李宗翔，劉　宇, 張明乾, 吳邦大

(1.遼寧工程技術(shù)大學(xué) 安全科學(xué)與工程學(xué)院，遼寧 阜新 123000;2.礦山熱動(dòng)力災(zāi)害與防治教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，遼寧 阜新 123000)

consumption experiment

0　引言

長(zhǎng)期以來(lái)，采空區(qū)自然發(fā)火一直是威脅煤礦安全生產(chǎn)的重要因素，根據(jù)以往的經(jīng)驗(yàn)，煤的變質(zhì)程度越高則自燃傾向性越小[1]。預(yù)防采空區(qū)自燃的首要工作是對(duì)采空區(qū)進(jìn)行自燃“三帶”的劃分[2-3]，而確定窒熄帶臨界氧濃度是進(jìn)行采空區(qū)自燃“三帶”劃分的重要內(nèi)容之一，現(xiàn)場(chǎng)通過埋管測(cè)氧濃度的方法可以測(cè)定某一采空區(qū)窒熄帶氧濃度，實(shí)驗(yàn)室一般通過對(duì)煤樣進(jìn)行程序升溫實(shí)驗(yàn)測(cè)定煤的耗氧特性[4-5]，常溫封閉耗氧實(shí)驗(yàn)方法測(cè)定窒熄帶臨界氧濃度近年來(lái)也逐漸得到發(fā)展[6-8]。隨著煤礦開采深度的增加，地層溫度也逐漸的升高，地層溫度的變化對(duì)采空區(qū)自燃傾向的影響不容忽視，某些常溫不易自燃的煤在較高的地溫下顯現(xiàn)出易自燃傾向，這種情況將會(huì)縮短煤的自然發(fā)火期并且會(huì)增加采空區(qū)的自然氧化帶寬度，助長(zhǎng)采空區(qū)自燃危險(xiǎn)的發(fā)生，因此研究煤自燃潛伏期的自燃特性成為關(guān)鍵問題。為了研究煤樣自燃潛伏期的自燃特性，對(duì)長(zhǎng)平礦3#煤樣進(jìn)行不同溫度下的封閉耗氧實(shí)驗(yàn)，得到氧氣濃度和CO濃度隨時(shí)間變化的關(guān)系，并通過參數(shù)反演得到自燃潛伏期不同溫度下的氧氣消耗速度和CO生成速度，同時(shí)確定不同溫度下耗氧參數(shù)和CO生成參數(shù)[9-10]。為進(jìn)一步探究煤在不同溫度耗氧參數(shù)下采空區(qū)內(nèi)的自然氧化帶寬度的變化，將封閉耗氧實(shí)驗(yàn)得到的耗氧參數(shù)帶入到Fluent中進(jìn)行采空區(qū)流場(chǎng)的數(shù)值模擬實(shí)驗(yàn)[11-16]。直觀呈現(xiàn)地溫對(duì)采空區(qū)窒熄帶臨界氧濃度以及位置變化的影響，為現(xiàn)場(chǎng)預(yù)防采空區(qū)自燃發(fā)火提供理論依據(jù)。

1　封閉耗氧實(shí)驗(yàn)方法

封閉耗氧實(shí)驗(yàn)方法是將煤樣封閉在容器內(nèi)，通過氣泵循環(huán)容器內(nèi)空氣，并實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)記錄容器內(nèi)氧氣和CO濃度的方法。實(shí)驗(yàn)方法在文獻(xiàn)[6-8]中均有介紹 ，實(shí)驗(yàn)環(huán)境的溫度可以通過恒溫箱進(jìn)行調(diào)節(jié)。封閉耗氧狀態(tài)下，氧氣濃度不斷下降，最終趨于穩(wěn)定值cb。密封罐內(nèi)氧氣濃度c(τ)近似服從負(fù)指數(shù)函數(shù)分布。即 ：

c(τ)=cb+(c0-cb)·e-λC·τ

(1)

式中：c(τ)為密封罐內(nèi)隨時(shí)間變化的氧氣濃度，mol/L；c0為氧氣初始濃度，mol/L；λc為氧濃度衰減率，s-1；τ為氧化時(shí)間，s；cb為煤在封閉環(huán)境下氧化的最低氧濃度，mol/L。

γ=-λC·(c0-cb)e-λC·τ

(2)

由(1)解出τ帶入(2)可得 ：

γ=-λC(c(τ)-cb)

(3)

封閉容器中CO體積分?jǐn)?shù)為：

cCO(τ)=BCO-ACOe-μCcτ

(4)

式中：μC為體積CO濃度增長(zhǎng)系數(shù)，s-1；ACO為回歸系數(shù)，代表最終CO體積分?jǐn)?shù)，BCO為數(shù)據(jù)偏移量。

CO生成速度γCO為：

(5)

或?qū)懽鳎?/p>

γCO=44.642 9μC(BCO-cCO(τ))

(6)

對(duì)于堆積狀態(tài)的松散煤體，其耗氧速度跟氧濃度成正比；CO生成速度與CO濃度成正比，且呈負(fù)相關(guān)性。由公式(1)～(6)可得到煤樣隨時(shí)間變化的耗氧速度和CO生成速度以及氧濃度衰減系數(shù)和CO濃度增長(zhǎng)系數(shù)。

