不同通風(fēng)條件下的煤顆粒堆積床陰燃傳播特性

李勁松，李?君，楊軼楠

不同通風(fēng)條件下的煤顆粒堆積床陰燃傳播特性

李勁松，李?君，楊軼楠

(天津大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，天津 300072)

地下煤火持續(xù)燃燒是煤火陰燃蔓延的結(jié)果，設(shè)計(jì)搭建實(shí)驗(yàn)室尺度下的煤火陰燃實(shí)驗(yàn)?zāi)M裝置，研究了煤炭在強(qiáng)制點(diǎn)火后的陰燃傳播過(guò)程．通過(guò)改變每組實(shí)驗(yàn)裝置的邊界通風(fēng)條件，了解影響陰燃發(fā)生和發(fā)展的相關(guān)因素．結(jié)果表明：陰燃過(guò)程中煤-氧反應(yīng)強(qiáng)度主要取決于局部氧濃度，供氧和散熱主導(dǎo)下的典型陰燃峰值溫度在500～650℃之間；熱傳導(dǎo)和氧化反應(yīng)維持著著干燥鋒的水平傳播；側(cè)邊通風(fēng)加快了邊界處煤樣的氧化反應(yīng)進(jìn)程，峰值溫度上升至原來(lái)的1～1.2倍，對(duì)遠(yuǎn)離邊界的內(nèi)部煤樣升溫過(guò)程影響逐漸減小直至消失；頂部蓋板將淺層煤樣中干燥鋒傳播所需的6.8h縮短近一半，使其能夠提早進(jìn)入快速氧化階段，同時(shí)限制氧氣獲取，氧化反應(yīng)強(qiáng)度降低．

煤堆陰燃；局部氧濃度；通風(fēng)條件；干燥前沿

陰燃驅(qū)使下的地下煤火是世界上最持久的燃燒現(xiàn)象，嚴(yán)重威脅著自然環(huán)境和人類健康．僅中國(guó)新疆、內(nèi)蒙古、寧夏等地煤田火區(qū)總面積高達(dá)720km2，平均年燒毀煤炭資源1億噸，印度美國(guó)等也面臨類似的問(wèn)題[1]．同時(shí)，我國(guó)煤田火區(qū)放出的CO2占全球排放量的2%～3%，加重了全球溫室效應(yīng)．火區(qū)產(chǎn)生的煤焦油和苯并[a]芘都是確認(rèn)的致癌物，長(zhǎng)期生活在煤火附近的人群癌癥發(fā)病率明顯增加[1]，認(rèn)識(shí)到陰燃發(fā)生、發(fā)展過(guò)程對(duì)于煤火治理非常重要．陰燃是一種低溫、緩慢的無(wú)焰燃燒形式，通常涉及到干燥、熱解、氧化多步反應(yīng)[2]．煤在吸熱熱解后析出揮發(fā)性氣體，形成固態(tài)焦炭，陰燃的氧化過(guò)程區(qū)別于有焰燃燒，只有固態(tài)燃料和熱解產(chǎn)物與氧氣發(fā)生氣-固兩相反應(yīng)，揮發(fā)分不參與其中[3-4]．

陰燃廣泛存在于具有炭化傾向多孔燃料內(nèi)[5]，包括合成燃料，如聚氨酯泡沫和纖維素材料，以及天然燃料，如有機(jī)土壤和煤．近年來(lái)，國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)室內(nèi)火災(zāi)和森林火災(zāi)的陰燃燃燒進(jìn)行了大量實(shí)驗(yàn)和理論研究，Wang等[6]量化分析了空氣流量對(duì)于聚氨酯泡沫陰燃特性的影響，得到了穩(wěn)態(tài)陰燃擴(kuò)散速率隨流量的變化趨勢(shì)．Torero等[7]研究了不同長(zhǎng)度和尺寸的聚氨酯泡沫正向陰燃傳播機(jī)理．Hagen等[8]基于對(duì)棉織物邊界處保溫實(shí)驗(yàn)的認(rèn)識(shí)，發(fā)現(xiàn)陰燃和焦炭的二次氧化在邊界處共存是陰燃向有焰火轉(zhuǎn)變的關(guān)鍵．Huang等[3]利用五步動(dòng)力學(xué)模型解釋了泥炭向上-向下陰燃實(shí)驗(yàn)中，熱解和氧化同時(shí)存在并相互競(jìng)爭(zhēng)的關(guān)系. Huang等[9]探究了陰燃泥炭水平蔓延過(guò)程中供氧和水分對(duì)于懸臂周期性形成和塌陷的作用．Yang等[10]研究了氧濃度對(duì)泥炭水平陰燃的影響，并通過(guò)數(shù)值分析提出了陰燃向有焰火轉(zhuǎn)變的判據(jù)．He等[11]在實(shí)驗(yàn)中逐條討論了點(diǎn)火條件、顆粒粒徑、燃料床高度對(duì)于木炭顆粒向上-向下陰燃的影響，并對(duì)煙氣成分進(jìn)行了分析．這些燃料的組成與結(jié)構(gòu)和煤有很大的區(qū)別，意味著陰燃機(jī)理和特性也不盡相同，為了掌握煤火陰燃特性，有必要對(duì)煤炭進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究．

