区域关键点温度下降所导致的，本实验对此纵深蔓延现象有良好的体现。

依据松散煤体温度场移动过程，得出以下启示，虽然高温区域关键温度点的温度在降低，但是煤火区纵深还在一直向下蔓延，这是由于高温区域半封闭的裂隙环境导致热量较难向外扩散，扩散的效率较低，在一定程度上促进了煤的燃烧产热和传热扩散。因此，该半封闭环境向外扩散热量始终小于内部燃烧产生的热量，煤氧热反应便循环进行，形成了热氧耦合互促过程，使得煤田火一直无法熄灭。总结以上分析，煤火在深层的蔓延过程中由于形成了微弱裂隙环境，能够渗入的氧气量较少，体积分数较低，煤氧热反应推进较慢，导致高温区域温度下降;其次，正是由于这个微弱裂隙环境，推动了热量的主动运输，造成高温区域不断向纵深蔓延。微弱的裂隙环境已经阻止氧的大量扩散，煤体本身的反应不是高温区域纵深蔓延的主要因素，故笔者认为煤田火的防治应该重点放在火区热提取上，以此为煤田火灾的防治提供理论支撑。

4 结 论

(1)基于煤燃烧过程分析，借鉴现有设备的优点和不足，设计研发了煤火发展演化模拟实验装置，该实验装置能够较好的再现煤火发展演化过程。

(2)煤样热反应在蔓延传播过程中，第1个高温区域在第5小时的时候出现，26 h时迁移至实验炉体底层，整个发展周期为600 h。随着反应进程推进，热量不断向煤体燃烧过程中裂隙产生的方向扩散，呈非线性移动规律。

(3)高温区域关键点燃点温度与峰值温度对应的时间差随着纵深的增加呈指数形式增长，符合函数y=y0+a1exp[(x-x0)/t1];高温区域关键点从燃点到达峰值其温度增长速率随着纵深的增加基本呈线性下降;高温区域关键点氧气体积分数快速下降阶段所经历的时间随着纵深的增加逐渐增大。

(4)随着煤体纵深深度增加，高温区域关键点温度逐渐下降，由于燃烧产生的微弱热裂隙导致氧气传输困难，高温区域纵深移动速度变缓，煤火区半封闭环境导致热量向外散失较少，导致热量在煤体内部传递，其主要迁移规律受制于热氧互促驱动机制。