熱—應力耦合作用下不同粒徑煤自燃氧化升溫特性

劉澤健， 徐永亮，2，3， 呂志廣， 吳晉東， 李敏杰

(1.河南理工大學 安全科學與工程學院， 河南 焦作 454003；2.河南理工大學 煤炭安全生產與清潔高效利用省部共建協(xié)同創(chuàng)新中心，河南 焦作 454003； 3.河南理工大學 河南省瓦斯地質與瓦斯治理重點實驗室——省部共建國家重點實驗室培育基地， 河南 焦作 454003)

0 引言

煤礦采空區(qū)是由不同粒徑煤巖體組成的多孔介質區(qū)域，該區(qū)域內易頻繁發(fā)生煤自燃災害[1-2]。因此，研究煤自燃氧化升溫特性，對于防治采空區(qū)煤自燃具有重要意義。馬礪等[3]采用程序升溫試驗裝置研究了粒徑對煤自燃極限參數的影響，發(fā)現粒徑與煤自燃極限參數滿足二次多項式的關系。賈廷貴等[4]研究了不同水分含量煤自燃氧化的熱特性，得到了煤低溫氧化過程中水分與熱擴散系數和導熱系數之間的關系。何瑾瑤等[5]采用差示掃描量熱法測量了不同粒徑下煤的低溫氧化熱流，結果表明粒徑的減小會導致煤自燃趨勢增加。張亢等[6]研究了3種阻化劑對煤自燃氧化升溫過程的阻化性能，得出復合高吸水性樹脂對煤自燃的抑制效果更好。張嬿妮等[7]研究了不同升溫速率對煤氧化放熱特性的影響，發(fā)現較低的升溫速率會增大煤自燃傾向指數。秦躍平等[8]通過不同粒徑煤樣的程序升溫氧化試驗，得出煤樣氧化速度隨粒徑增大而減小。邵昊等[9]設計了煤自燃氧化升溫靜態(tài)試驗和動態(tài)試驗，驗證了二氧化碳和氮氣對煤的氧化反應速度會產生不同的影響。但上述研究未考慮采空區(qū)中不同粒徑煤會受到垮落煤巖和遺留煤柱產生的軸向應力的作用，致使煤的滲透率、裂隙結構等參數發(fā)生較大改變，進而影響煤自燃氧化升溫進程[10-11]。因此，本文利用荷載加壓煤自燃特性參數測定裝置和氣相色譜儀，研究不同粒徑煤在熱-應力耦合作用下的升溫速率、耗氧速率和產熱速率變化規(guī)律，可為礦井采空區(qū)防控煤自燃災害提供理論指導。

1 實驗

1.1 實驗煤樣

實驗煤樣選用變質程度低的煙煤，其工業(yè)分析和元素分析見表1。新鮮煤體從工作面采出后，用保鮮膜多層嚴密包好。在實驗室氮氣氛圍下剝離煤體外層后，取煤體內芯進行破碎，篩選出粒徑分別為0.6～2.0，2.0～6.0，6.0～10.0 mm的煤樣(分別標記為1號、2號、3號煤樣)[12-14]，并迅速放置于真空干燥箱中干燥48 h[15-16]，以防止水分對氧化升溫過程造成影響。

表1 煤樣工業(yè)分析和元素分析結果Table 1 Results of proximate analysis and ultimate analysis of coal samples %

1.2 實驗裝置與步驟

實驗裝置采用荷載加壓煤自燃特性參數測定裝置聯(lián)合氣相色譜儀，如圖1所示。高壓氣瓶內裝有干空氣，設置氣體壓力為0.3 MPa，流量為1 200 mL/min。反應釜升溫速率為1 ℃/min，加熱溫度范圍為40～400 ℃，上蓋配備有熱電偶，用于檢測反應釜內煤樣溫度。由于反應釜外層包裹升溫加熱套，反應釜內徑較小，可認為在升溫加熱過程中承壓煤樣受熱均勻。氣相色譜儀用于記錄反應釜出口氣體濃度。