相較于上述燃料，針對(duì)煤炭陰燃的研究相對(duì)較少，Qi等[12]搭建了模擬采空區(qū)的陰燃實(shí)驗(yàn)裝置，研究了水平、豎直、正、反向煤堆陰燃特性及差異．Wu?等[13]采用熱籃實(shí)驗(yàn)重點(diǎn)研究了氧氣和惰性氣體在化學(xué)吸附和陰燃中的作用．Hadden等[4]研究了粒徑為7～45mm的煤粒最大陰燃溫度和蔓延速率．然而，現(xiàn)有的實(shí)驗(yàn)與真實(shí)的煤火蔓延存在差異，地下煤火是半開(kāi)放系統(tǒng)，其開(kāi)放程度取決于邊界的通風(fēng)條件．本實(shí)驗(yàn)?zāi)康氖翘骄坎煌L(fēng)條件下的陰燃傳播過(guò)程，將通過(guò)更換兩種不同類型的側(cè)邊擋板(實(shí)心板/孔板)和安插頂部蓋層來(lái)模擬多種通風(fēng)場(chǎng)景．

1?實(shí)?驗(yàn)

1.1?實(shí)驗(yàn)裝置

所有實(shí)驗(yàn)均在實(shí)驗(yàn)室內(nèi)進(jìn)行，房間內(nèi)通風(fēng)良好，室內(nèi)溫度為29～31℃，用于反應(yīng)的煤火實(shí)驗(yàn)設(shè)備示意圖如圖1所示．該裝置最顯著的設(shè)計(jì)特點(diǎn)是燃燒器內(nèi)壁加工有通槽結(jié)構(gòu)，兩側(cè)擋板和頂部蓋板可沿槽插入或取出，可以更換不同類型插板．

圖1?實(shí)驗(yàn)裝置及熱電偶陣列布置簡(jiǎn)圖(單位：cm)

為滿足實(shí)驗(yàn)多組工況的設(shè)計(jì)需求，不銹鋼燃燒器的主體以加熱棒為中線，呈對(duì)稱結(jié)構(gòu)，內(nèi)部尺寸為25cm×15cm×10cm，壁面厚度為0.4cm，尺寸方面參考了Huang等人[3-4,9]的陰燃實(shí)驗(yàn)裝置．箱體的側(cè)壁和底壁均包裹1.5cm厚度的保溫棉，減少燃燒器對(duì)環(huán)境的散熱損失．側(cè)擋板有兩種類型，一種為實(shí)心擋板，另外一種是開(kāi)孔擋板，孔徑為8mm，孔間距為15mm，順排布置在擋板上，通孔率均為20%.頂部蓋板也是孔板，孔位布置和開(kāi)孔側(cè)擋板一致.

1.2?煤樣

實(shí)驗(yàn)選用的煙煤[1,14]樣品取自中國(guó)內(nèi)蒙古罐子溝礦區(qū)．其工業(yè)分析和元素分析結(jié)果如表1和表2所示，中高揮發(fā)分，變質(zhì)程度較低．

表1?實(shí)驗(yàn)煤樣的工業(yè)分析

Tab.1?Proximate analysis of coal sample

表2?實(shí)驗(yàn)煤樣的元素分析

Tab.2?Elemental analysis of coal sample

1.3?點(diǎn)火

點(diǎn)火源為單管加熱棒，它由不銹鋼、電阻絲和氧化鎂制成，其電阻不可避免地隨著加熱過(guò)程溫度的升高而有所增加．以85W的加熱過(guò)程為例，當(dāng)通過(guò)直流電源提供35V的恒定電壓時(shí)，初始電流量為2.46A，隨著加熱的進(jìn)行，電流量逐漸降至2.43A并穩(wěn)定下來(lái)．加熱過(guò)程中，加熱棒的阻值由14.23Ω變?yōu)?4.40Ω，功率由86.1W降至85W，加熱棒負(fù)載功率雖有下降，但很快趨于穩(wěn)定，加熱過(guò)程幾乎可視為恒熱流密度加熱，加熱功率為85W時(shí)，熱流密度為16.1kW/m2．

