單軸應(yīng)力對(duì)煤自燃特性參數(shù)和導(dǎo)熱系數(shù)的影響研究*

徐永亮，左 寧，梁浦浦，荊國松，王蘭云，余明高

(1.河南理工大學(xué) 安全科學(xué)與工程學(xué)院，河南 焦作 454003； 2.河南理工大學(xué) 河南省瓦斯地質(zhì)與瓦斯治理重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室—省部共建國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室培育基地，河南 焦作 454003； 3.煤炭安全生產(chǎn)河南省協(xié)同創(chuàng)新中心，河南 焦作 454003)

0 引言

1.高壓氣瓶;2.減壓閥;3.穩(wěn)壓閥;4.壓力表;5.浮子流量計(jì);6.壓力表;7.程序升溫控制裝置;8.預(yù)熱銅管;9.加熱爐體;10.進(jìn)氣口熱電偶探頭;11.控制溫度熱電偶探頭;12.測點(diǎn)1熱點(diǎn)偶探頭;13.測點(diǎn)2熱電偶探頭; 14.測點(diǎn)3熱電偶探頭;15.出氣管;16.荷載加壓裝置;17.活塞;18.氣相色譜分析儀;19.數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)圖2 荷載加壓煤自燃測定裝置實(shí)物及其系統(tǒng)示意Fig.2 The picture oftesting device to test coal spontaneous combustion characteristic parameters under uniaxial compression and system diagram

煤田自燃火災(zāi)和煤田火的蔓延具有嚴(yán)重的破壞效應(yīng)，在新疆地區(qū)，煤火造成了大量的資源損失，燃燒面積達(dá)720 km2，每年直接燃燒損失的煤炭資源1 360萬t，間接損失的煤炭資源約2億t[1-2]。近幾十年來，為了防治煤田火，國內(nèi)外學(xué)者均進(jìn)行了比較深入的研究。

肖旸、馬曉峰等[3-4]通過研究得出煤田火區(qū)燃燒過程中應(yīng)力場與溫度場的分布規(guī)律以及它們之間的函數(shù)關(guān)系；曾強(qiáng)等[5]確定了煤火控制體內(nèi)不同裂隙區(qū)域空間范圍及其透氣率的計(jì)算方法；楊偉等[6]將裂隙水—孔隙水與溫度場進(jìn)行耦合，證明裂隙水滲流速度是影響巖體溫度的主要因素；Somerton等[7]研究了裂隙煤巖在三軸應(yīng)力作用下甲烷氣體及氮?dú)獾臐B透性，得出隨地應(yīng)力的增加煤層透氣率呈指數(shù)關(guān)系減??；Harpalani等[8]對(duì)含瓦斯煤樣在受載狀態(tài)下的滲透特征進(jìn)行了深入地研究，開創(chuàng)性地研究了含氣煤樣的力學(xué)性質(zhì)，以及瓦斯?jié)B流和煤巖體之間的固氣力學(xué)效應(yīng)。目前，對(duì)應(yīng)力與煤火燃燒關(guān)系的研究主要圍繞裂隙巖體由于結(jié)構(gòu)應(yīng)力變化導(dǎo)致的裂隙發(fā)育規(guī)律及氣體滲流規(guī)律[9-11]開展的，而現(xiàn)存關(guān)于應(yīng)力作用下煤田火自燃規(guī)律和火區(qū)擴(kuò)散機(jī)理仍處于研究空白，因此開展單軸應(yīng)力對(duì)煤自燃和傳熱特性影響的研究具有重要指導(dǎo)意義。本文通過自制荷載加壓煤自燃特性參數(shù)測定裝置對(duì)煤樣進(jìn)行程序升溫，測試煤樣在定壓加載程序升溫過程中不同測點(diǎn)的溫度變化以及煤樣耗氧量，借鑒以往學(xué)者對(duì)常壓下煤自燃和傳熱特性的研究方法[12-14]，計(jì)算單軸應(yīng)力作用下煤氧化動(dòng)力學(xué)參數(shù)和導(dǎo)熱系數(shù)，進(jìn)而定量分析裂隙煤巖體在不同承壓條件下的氧化升溫及傳熱特性，深入了解煤氧化升溫和煤火延燃過程的傳熱機(jī)理，為現(xiàn)場煤田火災(zāi)防治工作提供指導(dǎo)。