1—反應釜； 2—程序升溫裝置； 3—應力表； 4—液壓裝置； 5—氣體流量計； 6—高壓氣瓶； 7—上位機； 8—氣相色譜儀； 9—制冷機；10—排水閥； 11—活塞。圖1 實驗裝置Fig.1 Experimental device

實驗步驟：① 反應釜內煤樣裝填。將活塞降至最低處，取0.8 kg煤樣平鋪放入反應釜，確保反應釜內煤樣的底面積和活塞面積相同，蓋上反應釜上蓋，打開高壓氣瓶。②單軸應力及氣體設置。轉動液壓裝置，分別設置單軸應力為0，2，4，6，8，10 MPa，調節(jié)反應釜進口氣體流量和壓力。③ 升溫設置。待氣體流量計和應力表讀數穩(wěn)定30 min后，開啟程序升溫裝置對反應釜內煤樣進行加熱，并記錄活塞位移。④ 氣體數據采集。每隔10 ℃向氣相色譜儀通入1次反應釜出口氣體；當煤樣升溫速度過快時，每12 min向氣相色譜儀通入1次反應釜出口氣體。

2 氧化升溫特性

2.1 升溫速率

根據式(1)得到不同單軸應力下煤樣升溫速率隨溫度變化曲線，如圖2所示。

(1)

(a) 1號煤樣

(b) 2號煤樣

(c) 3號煤樣圖2 不同單軸應力下煤樣升溫速率隨溫度變化曲線Fig.2 Curves of coal samples heating rate changing with temperature under uniaxial stress

式中：v為煤樣升溫速率，℃/s；θ為煤樣溫度，℃；t為加熱時間，s。

不同粒徑煤樣在不同單軸應力下的升溫速率隨溫度升高變化趨勢具有一致性，整體上均呈先增高后降低趨勢。主要原因為程序升溫裝置對煤樣進行加熱升溫，同時煤與氧氣發(fā)生氧化反應并快速放出熱量，導致煤樣溫度快速升高；隨著溫度繼續(xù)升高，氧化反應逐漸趨于平衡，放熱量基本保持穩(wěn)定，煤樣溫度主要受程序升溫裝置的影響，溫度變化不大，升溫速率逐漸降低。

當單軸應力為2，4，6，8 MPa時，隨著煤樣粒徑增大，最大升溫速率呈先增高后降低趨勢。這主要是因為煤與氧氣之間的接觸面積越大，氧化反應速率越快，放出的熱量越高，導致煤氧化升溫過程中最大升溫速率增大；隨著粒徑繼續(xù)增大，施加單軸應力雖然會使煤樣擠壓而產生裂隙和孔隙結構，但壓裂產生的小粒徑煤會進入裂隙和孔隙結構中，導致煤與氧氣之間相對接觸面積減小，最大升溫速率降低。當單軸應力為10 MPa時，煤樣最大升溫速率隨粒徑增大而增高。這主要是因為單軸應力升至10 MPa時，較大粒徑煤樣被壓實后發(fā)生二次破裂，產生了更大的接觸面積，最大升溫速率升高。

2.2 耗氧速率

根據式(2)得到不同單軸應力下煤樣耗氧速率隨溫度變化曲線，如圖3所示。

(2)

(a) 1號煤樣

(b) 2號煤樣

(c) 3號煤樣圖3 不同單軸應力下煤樣耗氧速率隨溫度變化曲線Fig.3 Curves of coal samples oxygen consumption rate changing with temperature under different uniaxial stress

不同粒徑煤樣在升溫過程中耗氧速率呈先快速增大后緩慢增大趨勢。這主要是因為在氧化初期，參與氧化反應的基團被不斷活化會消耗大量氧氣，同時自由基鏈式反應被激活后，放出的熱量也在促進煤與氧氣之間的反應，提升了氧化反應速率，導致耗氧速率快速增大；隨著溫度升高，參與氧化反應的基團逐漸被活化完全，氧化反應逐漸趨于平衡，消耗的氧氣含量逐漸趨于穩(wěn)定，但由于氧化反應會消耗煤樣本身，產生了裂隙和孔隙結構，增大了與氧氣的接觸面積，從而在較小程度上又會提升耗氧速率，即耗氧速率表現出緩慢增大趨勢。