陰燃點(diǎn)火過(guò)程中不會(huì)出現(xiàn)明火等直觀的物理現(xiàn)象來(lái)判定材料是否點(diǎn)燃，學(xué)者們對(duì)于陰燃點(diǎn)燃主要定性地從陰燃反應(yīng)中熱釋放速率開(kāi)始超過(guò)系統(tǒng)的熱損失速率來(lái)分析相關(guān)特征點(diǎn)[15-16]．

煤炭經(jīng)過(guò)錘式破碎機(jī)破碎后，用篩子篩出較大煤顆粒(5～10目)進(jìn)行點(diǎn)火實(shí)驗(yàn)，大顆粒煤炭堆積床的點(diǎn)火情況如圖2所示．當(dāng)加熱棒以85W的功率加熱3h后，供氧條件較好且豎直和水平方向距加熱棒2.5cm處，A1、A2兩點(diǎn)的溫度為373℃和264℃，低于典型陰燃的峰值溫度(400～650℃)．停止加熱后，氧化反應(yīng)釋放的熱量不足以維持陰燃的傳播，陰燃很快熄滅．適當(dāng)?shù)貙⒓訜峁β侍岣咧?00W，并且延長(zhǎng)點(diǎn)火時(shí)間，加熱至3.7h左右，加熱棒因溫度過(guò)高而燒毀，直流電源的數(shù)據(jù)顯示異常，不得不關(guān)閉點(diǎn)火，此時(shí)A1、A2溫度分別為435℃和346℃，停止加熱后陰燃很快熄滅．現(xiàn)有的加熱條件及煤顆粒堆積床高度下，難以直接點(diǎn)燃大粒徑煤床．大顆粒(2～3mm)木炭陰燃實(shí)驗(yàn)中點(diǎn)火也出現(xiàn)類似現(xiàn)象，木炭顆粒在加熱器最大允許溫度(1070℃)下加熱20h，燃料床也無(wú)法成功點(diǎn)火[11]．

因此，通過(guò)磨粉機(jī)將煤粒進(jìn)一步研磨，篩選出20目(約1mm)煤粒進(jìn)行點(diǎn)火實(shí)驗(yàn)．采用相同規(guī)格加熱棒以85W功率加熱3h，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖3所示，停止加熱后，雖然存在塌陷，A1、A2點(diǎn)燃過(guò)程中的最高溫度均超過(guò)了400℃，停止加熱后，點(diǎn)火成功，陰燃能一直傳播下去．并且該點(diǎn)火方案在供氧條件較差的蓋層實(shí)驗(yàn)中仍然能夠?qū)崿F(xiàn)成功點(diǎn)火．為保證實(shí)驗(yàn)可重復(fù)性和單一變量原則，選用20目以下的小煤粒進(jìn)行實(shí)驗(yàn)．

圖2 2～5mm粒徑煤顆粒堆積床加熱過(guò)程溫度隨時(shí)間變化曲線

綜合上述實(shí)驗(yàn)結(jié)果和之前研究[17]的結(jié)果表明，在氧濃度足夠的情況下，增加點(diǎn)火功率，延長(zhǎng)點(diǎn)火時(shí)間，減小煤顆粒堆積床的粒徑，都加速了煤堆的熱量積蓄過(guò)程，如果沒(méi)有足夠的熱量積累，煤-氧反應(yīng)即使進(jìn)入快速氧化階段也是不可持續(xù)的，只有形成一定厚度的氧化反應(yīng)區(qū)時(shí)，煤堆才能被成功點(diǎn)燃并進(jìn)一步演變成火災(zāi)．

何潤(rùn)濤(加拿大) 牛柯棋(中國(guó)臺(tái)灣) Christian Heiden(德國(guó)) David Campbell Brown(英國(guó))