1 實(shí)驗(yàn)部分

荷載加壓煤自燃測定試驗(yàn)裝置由爐體、保溫層、氣路、活塞、加熱裝置、檢測部分、顯示器、荷載加壓等部分組成，爐體呈圓柱形，最大裝煤高度為155 mm，裝煤量達(dá)0.8 kg，初裝煤時(shí)活塞長為73 mm，進(jìn)氣管道在爐體周圍環(huán)繞數(shù)圈，保證進(jìn)氣溫度與煤溫相同。在爐體內(nèi)布置3個(gè)熱電偶探頭，測點(diǎn)位置如圖1所示，左側(cè)依次顯示測點(diǎn)1，測點(diǎn)2，測點(diǎn)3，進(jìn)口處以及控制溫度。該程序升溫實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)主要是由供氣裝置、荷載加壓煤自燃特性測定裝置、氣相色譜分析裝置以及數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)組成，荷載加壓煤自燃特性測定裝置實(shí)物圖及其系統(tǒng)示意圖如圖2所示。

圖1 加熱爐體溫度測量點(diǎn)位置Fig.1 The position of measuring points in the furnace

實(shí)驗(yàn)用煤為銅川下石節(jié)煤礦長焰煤，分別稱量粒徑為8～10 mm的煤樣4份，質(zhì)量分別為0.866，0.884，0.881，0.875 kg，將高壓鋼瓶的標(biāo)氣連入氣路，檢查氣路嚴(yán)密性，通入標(biāo)氣，將供風(fēng)流量控制在1 500 mL/min。將爐壁的升溫速率控制在1℃/min，依次施加單軸應(yīng)力為0，2，4，6 MPa，連續(xù)檢測測點(diǎn)的溫度，每隔20 s記錄1次數(shù)據(jù)。

2 煤的氧化過程階段特性

圖3 不同單軸應(yīng)力下煤的升溫速率Fig.3 The heating rate of coal in different uniaxial compression

單軸應(yīng)力/MPa0246T′c/℃106．6112109．4103．1Tg/℃288．6286．3252．9230．1

臨界溫度表征煤發(fā)生劇烈氧化反應(yīng)難易程度。通過觀察發(fā)現(xiàn)，計(jì)算得到的臨界溫度與煤溫和爐溫達(dá)到最大溫差時(shí)的煤溫具有相關(guān)性。煤在單軸應(yīng)力為0,2,4,6 MPa煤溫與爐溫達(dá)到最大溫差時(shí)煤溫分別為104.4,109.5,106.1,97.9℃。相同單軸應(yīng)力下，臨界溫度與達(dá)到最大溫差時(shí)的煤溫相差5℃左右，并且臨界溫度越低，達(dá)到最大溫差時(shí)的煤溫就越低，煤越容易進(jìn)行劇烈氧化反應(yīng)，基于此，可以將煤溫與爐溫達(dá)到最大溫差時(shí)的煤溫作為煤程序升溫過程的臨界溫度Tc，避免了以往通過進(jìn)行一系列復(fù)雜的計(jì)算和擬合，才能得到煤自燃過程的臨界溫度，將達(dá)到最大溫差時(shí)的煤溫作為臨界溫度不僅可以直觀明了的判斷煤劇烈氧化的難易程度，還能容易地對(duì)煤程序升溫過程進(jìn)行階段劃分，如表2所示。

表2 煤在不同單軸應(yīng)力下的階段劃分

3 基于單軸應(yīng)力作用下的煤氧化動(dòng)力學(xué)特性

3.1 程序升溫過程的表觀活化能

煤表觀活化能越小，越容易與氧氣發(fā)生反應(yīng)。根據(jù)文獻(xiàn)[15-16]，可以得到式(1)：

(1)

