空氣流量下易燃煤層采空區(qū)遺煤氧化升溫特性研究

左秋玲，李景山

(1.河南工程學(xué)院 安全工程學(xué)院，河南 鄭州 451191；2.鐵道警察學(xué)院 治安學(xué)系，河南 鄭州 450053)

隨著礦井開(kāi)采深度的增加，回采面會(huì)突然涌出大量瓦斯，上隅角和回風(fēng)流中出現(xiàn)的瓦斯超限都是導(dǎo)致瓦斯事故頻發(fā)的常見(jiàn)因素。大多礦井采用加大風(fēng)量的方法來(lái)稀釋瓦斯，但這樣會(huì)增加工作面兩端的壓差，在一定程度上增加了采空區(qū)的漏風(fēng)，使得易自燃煤層采空區(qū)的破碎煤體更易自燃。

國(guó)內(nèi)外學(xué)者針對(duì)煤礦采空區(qū)的自燃做了大量的研究，主要集中在以下幾個(gè)方面：采空區(qū)煤自燃的實(shí)驗(yàn)研究[1-8]、自燃機(jī)制[9-13]、采空區(qū)自燃的各種數(shù)值模擬與分析[14]和煤自燃風(fēng)險(xiǎn)分析[15-16]。目前在漏風(fēng)量對(duì)煤氧化影響的實(shí)驗(yàn)方面，漏風(fēng)量均采用均勻漏風(fēng)，按一定的梯度逐步增加，且漏風(fēng)通道只有一處，無(wú)法滿足采空區(qū)漏風(fēng)通道的實(shí)驗(yàn)要求?；谏鲜龇治觯煌╋L(fēng)量對(duì)深部礦井易燃煤層采空區(qū)遺煤自燃的影響亟須研究。本研究基于九宮格原理，設(shè)計(jì)了采空區(qū)的3種漏風(fēng)通道和空氣流量，開(kāi)展易自燃煤層采空區(qū)煤自燃升溫氧化實(shí)驗(yàn)，研究不同空氣流量下采空區(qū)遺煤的升溫氧化過(guò)程及規(guī)律，得出不同漏風(fēng)量對(duì)采空區(qū)煤自燃的影響程度。

1 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1.1 實(shí)驗(yàn)煤樣的制備

本實(shí)驗(yàn)煤樣取自河南省永錦能源公司云蓋山煤礦一礦(以下簡(jiǎn)稱“云煤一礦”)。云煤一礦位于河南省許昌市禹州市磨街鄉(xiāng)佛山村，被評(píng)測(cè)為高瓦斯礦井。實(shí)驗(yàn)前對(duì)煤樣進(jìn)行處理，采用網(wǎng)篩對(duì)煤樣進(jìn)行篩選，煤樣參數(shù)如表1所示。

表1 實(shí)驗(yàn)煤樣參數(shù)Tab.1 Parameters of experimental coal sample

1.2 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)元件參數(shù)

實(shí)驗(yàn)所用元件及其參數(shù)如下：采空區(qū)煤自燃實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)(15 cm×15 cm×10 cm)、三腳燃燒臺(tái)(h=15 cm)、石棉網(wǎng)(d=20 cm)、帶微孔的封閉罩(16 cm×16 cm×5 cm) 、熱電偶(3個(gè))、CO氣體濃度檢測(cè)儀(1個(gè))、供風(fēng)裝置(1個(gè))。實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)示意圖見(jiàn)圖1。

1.3 實(shí)驗(yàn)流程

(1)將實(shí)驗(yàn)煤樣堆成15 cm×15 cm×8 cm的長(zhǎng)方體，然后在長(zhǎng)方體煤樣內(nèi)部沿中性面每隔2 cm設(shè)置一個(gè)測(cè)溫探頭，自下至上依次記為A、B、C，在煤樣內(nèi)均勻分布，以準(zhǔn)確掌握實(shí)驗(yàn)過(guò)程中煤樣各點(diǎn)溫度變化。測(cè)溫探頭位置如圖2所示。