1.4?實(shí)驗(yàn)方案及步驟

在燃燒器上進(jìn)行了4種不同邊界條件下的陰燃實(shí)驗(yàn)，邊界條件的詳細(xì)設(shè)置見(jiàn)表3．表3中，除工況3外，其余各組實(shí)驗(yàn)均是以加熱棒為中心線左右對(duì)稱結(jié)構(gòu)，在對(duì)稱實(shí)驗(yàn)中只布置了右側(cè)熱點(diǎn)偶，中心線往右依次布置第1、2、3、4、5列熱電偶，左側(cè)的熱電偶均未布置．每次實(shí)驗(yàn)的過(guò)程如下：

(1) 在燃燒器中填入煤樣，裝煤高度為9cm，并用直板將樣品表面刷至平整，在不壓實(shí)或搗固的情況下去除多余的材料．

(2) 插入1.6mm鎧裝熱電偶至煤樣中心，打開(kāi)電腦配置溫度掃描通道，將采樣時(shí)間設(shè)為每次1min. 使用紅外熱像儀記錄煤層表面溫度變化，前15h實(shí)驗(yàn)中拍照間隔為每次30min．

表3?實(shí)驗(yàn)方案及設(shè)計(jì)

Tab.3?Experimental scheme and design

(3) 打開(kāi)直流電源，調(diào)節(jié)輸入電壓為35V，輸出功率為85W，加熱3h后關(guān)閉電源，關(guān)閉電源后，采集裝置仍然連續(xù)采集煤樣溫度．

(4) 當(dāng)各熱電偶測(cè)點(diǎn)的溫度降至室溫，停止掃描并保存數(shù)據(jù)，拔出熱電偶并取出陰燃后的煤樣稱重，完成操作后清理實(shí)驗(yàn)臺(tái)．

(5) 依照設(shè)計(jì)的試驗(yàn)方案，重復(fù)上述步驟，工況4中頂部存在蓋板，燃燒過(guò)程中不再使用紅外熱像儀觀測(cè)煤層表面．

2?實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

在改變兩側(cè)及頂部通風(fēng)條件之前，對(duì)參照工況(工況1，見(jiàn)表3)進(jìn)行了重復(fù)性實(shí)驗(yàn)，結(jié)果如圖3所示．兩次獨(dú)立的實(shí)驗(yàn)在相同的實(shí)驗(yàn)條件下進(jìn)行，并隨時(shí)間測(cè)量了煤層不同位置的溫度，可以看出兩次獨(dú)立實(shí)驗(yàn)的升溫過(guò)程一致性較好，造成A1～A3存在一定差異的原因是加熱過(guò)程存在內(nèi)部的塌陷，由于煤層粒度不均勻以及兩次煤樣的堆積情況并不能夠完全相同，導(dǎo)致塌陷難以重復(fù)．基于圖3所示結(jié)果，實(shí)驗(yàn)裝置的可重復(fù)性得到了確認(rèn)，因此，對(duì)于表3列出的其余工況，實(shí)驗(yàn)只進(jìn)行一次．

2.1?參照實(shí)驗(yàn)

2.1.1?過(guò)程分解

燃燒器中各處煤炭的陰燃過(guò)程均可分解成3個(gè)連續(xù)的階段，以B3位置的溫度變化過(guò)程為例，如圖4所示．0～0的預(yù)熱干燥過(guò)程為第Ⅰ階段，從50℃開(kāi)始，盡管熱源繼續(xù)加熱煤床，但歸因于水分的蒸發(fā)，煤的升溫過(guò)程趨于平緩，直至0時(shí)刻，升溫速率迅速提高，此時(shí)干燥脫水已經(jīng)基本完成．表明干燥鋒在這一時(shí)刻擴(kuò)展到B3位置，此時(shí)對(duì)應(yīng)的溫度拐點(diǎn)0為85℃，0通常被視為煤由緩慢氧化向快速氧化轉(zhuǎn)變的標(biāo)志點(diǎn)溫度[18]．0～peak為煤樣的升溫階段，涉及到熱解和氧化的多步反應(yīng)，熱解是放熱反應(yīng)，反應(yīng)通常發(fā)生在200℃以后[3]，氧化放熱強(qiáng)度取決于局部氧氣的獲取條件，通過(guò)釋放凈熱量使煤樣到達(dá)其峰值溫度peak．此后散熱量超過(guò)氧化放出的熱量，不能繼續(xù)維持最高的溫度，陰燃進(jìn)入冷卻階段，在b時(shí)刻，煤溫降至環(huán)境溫度，陰燃過(guò)程結(jié)束，剩余物質(zhì)灰燼和煤焦是礦物質(zhì)和不完全燃燒的結(jié)果．