圖4 煤平均孔隙率隨單軸應(yīng)力的變化Fig.4 The change of coal average porosity with the uniaxial compression

表3 階段1不同單軸應(yīng)力下煤表觀活化能

表4 階段2不同單軸應(yīng)力下煤表觀活化能

階段2，相對(duì)于0 MPa的情況，在單軸應(yīng)力分別為2,4,6 MPa時(shí)，煤平均孔隙率減小了0.028,0.097,0.132，表觀活化能變化了16.327,11.005,-6.955 kJ/mol，隨單軸應(yīng)力增大，煤表觀活化能先增大后減小，隨單軸應(yīng)力增大呈拋物線變化，對(duì)其進(jìn)行擬合，擬合關(guān)系式：y=-2.14x2+11.55x+28.025。當(dāng)單軸應(yīng)力為2.7 MPa時(shí)，煤平均孔隙率為0.41，煤表觀活化能最大。0.41為煤臨界孔隙率，2.7 MPa為階段2臨界軸壓。

綜上所述，臨界溫度越低，階段2煤表觀活化能越小，越容易進(jìn)行劇烈氧化作用，進(jìn)一步說明將煤溫與爐溫達(dá)到最大溫差時(shí)的煤溫作為煤程序升溫過程的臨界溫度具有可靠性。在階段1，當(dāng)單軸應(yīng)力為2 MPa時(shí)，煤平均孔隙率減小，氣體滲流速度減慢，促進(jìn)了煤對(duì)氧氣的吸附作用，煤表觀活化能減小;當(dāng)單軸應(yīng)力為4 MPa時(shí)，煤平均孔隙率為臨界孔隙率，氣體滲流速度非常慢，煤吸附氧能力很弱，使得煤表觀活化能發(fā)生突變達(dá)到最大，所以4 MPa為階段1臨界軸壓;當(dāng)單軸應(yīng)力為6 MPa時(shí)，大于臨界軸壓，煤平均孔隙率小于臨界孔隙率，煤發(fā)生破壞出現(xiàn)裂隙，供氧速率會(huì)增大，煤充分吸附氧氣，使得煤表觀活化能最小。在階段2，當(dāng)單軸應(yīng)力為臨界軸壓2.7 MPa時(shí)，煤表觀活化能最大，當(dāng)單軸應(yīng)力為2 MPa時(shí)，小于臨界軸壓，煤平均孔隙率減小，氣體滲流速度減慢，煤與氧氣的反應(yīng)場所也減小，導(dǎo)致煤表觀活化能增大;當(dāng)單軸應(yīng)力為4 MPa時(shí)，大于臨界軸壓，煤平均孔隙率小于臨界孔隙率，出現(xiàn)裂隙，產(chǎn)生自由基，但是產(chǎn)生自由基數(shù)量不多，所以煤表觀活化能相比于2 MPa減小，但仍然大于0 MPa時(shí)的表觀活化能;當(dāng)單軸應(yīng)力為6 MPa時(shí)，煤破壞程度嚴(yán)重產(chǎn)生大量自由基，使其表觀活化能很小。