不同粒徑煤樣耗氧速率總體上均隨單軸應力升高呈增大趨勢。主要原因為單軸應力升高會使大部分煤樣顆粒之間的擠壓程度增大，產生了更大的接觸面積和反應活性位點，且單軸應力升高會降低表面活性基團化學鍵斷裂所需的鍵能，產生的自由基數量增多，導致氧化升溫過程中自由基鏈式反應消耗氧氣更多，所以耗氧速率整體上呈增大趨勢。

2.3 產熱速率

根據式(3)得到不同單軸應力下煤樣產熱速率隨溫度變化曲線，如圖4所示。

(3)

(a) 1號煤樣

(b) 2號煤樣

(c) 3號煤樣圖4 不同單軸應力下煤樣產熱速率隨溫度變化曲線Fig.4 Curves of coal samples heat production rate changing with temperature under different uniaxial stress

式中：Qt為產熱速率，J/s；m為煤樣質量，kg；CP為恒壓比熱系數，J/(kg·K)；T為煤樣熱力學溫度，K；s為反應釜橫截面積，0.007 85 m2；λ為煤樣導熱系數，W/(m2·K)；γ為反應釜進口氣體質量流量，1.61×10-6kg/s;TL為反應釜加熱裝置溫度，K。

不同粒徑煤樣在升溫過程中產熱速率整體呈先基本保持平穩(wěn)再增大后減小趨勢。這主要是由于在100 ℃之前，煤與氧氣接觸主要發(fā)生微弱的化學吸附放熱與物理吸附吸熱過程，吸熱量與放熱量大致相同，所以產熱速率基本保持平穩(wěn)；隨著溫度升高，各類參與氧化反應的基團在加熱過程中被活化，越來越多的活化基團在氧氣供給充足的條件下快速發(fā)生氧化反應，提高了煤與氧氣之間的反應速率，放出大量熱量；當參與反應的活性基團被逐漸氧化消耗殆盡，放出的熱量減少。單軸應力為10 MPa時，在100 ℃之前2號煤樣產熱速率小于0。這主要是由于煤樣此時產生了大量自由基，增強了物理吸附作用，使得化學吸附放出的熱量小于物理吸附吸收的熱量。

1號煤樣施加單軸應力后最大產熱速率小于未施加單軸應力時，2，6，8 MPa下2號煤樣和2，8 MPa下3號煤樣的最大產熱速率大于未施加單軸應力時，表明隨著煤樣粒徑增大，在適當的單軸應力作用下煤樣最大產熱速率會大于未施加單軸應力時。這主要是因為1號煤樣粒徑較小，在施加單軸應力后，相對松散煤樣的接觸面積較小，只有較少的活性基團參與氧化反應，降低了氧化強度，導致放熱量小于松散煤樣；當煤樣粒徑增大，2號和3號煤樣在單軸應力下出現多樣的擠壓和破裂方式，造成氧化升溫過程中活性基團、裂隙和孔隙結構增多的現象，提高了氧化強度，從而最大產熱速率增大。

3 結論

(1) 不同粒徑煤樣在不同單軸應力下的升溫速率隨溫度升高變化趨勢具有一致性，整體上均呈先增高后降低趨勢。當單軸應力為2，4，6，8 MPa時，隨著煤樣粒徑增大，最大升溫速率呈先增高后降低趨勢；當單軸應力為10 MPa時，煤樣最大升溫速率隨粒徑增大而增高。

(2) 不同粒徑煤樣在升溫過程中耗氧速率呈先快速增大后緩慢增大趨勢；不同粒徑煤樣耗氧速率總體上均隨單軸應力升高呈增大趨勢。

(3) 不同粒徑煤樣在升溫過程中產熱速率整體呈先基本保持平穩(wěn)再增大后減小趨勢；隨著煤樣粒徑增大，在適當的單軸應力作用下煤樣最大產熱速率會大于未施加單軸應力時。