圖4?B3處煤樣和加熱棒的溫度隨時(shí)間的變化

2.1.2?陰燃溫度分析

由圖3可以直觀地看出，同一深度的升溫趨勢(shì)基本一致，不同深度的陰燃升溫過(guò)程差異明顯．距加熱棒水平距離7.5cm的第4列受加熱過(guò)程及外部環(huán)境的影響很小，選取這一列的溫度及溫升速度進(jìn)行分析，繪制圖5所示曲線．氧氣供給和散熱主導(dǎo)著峰值溫度及陰燃時(shí)間，淺層煤樣的局部供氧條件好，但散熱損失較大，陰燃時(shí)間較短，其峰值溫度遠(yuǎn)不如保溫條件較好的B層煤樣．圖5(b)可以看出，進(jìn)入快速氧化階段后溫升速度主要受限于局部氧氣濃度，氧濃度越高，溫升速度越大．200℃以后，隨著熱解的發(fā)生，各點(diǎn)的溫升速度逐漸降低．并且通過(guò)觀察發(fā)現(xiàn)，更有利的氧氣供給可以降低煤向快速氧化轉(zhuǎn)變的標(biāo)志溫度(0)[19]．

圖5 第4列煤樣溫度及溫升速度的變化曲線

2.1.3?水平陰燃傳播特性

借鑒聚氨酯泡沫陰燃研究方法[14]，繪制了如圖6所示的典型時(shí)刻陰燃波曲線，橫坐標(biāo)表示距加熱棒的水平距離．對(duì)于A層陰燃波而言，可以明顯地看出，隨著時(shí)間的推移，氧化擴(kuò)散以鋒面的形式向右傳播，其傳播速度和該點(diǎn)的干燥鋒傳播速度相同，均為0.25mm/min．但對(duì)于C層煤樣，由于氧濃度貧乏，氧化時(shí)間較長(zhǎng)，5～34h陰燃的發(fā)展過(guò)程中，氧化反應(yīng)區(qū)不斷延伸，氧化區(qū)厚度增加，直至分布存在于各個(gè)位置．沿水平擴(kuò)散方向上各點(diǎn)達(dá)到其峰值溫度的時(shí)間也不分先后．C2處在39h達(dá)到其峰值溫度，C3處在34h達(dá)到其峰值溫度．因此，對(duì)于陰燃傳播速度的分析，本文以干燥前沿的傳播速度變化為主．

根據(jù)干燥前沿到達(dá)兩點(diǎn)的時(shí)間差和這兩點(diǎn)的距離，可以計(jì)算出干燥前沿的傳播速率，即距離和時(shí)間的比值．圖7為水平方向各點(diǎn)干燥鋒傳播速度，橫坐標(biāo)表示距離加熱棒的水平距離，點(diǎn)火階段干燥前沿已經(jīng)傳播至5cm位置．關(guān)火前，干燥前沿的傳播主要受加熱棒導(dǎo)熱所主導(dǎo)，傳熱量與煤樣和加熱棒之間的距離有關(guān)．如圈中所示的兩點(diǎn)，距離加熱棒較近的緣故，熱阻較小，熱源導(dǎo)熱量大，傳播速度快，距離越遠(yuǎn)，傳播速度越?。P(guān)火后，氧化反應(yīng)維持干燥鋒的傳播，深度越深，傳播速度越慢．并且，在整個(gè)傳播過(guò)程中，氧濃度越高，傳播過(guò)程對(duì)熱源的依賴性越小，A層在關(guān)火前后傳播速度變化幅度最?。?/p>

圖6 A，C兩層陰燃過(guò)程中某時(shí)刻典型陰燃波曲線

圖7?干燥鋒傳播速度

2.2?側(cè)邊通風(fēng)對(duì)陰燃的影響

由圖8可以看出，兩側(cè)通風(fēng)改善了邊界附近煤樣的供氧條件，對(duì)遠(yuǎn)離邊界的內(nèi)部煤樣影響逐漸減?。绲?列的溫度變化不受兩側(cè)通風(fēng)的影響，位于邊界位置處的第5列，兩側(cè)的漏風(fēng)供氧提高了各點(diǎn)的氧化反應(yīng)強(qiáng)度，相應(yīng)的升溫速率和峰值溫度都有所提高．對(duì)于原本氧濃度較高的淺層煤炭而言，提高并不明顯，對(duì)于原本氧濃度較低的深層煤炭，升溫速度和峰值溫度的變化最為顯著．然而，值得注意的是，即使存在兩側(cè)的供氧增強(qiáng)，A、B、C 3層沿深度方向的氧濃度梯度依然存在．