3.2 煤平均耗氧速率

表5 階段1不同單軸應(yīng)力下煤平均耗氧速率

表6 階段2不同單軸應(yīng)力下煤平均耗氧速率

煤平均耗氧速率反應(yīng)煤與氧氣的反應(yīng)速率。在階段1，當(dāng)單軸應(yīng)力為2 MPa時(shí)，煤表觀活化能減小，煤吸附能力增強(qiáng)，所以煤平均耗氧速率增大;當(dāng)單軸應(yīng)力為4 MPa時(shí)，煤表觀活化能最大，煤吸附氧能力最弱，所以煤平均耗氧速率最小;當(dāng)單軸應(yīng)力為6 MPa時(shí)，煤的表觀活化能最小，煤吸附氧能力最強(qiáng)，平均耗氧速率也最大。平均孔隙率每減小0.01，單軸應(yīng)力在2,6 MPa的平均耗氧速率分別增大了0.003，0.002 m3/(m3·s)，說明煤平均耗氧速率在臨界軸壓處發(fā)生突變達(dá)到最小，當(dāng)平均耗氧速率增加時(shí)，隨單軸應(yīng)力增大呈線性升高。在階段2，通過擬合煤平均耗氧速率和單軸應(yīng)力的關(guān)系，得到其隨單軸應(yīng)力增大呈拋物線變化，煤表觀活化能先增大，煤與氧氣越難進(jìn)行劇烈氧化反應(yīng)，所以煤平均耗氧速率減小，當(dāng)單軸應(yīng)力為臨界軸壓時(shí)，煤的表觀活化能最大，平均耗氧速率最小，反應(yīng)速率最小;當(dāng)大于臨界軸壓時(shí)，煤出現(xiàn)裂隙，煤表觀活化能減小，煤越容易與氧氣發(fā)生劇烈氧化作用，煤平均耗氧速率增大，反應(yīng)速率增大。

4 基于單軸應(yīng)力作用下的煤程序升溫傳熱特性

4.1 煤導(dǎo)熱系數(shù)隨溫度的變化

在階段1認(rèn)為測點(diǎn)1主要是由于測點(diǎn)3徑向傳熱作用使其溫度升高的。根據(jù)文獻(xiàn)[17]，階段1導(dǎo)熱系數(shù)λ的計(jì)算公式如下：

(2)

式中：ρe是煤真密度，取值為1.40 g/cm3；Ce為煤樣熱容，J/(kg·K)；λ表示煤導(dǎo)熱系數(shù)，W/(m2·K)；Δr為測點(diǎn)1到測點(diǎn)3的距離，m；T1為測點(diǎn)1溫度，K；T3為測點(diǎn)3溫度，K。

在階段2，煤溫升高不僅是由于爐壁傳熱，還有煤與氧氣劇烈氧化反應(yīng)放熱的作用。根據(jù)能量守恒，忽略風(fēng)流帶走的熱量[18]，得到階段2煤導(dǎo)熱系數(shù)的計(jì)算公式如下：

(3)

相比較式(2)而言，增加了，q為放熱強(qiáng)度，J/(m3·s)；n為煤的孔隙率。根據(jù)式(2)和式(4)得到階段1和2煤導(dǎo)熱系數(shù)隨溫度的變化趨勢，如圖5所示。

圖5 階段1，2不同單軸應(yīng)力下λ隨溫度的變化Fig.5 Underuniaxial compression the change of λ with temperature in stage 1and 2

在階段1，煤導(dǎo)熱系數(shù)隨溫度升高先減小后增大。在溫度范圍為35～85℃內(nèi)，煤導(dǎo)熱系數(shù)隨溫度升高降低，導(dǎo)熱性能減弱，在這個(gè)溫度范圍內(nèi)，煤內(nèi)水分由于受熱會(huì)蒸發(fā)，而水的導(dǎo)熱系數(shù)遠(yuǎn)大于空氣和煤固體的導(dǎo)熱系數(shù)，所以隨著水分不斷蒸發(fā)，煤內(nèi)導(dǎo)熱熱阻增大，其導(dǎo)熱系數(shù)隨溫度升高而減小;當(dāng)溫度達(dá)到85℃，煤內(nèi)水分不再蒸發(fā)，煤導(dǎo)熱系數(shù)隨溫度升高逐漸增大，煤導(dǎo)熱能力又逐漸增強(qiáng)，在這個(gè)階段，煤導(dǎo)熱系數(shù)主要受溫差影響，隨溫度升高，煤與爐壁的溫差逐漸增大，所以煤導(dǎo)熱系數(shù)隨溫度升高而增大。在階段2，煤導(dǎo)熱系數(shù)隨溫度升高先減小后增大，當(dāng)煤與氧氣開始發(fā)生劇烈氧化反應(yīng)，煤溫與爐溫的溫差減小，煤導(dǎo)熱系數(shù)減小，導(dǎo)熱性能變差;當(dāng)溫度達(dá)到130℃附近時(shí)，煤導(dǎo)熱系數(shù)會(huì)出現(xiàn)一個(gè)最小值，溫差越大，煤導(dǎo)熱系數(shù)的最小值越大。此后煤導(dǎo)熱系數(shù)隨溫度升高呈指數(shù)增長，在此階段，對(duì)煤導(dǎo)熱系數(shù)影響最大的是溫度，當(dāng)溫度足夠高時(shí)，促進(jìn)了固體分子振動(dòng)以及氣體的擴(kuò)散，使其導(dǎo)熱能力迅速增強(qiáng)。

