粒径不同条件下煤氧化升温规律试验研究

李晓琳

(晋能控股煤业集团 四老沟矿，山西 大同 037000)

工作面回采结束后形成大面积的采空区，在采空区内部充满了粒径大小不一的煤岩颗粒，从而形成多孔介质区域，很容易发生遗煤自然发火[1-3]。所以对煤自然发火氧化升温规律进行研究的意义重大，可为治理采空区遗煤自然发火提供重要依据。

为此，我国科研工作者开展了大量的试验研究，并取得一定的成果。贾廷贵等[4]在神东布尔台42201-1工作面采集煤样、开展热重(TG)和差示扫描量热法(DSC)试验，分析煤在氧化阶段失重与放热规律与水分含量之间的关系，试验结果表明：增加煤体水分可提高煤体温度升高所需的热量，减缓热量传递速率，从而降低煤自燃热传导特性；何瑾瑶等[5]借助差示扫描量热法(DSC)对粒径大小不一的煤发生低温氧化过程进行研究，发现煤在氧化时的热演化规律为由吸热过程逐渐转化为放热过程，粒径越小越能够加快煤氧化放热，同时活化能也开始减少，小粒径的煤自然发火危险性在升高；文虎等[6]借助程序升温法在色连3号矿对5种不同粒径的煤开展研究，发现当空气流量改变时，小粒径煤样的耗氧量变化最敏感，而且空气流量低、粒径小的煤样反应活化能最小；邓军等[7]借助煤自燃程序升温试验装置，研究在低温氧化时，粒径大小不一的煤样气体产物与耗氧速率随温度的变化规律，发现煤样粒径越大，活化能越大的规律。

然而，以上科研工作者进行研究时，没有充分分析覆岩以及保护煤柱形成的轴向应力对工作面采空区中粒径大小不一的煤所产生的影响，进而影响遗煤的裂隙结构、渗透率等参数[8-9]，改变煤的自然发火氧化过程[10-11]。所以，此次试验借助气相色谱仪及荷载加压装置研究煤的氧化升温规律，为指导矿井治理采空区遗煤自然发火提供理论依据。

1 试 验

1.1 制作煤样

晋能控股煤业集团四老沟矿所开采煤层的自燃倾向性为Ⅱ类自燃，吸氧量为0.67 cm3/g干煤，最短自然发火期为86 d。

选用四老沟煤矿较低变质程度的烟煤作为试验煤样，表1为煤样的元素和工业分析结果。在采煤工作面采集新鲜暴露煤样，立即采用保鲜膜密封包裹，在试验室氮气环境下拆开煤样包装，选择煤样内芯粉碎，筛选得到0.6～2.0 mm、2.0～6.0 mm、6.0～10.0 mm共3个粒径尺寸的煤样，命名为A、B、C煤样[12-14]，立即放到真空干燥箱进行48 h干燥[15-16]，避免水分影响煤样的氧化升温反应。

表1 工业分析结果

1.2 试验过程

试验设备包括气相色谱仪、荷载加压煤自燃特性参数测定装置，如图1所示。

图1 试验设备图

在反应釜的上盖安装热电偶，以测定试验时煤样的温度，设置反应釜1 ℃/min的升温速率。因反应釜的外层存在升温加热套，加之反应釜整体面积不大，判定煤样在升温加热阶段受热均匀[17]。

向高压气瓶内充装干空气，设置气体流量为1 200 mL/min，压力为0.3 MPa。

气相色谱仪主要作用是将反应釜出口气体浓度完整记录。

试验过程：

1) 加装煤样。把活塞下调到最低点，在反应釜内放进0.8 kg煤样，要求煤样平铺均匀，保证活塞与煤样的底部面积基本一致，盖住上盖，然后将高压气瓶阀门打开。

2) 设置单轴应力。旋转液压装置，将单轴应力设置为5个档次：0 MPa、2 MPa、4 MPa、6 MPa、8 MPa、10 MPa，控制进入反应釜的气体压力和流量。

3) 设置升温程序。观察应力表和气体流量计，等待读数平稳30 min之后，启动程序升温装置加热煤样，同时记录活塞位移情况。

搜集气体数据。观察温度，间隔10 ℃，把从反应釜出口气体通入1次气相色谱仪；如果煤样升温速度加快，间隔12 min 1次。

2 自燃氧化升温特征

2.1 升温速率特性

依据煤样升温速率、煤样温度、加热时间三者之间的计算公式，具体见公式(1)，获得煤样在单轴应力不同条件下，随温度不断增大升温速率的变化规律，具体如图2所示。

(1)

式中：v为升温速率，℃/s；θ为温度，℃；t为加热时间，s。

在单轴应力不同条件下，粒径不同煤样随温度不断增大，升温速率变化呈现规律基本相同，具有先增大之后下降的特点。出现这一现象的原因是：试验装置在加热煤样升温时，装置中的氧气与煤进行氧化反应同时释放出热量，使得煤样温度很快增大；伴随温度不断增大，煤样的氧化反应逐渐达到平衡状态，放热量趋于稳定，受到试验装置的限制，煤样温度波动不大，升温速率开始下降。