圖8?兩側(cè)通風(fēng)對(duì)煤溫隨時(shí)間變化的影響

圖9為兩側(cè)通風(fēng)前后干燥鋒傳播速度的對(duì)比，由圖可知，兩側(cè)的通風(fēng)對(duì)于各點(diǎn)干燥鋒的傳播速度影響很小，原因是兩側(cè)通風(fēng)對(duì)內(nèi)部煤樣的局部供氧條件和散熱條件影響很小，用于維持干燥前沿傳播的氧化反應(yīng)強(qiáng)度不變，導(dǎo)熱過(guò)程變化很小，結(jié)果表明，在表面開(kāi)放程度較大的情況下，兩側(cè)通風(fēng)對(duì)干燥鋒的傳播影響較小．

圖9?兩側(cè)通風(fēng)對(duì)干燥鋒傳播速度的影響

單側(cè)通風(fēng)時(shí)，左右兩側(cè)熱電偶溫度變化的對(duì)比結(jié)果和圖8所示的結(jié)論一致，此處不再贅述．從圖10的表面紅外圖像可以得知，在2h時(shí)刻，表面形成一個(gè)環(huán)狀的凹陷．當(dāng)有一側(cè)進(jìn)氣時(shí)，以暴露在空氣中的熱電偶A1為中心線，兩端溫度分布沒(méi)有明顯的差異，從頂部的燃燒情況難以辨別是否存在側(cè)邊進(jìn)風(fēng)的情況．說(shuō)明地下煤火地治理和監(jiān)測(cè)中，通過(guò)觀察表面的燃燒情況很難直接判斷是否存在側(cè)邊漏風(fēng)的情況.

圖10?單側(cè)通風(fēng)條件下煤層表面紅外圖像

2.3?蓋層對(duì)陰燃的影響

在燃燒器的頂部位置插入開(kāi)孔蓋板時(shí)，蓋板與煤層表面存在著1cm的間隙，空隙設(shè)計(jì)的初衷是如果蓋層緊壓煤層，煤層表面會(huì)以“斑點(diǎn)”的形式燃燒和傳播，不利于同一平面的定量研究．并且，實(shí)際煤層與各巖層之間也存在有空腔相互連通[20]．

在分析蓋板對(duì)煤體升溫過(guò)程的影響時(shí)，A1、A2、A3受加熱過(guò)程中的塌陷影響較大．為減少塌陷等因素對(duì)陰燃升溫過(guò)程的影響，選取穩(wěn)定陰燃傳播段的4、5兩列測(cè)點(diǎn)，比較其升溫過(guò)程溫度變化規(guī)律，如圖11所示．當(dāng)頂部蓋板后，一方面，限制了氧氣的供應(yīng)，煤床表面的氧氣濃度減少，A層煤樣升溫速度放緩，氧化時(shí)間延長(zhǎng)；另一方面，限制了煙氣的逸散，在蓋層的保溫作用和煙氣的預(yù)熱下，煤樣能夠提早地進(jìn)入快速氧化階段．隨著深度的增加，蓋板的保溫效果和對(duì)氧氣獲取的限制程度逐漸減弱，對(duì)于C層煤樣而言，局部氧濃度變化很小，升溫過(guò)程變化幅度不大.

圖11?頂部蓋板對(duì)煤溫隨時(shí)間變化的影響

圖12為蓋板實(shí)驗(yàn)和參照實(shí)驗(yàn)的干燥鋒傳播速度對(duì)比，頂部插入蓋板后，得益于保溫效果得到增強(qiáng)，A層各點(diǎn)干燥鋒的傳播速度都有所提高，特別是在A4、A5兩點(diǎn)，傳播速度有較大的提高．結(jié)合溫度曲線分析得知，主要是干燥時(shí)間縮短，A4處煤溫從50℃上升至約86℃(快速氧化的標(biāo)志點(diǎn)溫度)的時(shí)間由參照實(shí)驗(yàn)的2.6h縮短至蓋板實(shí)驗(yàn)的1.5h，A5由3.4h縮短至0.9h．這是因?yàn)樵絹?lái)越多的煙氣難以直接逸散，滯留在空腔之中．這些煙氣從傳質(zhì)、傳熱兩方面影響干燥過(guò)程，傳熱方面，煙氣能預(yù)熱干燥淺層煤樣；在傳質(zhì)方面，煙氣中包含有水蒸氣，煙氣含量越高，水蒸氣含量就越高，空氣水蒸氣分壓力越大，在煤表面蒸汽壓不變的情況下，傳質(zhì)阻力增大(蒸汽壓差)，干燥時(shí)間縮短．蓋層對(duì)于B、C兩層除B5外大部分位置的傳播速度影響很小，B5干燥鋒傳播速度加快是由于距其較近的A5提早進(jìn)入快速氧化階段，由氧化放熱造成的．