4.2 煤導(dǎo)熱系數(shù)隨單軸應(yīng)力的變化

據(jù)圖5，得知煤導(dǎo)熱系數(shù)在不同單軸應(yīng)力下隨溫度變化趨勢不同，為了深入了解裂隙巖體的傳熱特性，有必要分析煤導(dǎo)熱系數(shù)隨單軸應(yīng)力的變化情況，如圖6所示。

圖6 階段1，2煤導(dǎo)熱系數(shù)隨單軸應(yīng)力變化Fig.6 The change of heat conductivity coefficient with uniaxial compression in stage 1 and 2

結(jié)果表明，階段1和2煤導(dǎo)熱系數(shù)隨單軸應(yīng)力均呈三次函數(shù)變化，變化關(guān)系式如式(4)，式(5)所示。

y=0.000 16x3-0.001 5x2+0.003 7x-0.015

(4)

y=0.001 2x3-0.01x2+0.017 4x+0.052

(5)

階段1，煤固體分子運(yùn)動(dòng)不活躍，主要是通過氣體流動(dòng)傳熱。當(dāng)單軸應(yīng)力小于1.5 MPa時(shí)，隨單軸應(yīng)力增大，煤平均孔隙率減小，氣體流動(dòng)減慢，熱擴(kuò)散能力減弱，煤導(dǎo)熱系數(shù)減小;當(dāng)單軸應(yīng)力大于1.5 MPa時(shí)，隨單軸應(yīng)力增大，煤與空氣接觸面積開始減小，煤內(nèi)接觸熱阻減小，導(dǎo)熱能力開始增強(qiáng);當(dāng)單軸應(yīng)力為4 MPa時(shí)，煤開始出現(xiàn)裂隙，氣體滲流速度加快，煤導(dǎo)熱系數(shù)繼續(xù)增大;當(dāng)單軸應(yīng)力大于4.5 MPa，隨單軸應(yīng)力增大，煤出現(xiàn)大量裂隙，氣體通道增多，煤固體與氣體接觸面積增大，接觸熱阻增大，導(dǎo)熱系數(shù)開始減小。分別距臨界軸壓2.5，0.5 MPa處，煤導(dǎo)熱系數(shù)出現(xiàn)了極小值和極大值。

階段2，煤固體分子比較活躍，主要是通過固體分子進(jìn)行導(dǎo)熱。當(dāng)單軸應(yīng)力小于1 MPa時(shí)，隨單軸應(yīng)力增大，煤平均孔隙率減小，煤固體與氣體分子接觸面積減小，接觸熱阻減小，煤導(dǎo)熱系數(shù)增大;當(dāng)單軸應(yīng)力大于1 MPa，煤受到擠壓，減小了固體分子振動(dòng)范圍，煤熱擴(kuò)散能力減弱，導(dǎo)熱系數(shù)減小;當(dāng)單軸應(yīng)力為2.7 MPa時(shí)，煤開始出現(xiàn)裂隙，煤與空氣接觸面積增大，煤導(dǎo)熱系數(shù)繼續(xù)減小;當(dāng)單軸應(yīng)力為5 MPa時(shí)，煤受破壞程度嚴(yán)重，煤由原來的大分子分解成小分子，振動(dòng)頻率加快，煤導(dǎo)熱系數(shù)增大，煤導(dǎo)熱系數(shù)的極大值和極小值出現(xiàn)在距臨界軸壓約±2 MPa處。