圖1 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)示意圖Fig.1 Schematic diagram of experimental system

圖2 測(cè)溫點(diǎn)分布情況Fig.2 Distribution of temperature measurement points

(2)用帶微孔的密封罩將采空區(qū)煤自燃實(shí)驗(yàn)臺(tái)封閉，微孔按照九宮格設(shè)置，每小格設(shè)置3個(gè)微孔進(jìn)行供風(fēng)。

(3)對(duì)煤樣進(jìn)行間接加熱，打開(kāi)風(fēng)扇對(duì)微孔進(jìn)行供風(fēng)，模擬3種漏風(fēng)情況，測(cè)試其內(nèi)部溫度和CO濃度的變化。

(4)煤樣下部A點(diǎn)溫度升高至自燃點(diǎn)80 ℃時(shí)，停止外部供熱。

(5)記錄1 h內(nèi)每1 s實(shí)驗(yàn)煤樣溫度、CO濃度和O2濃度的變化，每組數(shù)據(jù)4 000個(gè)，處理數(shù)據(jù)時(shí)每隔100 s選取一個(gè)，共40組。

圖3 密閉罩微孔九宮格分布情況Fig.3 Sudoku distribution of micro-hole in airtight cover

2 基于九宮格原理的漏風(fēng)通道設(shè)計(jì)

由上述實(shí)驗(yàn)流程可知，需要通過(guò)逐步改變封閉罩的微孔分布來(lái)改變漏風(fēng)量，故將微孔密閉罩按照九宮格劃分，具體見(jiàn)圖3。選取3個(gè)區(qū)域模擬不同漏風(fēng)通道：區(qū)域一(4—5—6)，區(qū)域二(1—3—5—7—9)，區(qū)域三(1—2—3—4—5—6—7—8—9)。使用風(fēng)速計(jì)測(cè)得每個(gè)小格的平均風(fēng)速，然后推算出各區(qū)域的平均風(fēng)速，結(jié)果如表2所示。

表2 模擬漏風(fēng)通道下斷面風(fēng)速Tab.2 Simulation wind velocity of cross-section under air leakage passage m/s

微孔密閉罩的微孔直徑為2 mm，平均每小格分布3個(gè)微孔，則每小格的漏風(fēng)面積

S=3.14×r2×3=9.42×10-6m2。

(1)

模擬漏風(fēng)條件時(shí)漏風(fēng)量的計(jì)算公式如下：

qV=V·S，

(2)

式中：qV為漏風(fēng)量，m3/s；v為通過(guò)斷面的平均風(fēng)速，m/s；S為斷面的面積，m2。

實(shí)驗(yàn)時(shí)通過(guò)打開(kāi)微孔密閉罩不同數(shù)量的區(qū)域來(lái)改變漏風(fēng)量，漏風(fēng)量如表3所示。

表3 漏風(fēng)量Tab.3 Air leakage rate

3 結(jié)果與分析

研究漏風(fēng)量與煤自燃特性的變化特征需要從耗氧速率VO2(T)和放熱強(qiáng)度q兩個(gè)方面入手。

3.1 耗氧速率

采用兩種方式計(jì)算耗氧速率。一種是

(3)

式中：qV為漏風(fēng)通道的漏風(fēng)量，10-6m3/s；φ1為進(jìn)口處氧氣體積分?jǐn)?shù)，常取20.9%；φ2為出口處氧氣體積分?jǐn)?shù)，%；L為實(shí)驗(yàn)采空區(qū)腔體的內(nèi)部高度，cm；S為實(shí)驗(yàn)采空區(qū)橫截面積，cm2；n為實(shí)驗(yàn)煤樣空隙率，取0.45。代入實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，得到不同漏風(fēng)量下煤樣的耗氧速率與煤溫的變化規(guī)律。不同漏風(fēng)量下耗氧速率變化曲線1見(jiàn)圖4。