圖12?蓋板對(duì)干燥鋒傳播速度的影響

3?結(jié)?論

(1) 煤樣的氧化反應(yīng)強(qiáng)度主要受限于局部氧氣濃度，沿深度方向，最大溫升速度由7.9℃/min依次降至1.1℃/min，供氧和散熱主導(dǎo)下的典型陰燃峰值溫度為500～650℃．

(2) 氧化放熱和熱傳導(dǎo)維持著干燥鋒的傳播，淺層煤樣在更有利的氧氣供給下，干燥鋒、氧化鋒的傳播速度穩(wěn)定在0.25mm/min．干燥鋒的傳播速度隨氧濃度的減小而逐漸降低．對(duì)于氧濃度較低的深層煤樣，其氧化擴(kuò)散不再以鋒面的形式傳播，氧化反應(yīng)區(qū)不斷延伸，厚度增加，使得氧化反應(yīng)分布存在．

(3) 側(cè)邊通風(fēng)改善了邊界處煤樣的供氧條件，氧化時(shí)間不同程度的縮短至原來(lái)的0.55～1倍，峰值溫度上升至1～1.2倍，對(duì)遠(yuǎn)離邊界的內(nèi)部煤樣升溫過(guò)程影響逐漸減小直至消失，對(duì)干燥鋒的水平傳播過(guò)程影響較?。?/p>

(4) 頂部蓋板后，強(qiáng)化了保溫效果，并且滯留在煤床表面的煙氣使得淺層煤樣干燥鋒傳播所需的6.8h縮短近一半，使其提早進(jìn)入快速氧化階段，同時(shí)蓋板限制了淺層煤炭床的氧氣獲取，氧化反應(yīng)強(qiáng)度降低，峰值溫度降至420℃左右．蓋板的影響隨著深度的增加逐漸減?。?/p>

［1］ 鄧?軍，文?虎，張辛亥，等. 煤田火災(zāi)防治理論與技術(shù)[M]. 徐州：中國(guó)礦業(yè)大學(xué)出版社，2014.

Deng Jun，Wen Hu，Zhang Xinhai，et al.[M]. Xuzhou：China University of Mining and Technology Press，2014(in Chinese).

［2］ Huang X Y，Rein G. Smouldering combustion of peat in wildfires：Inverse modelling of the drying and the thermal and oxidative decomposition kinetics[J].，2014，161(6)：1633-1644.

［3］ Huang X Y，Rein G. Upward-and-downward spread of smoldering peat fire[J].，2019，37(3)：4025-4033.

［4］ Hadden R M. Smouldering and Self-Sustaining Reactions in Solids：An Experimental Approach[D]. Edinburgh，UK：The University of Edinburgh，2011.

［5］ 路?長(zhǎng)，余明高. 陰燃火災(zāi)學(xué)[M]. 長(zhǎng)春：吉林人民出版社，2009.

Lu Chang，Yu Minggao.[M]. Changchun：Jilin People's Publishing House，2009(in Chinese).

［6］ Wang J H，Chao C Y H，Kong W J. Experimental study and asymptotic analysis of horizontally forced forward smoldering combustion[J].，2003，135(4)：405-419.

［7］ Torero J L，F(xiàn)ernandez-Pello A C. Natural convection smolder of polyurethane foam，upward propagation[J].，1995，24(1)：35-52.

［8］ Hagen B C，F(xiàn)rette V，Kleppe G，et al. Transition from smoldering to flaming fire in short cotton samples with asymmetrical boundary conditions[J].，2015，71：69-78.

［9］ Huang X Y，Restuccia F，Gramola M，et al. Experimental study of the formation and collapse of an overhang in the lateral spread ofsmouldering peatfires[J].，2016，168：393-402.

［10］ Yang J L，Liu N A，Chen H X，et al. Effects of atmospheric oxygen on horizontal peat smoldering fires：Experimental and numerical study[J].，2019，37(3)：4063-4071.