5 結(jié)論

1)煤程序升溫是一個(gè)非線性動(dòng)態(tài)過程，為了精準(zhǔn)把握單軸應(yīng)力對(duì)煤自燃和傳熱特性的影響，分別分析階段1和2單軸應(yīng)力對(duì)氧化動(dòng)力學(xué)參數(shù)和導(dǎo)熱系數(shù)的影響。

2)在程序升溫條件下，將煤溫與爐溫達(dá)到最大溫差時(shí)的煤溫作為程序升溫過程臨界溫度，來表征煤發(fā)生劇烈氧化反應(yīng)的難易程度，結(jié)果表明臨界溫度越低，表觀活化能越小，與以往實(shí)驗(yàn)結(jié)果一致，避免了以往經(jīng)過一系列復(fù)雜的計(jì)算才能得到煤自燃過程的臨界溫度。

3)根據(jù)氧化動(dòng)力學(xué)分析，在階段1，當(dāng)單軸應(yīng)力為臨界軸壓4 MPa時(shí)，煤表觀活化能最大，平均耗氧速率最小，從0 MPa到2，6 MPa時(shí)，煤表觀活化能隨單軸應(yīng)力增大呈線性降低，煤平均耗氧速率隨單軸應(yīng)力增大呈線性升高；在階段2，煤程序升溫過程臨界溫度越低，表觀活化能越小，平均耗氧速率越大，煤表觀活化能和平均耗氧速率隨單軸應(yīng)力增大均呈拋物線變化，當(dāng)單軸應(yīng)力為2.7 MPa時(shí)，煤表觀活化能最大，平均耗氧速率最小。單軸應(yīng)力越大，溫度交叉點(diǎn)出現(xiàn)越遲，煤自燃進(jìn)程就越慢。

4)階段1和2，煤導(dǎo)熱系數(shù)隨溫度升高均先減小后增大。階段1，2煤導(dǎo)熱系數(shù)隨單軸應(yīng)力增大均呈三次函數(shù)變化。階段1：當(dāng)單軸應(yīng)力小于1.5 MPa時(shí)，煤導(dǎo)熱系數(shù)隨單軸應(yīng)力增大而減小，當(dāng)單軸應(yīng)力大于1.5 MPa小于4.5 MPa時(shí)，煤導(dǎo)熱系數(shù)隨單軸應(yīng)力增大而減小，當(dāng)單軸應(yīng)力大于4.5 MPa，煤導(dǎo)熱系數(shù)隨單軸應(yīng)力增大而增大，單軸應(yīng)力為1，5 MPa時(shí)，導(dǎo)熱系數(shù)分別出現(xiàn)了極大值和極小值；階段2：當(dāng)單軸應(yīng)力小于1 MPa時(shí)，煤導(dǎo)熱系數(shù)隨單軸應(yīng)力增大而增大，當(dāng)單軸應(yīng)力大于1 MPa小于5 MPa時(shí)，煤導(dǎo)熱系數(shù)隨單軸應(yīng)力增大而減小，當(dāng)單軸應(yīng)力大于5 MPa，煤導(dǎo)熱系數(shù)隨單軸應(yīng)力增大而增大，煤導(dǎo)熱系數(shù)極大值和極小值出現(xiàn)在距臨界軸壓約±2 MPa處。極值點(diǎn)標(biāo)志導(dǎo)熱系數(shù)隨單軸應(yīng)力增大變化趨勢發(fā)生了轉(zhuǎn)變，對(duì)阻止裂隙巖體傳熱具有重要指導(dǎo)作用。

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