由圖4可以得出：(1)耗氧速率與漏風(fēng)量存在類似的關(guān)系，有3次較為明顯的峰值。第一次峰值出現(xiàn)在48 ℃左右，在實(shí)驗(yàn)腔體內(nèi)煤氧化的初始階段，生成的熱量要小于其向外界放出的熱量。第二次峰值出現(xiàn)在75 ℃左右，這時(shí)候?qū)嶒?yàn)煤樣基本進(jìn)入氧化的第二個(gè)階段——自燃階段，可以看出耗氧速度的變化量比較明顯，但隨著采空區(qū)漏風(fēng)量的影響，實(shí)驗(yàn)煤樣并沒(méi)有直接進(jìn)入第三階段——燃燒，而是呈現(xiàn)下降的趨勢(shì)。這是因?yàn)檫M(jìn)入的空氣流量會(huì)降低實(shí)驗(yàn)腔體內(nèi)的溫度，但由于煤的氧化放熱占據(jù)主導(dǎo)位置，所以使得第三次峰值出現(xiàn)在105 ℃左右，實(shí)驗(yàn)煤樣開(kāi)始燃燒，隨著煤樣的消耗，對(duì)外界的放熱又占據(jù)主導(dǎo)地位，故耗氧速率開(kāi)始急劇下降。(2)小空氣流量下，峰值的變化較平緩且3次峰值下的溫度均最低，但和其他空氣流量相比，峰值出現(xiàn)的溫度均變化不大，說(shuō)明空氣流量的變化對(duì)耗氧速率峰值波動(dòng)的影響不明顯。(3)不同空氣流量下，3次耗氧速率的峰值均與空氣流量密切相關(guān)，空氣流量越大，耗氧速率峰值越高且峰值差也越來(lái)越大。因?yàn)榭諝饬髁看?，說(shuō)明供氧充分，更利于實(shí)驗(yàn)煤樣的氧化。

另一種是徐精彩[17]的公式：

(4)

由圖5可以得出：(1)利用第二種方法計(jì)算出的耗氧速率與漏風(fēng)量的關(guān)系與圖4類似，同樣有3個(gè)峰值出現(xiàn)。(2)大空氣流量下，耗氧速率的3次峰值均高于用第一種方法計(jì)算出的耗氧速率，這說(shuō)明空隙率對(duì)煤樣自燃的影響比較明顯，不可忽略。在空氣流量為165.8×10-6cm3/s和295.8×10-6cm3/s時(shí)，耗氧速率的3次峰值均比用第一種方法計(jì)算出的值要小得多，但當(dāng)空氣流量為97.78×10-6cm3/s時(shí)，耗氧速率峰值的差別不大，這說(shuō)明當(dāng)空氣流量比較小時(shí)，對(duì)實(shí)驗(yàn)腔體內(nèi)煤樣的自燃影響不大。

圖4 不同漏風(fēng)量下耗氧速率變化曲線1Fig.4 The change curve 1 of oxygen consumption rate under different air leakage rates

圖5 不同漏風(fēng)量下耗氧速率變化曲線2Fig.5 Change curve 2 of oxygen consumption rate under different air leakage rates

3.2 放熱強(qiáng)度

煤在低溫階段，其煤氧復(fù)合升溫比較緩慢，產(chǎn)生的熱量q0很小。放熱強(qiáng)度q0(T)的計(jì)算方法有兩種：熱平衡法q0(T)和鍵能估算法(qmin(T)，qmax(T))。這兩種方法所推導(dǎo)出的氧化放熱強(qiáng)度q0(T)的關(guān)系為qmin(T)