［11］ He F，Behrendt F. Experimental investigation of natural smoldering of char granules in a packed bed[J].，2011，46(7)：406-413.

［12］ Qi G S，Lu W，Qi X Y，et al. Differences in smoldering characteristics of coal piles with different smoldering propagation directions[J].，2018，102：77-82.

［13］ Wu D J，Schmidt M，Huang X，et al. Self-ignition and smoldering characteristics of coal dust accumulations in O2/N2and O2/CO2atmospheres[J].，2017，36(2)：3195-3202.

［14］ 王德明. 煤氧化動(dòng)力學(xué)理論及應(yīng)用[M]. 北京：科學(xué)出版社，2017.

Wang Deming.[M]. Beijing：Science Press，2017(in Chinese).

［15］ 雷?毅，梁?棟. 聚氨酯軟泡沫材料熱解與陰燃特性[M]. 廣州：中山大學(xué)出版社，2013.

Lei Yi，Liang Dong.[M]. Guangzhou：Sun Yat-sen University Press，2013(in Chinese).

［16］ Walther D C，Antheien R A，F(xiàn)ernandez-pello A C. Smolder ignition of polyurethane foam：Effect of oxygen concentration[J].，2000，34(4)：343-359.

［17］ Li J，F(xiàn)u P B，Mao Y D，et al. A parametric study on the inception and evolution of underground coal fires based on a lab-scale experimental setup[J].，2020，56：1039-1057.

［18］ 高思源，李增華，楊永良，等. 煤低溫氧化活化能與溫度關(guān)系實(shí)驗(yàn)[J]. 煤礦安全，2011，42(7)：23-27.

Gao Siyuan，Li Zenghua，Yang Yongliang，et al. Test of the relationship between activation energy of low-temperature oxidation of coal and temperature [J].，2011，42(7)：23-27(in Chinese).

［19］ 王?聰，李?君，付彭賓. 煤自燃過(guò)程中的溫升及CO生成特性[J]. 燃燒科學(xué)與技術(shù)，2017，23(5)：458-464.

Wang Cong，Li Jun，F(xiàn)u Pengbin. Temperature evolution and CO formation during self-ignition of coal[J].，2017，23(5)：458-464(in Chinese).

［20］ 黃?暉，蔣法文，韓必武，等. 淮南礦區(qū)A組煤層底板灰?guī)r鉆孔瓦斯噴孔綜合探查分析[J]. 煤炭學(xué)報(bào)，2013，38(11)：1988-1992.

Huang Hui，Jiang Fawen，Han Biwu，et al. Comprehensive detection analysis on the reason of abnormal gas blow-out from the drilling hole through the floor limestone of a group coal seam in Huainan mining area[J].，2013，38(11)：1988-1992(in Chinese).

Smouldering Propagation Characteristics of Coal Piles Under Different Ventilation Conditions

Li Jinsong，Li Jun，Yang Yi’nan

(School of Mechanical Engineering，Tianjin University，Tianjin 300072，China)

The continuous burning of underground coal fire is the result of smouldering propagation. A laboratory scale smouldering experiment simulation device was designed and built to study the smouldering spread process of coal after forced ignition. By changing the boundary ventilation conditions of each experimental unit，the related factors affecting the occurrence and development of smouldering were understood. The results show that the coal-oxygen reaction intensity mainly depends on the local oxygen concentration，and that the typical smouldering peak temperature is between 500℃ and 650℃ under the dominance of oxygen supply and heat dissipation. The heat conduction and oxidation reaction help maintain the horizontal propagation of the drying front. The side ventilation accelerates the oxidation reaction process of coal samples at the boundary，the peak temperature rises to 1—1.2times of the original value，and the influence on the heating process of the coal samples in the interior far away from the boundary gradually decreases and finally disappears. Due to the cover plate，the time required for the propagation of the drying front in shallow coal samples is reduced almost by half，which is originally 6.8h，enabling the samples to enter the rapid oxidation stage earlier. Meanwhile，the oxygen acquisition is restricted and the oxidation reaction intensity is reduced.

smouldering of coal piles；local oxygen concentration；ventilation condition；drying front

TK11

A

1006-8740(2021)05-0545-08

10.11715/rskxjs.R202009007

2020-10-21．

國(guó)際(地區(qū))合作研究與交流項(xiàng)目(51850410504).

李勁松（1996—??），男，碩士研究生，2018201291@tju.edu.cn.

李?君，男，博士，副教授，lijun79@tju.edu.cn.

(責(zé)任編輯：隋韶穎)