在单轴应力由2 MPa增加到8 MPa时，煤样的最大升温速率伴随煤样粒径升高，表现为先升高之后下降的变化规律。原因是：粒径较小，与氧气接触范围较大，反应速率加快，释放出的热量较多，使得煤样氧化升温时最大升温速率呈现升高趋势；伴随粒径增大，在单轴应力的作用下，煤样发生挤压，再次形成孔隙和裂隙，然而压裂过程中所形成的粒径很小的颗粒充填到孔隙和裂隙之中，使得煤与氧气的接触面积相对减小，最大升温速率开始减缓；在10 MPa单轴应力作用下，随煤样粒径增大，最大升温速率在升高，原因是：当单轴应力达到10 MPa时，粒径较大煤样被压缩形成二次破裂，接触面积再次增大，最大升温速率开始增高。

图2 随温度升高煤样升温速率变化规律图

2.2 耗氧速率特性

结合公式(2)对试验数据进行处理，得到在单轴应力不同条件下随着温度的不断升高，煤样耗氧速率的变化曲线，如图3所示。

(2)

图3 煤样耗氧速率变化曲线图

在升温过程中，粒径不同的煤样耗氧速率表现为先加速升高之后逐步升高的规律，原因是：煤样刚开始氧化时，参与反应的基团在持续不断活化过程中，将反应釜内的大量氧气消耗，在激活自由基链式反应之后，产生热量加快氧化反应，加快了氧化反应速率，从而很快升高耗氧速率；伴随温度增大，逐步将参与反应的基团活化，氧化反应逐步达到平衡状态，氧气含量逐步达到平衡，但因氧化反应的作用，煤样本身形成很多孔隙和裂隙，和氧气的接触区域增大，导致煤样小幅度增大耗氧速率，呈现逐步升高的变化规律。随着单轴应力的增大，粒径大小不同的煤样耗氧速率在升高，原因是：单轴应力增大，导致煤样颗粒相互挤压明显，扩大了接触面积以及活性位点，同时因单轴应力的增大，减少表面活性基团化学键破断所需的键能，增加了自由基数目，使得升温时链式反应消耗更多的氧气。

2.3 产热速率特性

结合公式(3)对试验数据进行处理，得到在单轴应力不同时，随温度不断升高，煤样产热速率的变化曲线，具体如图4所示。

图4 煤样产热速率变化曲线图

(3)

式中：Qt为煤样产热速率，J/s；m为煤样质量，kg；Cp为恒压比热系数，J/(kg·K)；T为煤样热力学温度，K；s为反应釜横截面积，0.007 85 m2；λ为煤样导热系数，W/(m2·K)；γ为反应釜进口气体质量流量，1.61×10-6kg/s；TL为反应釜加热装置温度，K。

在升温时，粒径不同的煤样产热速率表现为先平稳不变接着升高再下降的变化规律，原因是：温度0～100 ℃时，煤样与氧气反应，主要表现为物理吸附吸热和化学吸附放热，吸热量和放热量基本平衡，因此煤样产热速率变化幅度很小；伴随温度增加，在加热时，参加反应的各种基团逐步被激活，处于供给充足氧气环境条件的大量活化基团很快氧化，煤样与氧气反应速率得到加快，释放更多热量；随着活性基团氧化反应后逐步减少，向环境中释放的热量也在降低。

在10 MPa单轴应力作用下，B煤样处于温度0～100 ℃时产热速率低于零，原因是：此时煤样形成很多自由基，物理吸附作用得到加强，导致煤样发生物理吸附作用时吸收热量大于化学吸附作用时放出热量。

在单轴应力作用下，A煤样的最大产热速率比无单轴应力作用时小，B煤样在2 MPa、6 MPa、8 MPa单轴应力作用下最大产热速率比无单轴应力作用时大，C煤样在2 MPa、8 MPa单轴应力作用下的最大产热速率比无单轴应力作用时大，说明：伴随煤样粒径不断增大，煤样在一定的单轴应力影响下最大产热速率比未施加单轴应力时大。原因是A煤样自身粒径较小，当单轴应力施加之后，呈现松散堆积状态的煤样接触面积减小，仅有一小部分的活性基团发生氧化，氧化反应强度较弱，使得释放出的热量比松散煤样小；在增大煤样粒径时，施加单轴应力后B和C煤样发生各种形式的破裂和挤压，使得煤样氧化时孔隙、裂隙和活性基团不断增多，氧化强度得到提高，加快了最大产热速率。

3 结 语

1) 在单轴应力作用下，粒径不同的煤样升温速率变化趋势基本相同，表现为先升高再减少趋势。当2 MPa、4 MPa、6 MPa、8 MPa单轴应力作用下，最大升温速率伴随煤样粒径不断增大而先升高再减少；但在10 MPa单轴应力作用下，随煤样粒径不断增大，最大升温速率却在升高。

2) 在升温时，随单轴应力的增大，粒径不同的煤样耗氧速率表现为先迅速升高后逐步增大，整体为一直升高的变化规律。

3) 在升温时，粒径不同的煤样产热速率变化趋势为初始阶段较平稳、之后升高、最后下降；伴随煤样粒径不断增大，煤样在一定的单轴应力影响下最大产热速率比未施加单轴应力时大。