假定本實(shí)驗(yàn)腔體內(nèi)流經(jīng)堆積煤體的Tair=Tcoal，風(fēng)流沿縱軸流動(dòng)，在忽略其他熱量交換的前提下，煤氧化過(guò)程中的熱量交換只考慮煤的氧化放熱、腔體壁面?zhèn)鲗?dǎo)散熱和腔體內(nèi)流經(jīng)風(fēng)流的對(duì)流散熱，實(shí)驗(yàn)腔體內(nèi)熱量場(chǎng)交換見(jiàn)圖6。

實(shí)驗(yàn)腔體中心處的熱平衡方程[18]如下：

(5)

(6)

ce=ncg+(1-n)cm，

(7)

ρe=nρg+(1-n)ρm，

(8)

低溫氧化階段，煤的氧化放熱強(qiáng)度q(T)與氧氣體積分?jǐn)?shù)φ成正比，其標(biāo)準(zhǔn)氧氣體積分?jǐn)?shù)下的氧化放熱強(qiáng)度

q0(T)=(φ0/φ1)q(T)。

(9)

實(shí)驗(yàn)煤樣放熱強(qiáng)度變化見(jiàn)圖7。由圖7可以得出：(1)當(dāng)溫度達(dá)到80 ℃左右時(shí)，利用熱平衡法計(jì)算出的放熱強(qiáng)度與溫度呈現(xiàn)指數(shù)變化的關(guān)系；(2)80 ℃之前，煤樣的放熱并不多，放熱強(qiáng)度幾乎沒(méi)有變化，這說(shuō)明在此之前，煤樣均處于積累熱量與放出熱量互相博弈的階段；(3)80 ℃之后，實(shí)驗(yàn)煤樣的放熱強(qiáng)度呈現(xiàn)指數(shù)變化，生成的熱量占據(jù)主導(dǎo)地位，遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于與外界的熱交換，放熱強(qiáng)度急劇升高。

圖6 實(shí)驗(yàn)腔體熱量交換關(guān)系Fig.6 Heat exchange diagram of experimental chamber

圖7 實(shí)驗(yàn)煤樣放熱強(qiáng)度變化Fig.7 Variation diagram of exothermic intensity of experimental coal sample

4 結(jié)論

(1)模擬漏風(fēng)通道的設(shè)計(jì)和風(fēng)速的確定。逐步改變封閉罩的微孔分布以改變漏風(fēng)量，密閉罩微孔按照九宮格劃分，選取3個(gè)區(qū)域作為模擬漏風(fēng)通道，根據(jù)每個(gè)小格的平均風(fēng)速推算出實(shí)驗(yàn)區(qū)域的平均風(fēng)速。

(2)比較了目前使用的兩種耗氧速率計(jì)算方法。考慮煤樣空隙率，耗氧速率有3次較為明顯的峰值，第一次峰值出現(xiàn)在48 ℃左右，第二次峰值出現(xiàn)在75 ℃左右，第三次峰值出現(xiàn)在105 ℃左右；小空氣流量下，峰值的變化較平緩且3次峰值下的溫度均最低；不同空氣流量下，3次耗氧速率的峰值均與空氣流量密切相關(guān)，空氣流量越大，耗氧速率峰值越高且峰值差也越來(lái)越大。不考慮煤樣空隙率，大空氣流量下，耗氧速率的3次峰值均高于用第一種方法計(jì)算出的耗氧速率。在小空氣流量下，耗氧速率的峰值差別不大，說(shuō)明當(dāng)空氣流量較小時(shí)，對(duì)實(shí)驗(yàn)腔體內(nèi)煤樣的自燃影響不大。

(3)利用熱平衡法計(jì)算了放熱強(qiáng)度與溫度之間的關(guān)系。80 ℃之前，煤樣的放熱并不多，放熱強(qiáng)度幾乎沒(méi)有變化；80 ℃之后，實(shí)驗(yàn)煤樣生成的熱量開(kāi)始占據(jù)主導(dǎo)地位，遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于與外界的熱交換，呈指數(shù)變化，放熱強(qiáng)度急劇升高。