2　自燃潛伏期煤的封閉耗氧實(shí)驗(yàn)結(jié)果

為了研究溫度變化對(duì)煤氧化自燃過程的影響，選取長(zhǎng)平礦3#煤樣，分別在20，30，40，50℃及60℃的溫度條件下，進(jìn)行煤樣的封閉耗氧實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)的氣體濃度變化原始記錄如圖1所示。

圖1　不同溫度下長(zhǎng)平礦3#煤樣的氣體濃度曲線Fig.1　Changping Mine 3# coal gas concentration curve under different temperature

從圖1(a)可以看出，長(zhǎng)平礦3#煤樣隨溫度從20℃增加到60℃，氧氣濃度衰減趨勢(shì)整體呈現(xiàn)增強(qiáng)趨勢(shì)，最終趨于穩(wěn)定的氧濃度值(窒熄帶氧濃度臨界值)隨溫度增加而下降，分別為16.8%，15.7%，15.2%，13.8%，12.4%。

從圖1(b)可以看出，長(zhǎng)平礦3#煤樣隨溫度從20℃增加到60℃，CO濃度的增長(zhǎng)速度隨溫度增加而加快，最終趨于穩(wěn)定。趨于穩(wěn)定的CO濃度分別為104.76，129.49，212.55，359.04 mg·m-3，60℃時(shí)由于CO濃度超過量程(512 mg·m-3)，按發(fā)展趨勢(shì)預(yù)計(jì)在614.4 mg·m-3左右。

3　煤樣耗氧速度及CO生成速度的對(duì)比分析

在不同溫度的封閉耗氧實(shí)驗(yàn)條件下，氧濃度變化曲線呈自然衰減，CO濃度變化曲線呈現(xiàn)自然增加，以自然衰減曲線及自然增長(zhǎng)曲線分別對(duì)氧濃度變化曲線及CO濃度變化曲線做擬合，分別得到氧濃度變化曲線及CO濃度變化曲線。擬合結(jié)果見表1。

表1　長(zhǎng)平礦3#煤樣不同溫度下的擬合結(jié)果

耗氧速度可以反映煤氧復(fù)合能力即耗氧能力，CO生成速度是煤氧復(fù)合CO生成能力的直接表現(xiàn)，這2個(gè)參數(shù)都是煤礦火災(zāi)防治的重要參數(shù)[9-10]。長(zhǎng)平礦3#煤樣不同溫度下的封閉耗氧實(shí)驗(yàn)得到的耗氧速度及CO生成速度隨各自濃度的變化關(guān)系如圖2所示。

圖2　長(zhǎng)平礦3#煤樣不同溫度的耗氧速度、CO生成速度對(duì)比Fig.2　Oxygen consumption rate and CO generation rate at different temperatures of 3# coal in Changping Mine

從圖2可以看出，不同溫度下煤的耗氧速度隨氧濃度線性增加，溫度較低時(shí)耗氧速度較小且受氧濃度變化的影響不明顯。溫度較高時(shí)，煤的耗氧速度受到氧濃度變化影響較明顯，且溫度越高，影響越明顯；CO生成速度隨CO濃度的增加線性遞減，低溫時(shí)CO生成速度較慢且隨CO濃度變化的斜率基本一致。溫度升高，CO生成速度加快且斜率變大。

氧濃度與耗氧速度呈線性關(guān)系，分析其原因，煤與氧低溫階段(低于70℃)反應(yīng)主要?dú)怏w產(chǎn)物是CO和CO2，從化學(xué)動(dòng)力學(xué)來(lái)看，該反應(yīng)屬于氣固表面反應(yīng)，反應(yīng)方式如下：

O2+2C→2CO

(7)

O2+C →CO2

(8)

由質(zhì)量作用定律知，反應(yīng)的速率方程可表示為：

γ=k[O2]

(9)

式中：γ為反應(yīng)速率，mol/(min·L)；k為速率常數(shù)；[O2]為氧濃度，mol/L。

因此，從氣固表面反應(yīng)的化學(xué)動(dòng)力學(xué)角度分析，低溫條件下煤氧復(fù)合反應(yīng)耗氧速度與氧濃度呈線性關(guān)系，而CO生成速度與氧濃度呈正比，因此CO生成速度與CO濃度也呈線性關(guān)系。耗氧速度及氧濃度關(guān)系曲線的斜率作為耗氧衰減系數(shù)，反映了氧濃度衰減的快慢，溫度不同，該參數(shù)也不同；同理，CO濃度增長(zhǎng)系數(shù)反映了煤氧化生成CO的快慢，煤氧化的環(huán)境溫度不同，該參數(shù)也不同。從擬合結(jié)果得到不同溫度下煤樣的氧濃度衰減系數(shù)及CO濃度增長(zhǎng)系數(shù)，其關(guān)系如圖3所示。

圖3　長(zhǎng)平礦3#煤樣不同溫度下的氣體濃度系數(shù)曲線Fig.3　Changping Mine 3# coal samplecoal gas concentration coefficient curve under different temperature

圖4　數(shù)值模擬不同溫度的采空區(qū)自然氧化帶Fig.4　Numerical simulation of natural oxidation zone of goaf with different temperature

從圖3(a)可以明顯地看出，不同溫度下長(zhǎng)平礦3#煤樣的氧濃度衰減系數(shù)λC呈指數(shù)增長(zhǎng)，20℃的衰減系數(shù)最小為0.000 481 2 min-1，30，40，50℃及60℃的衰減系數(shù)分別為20℃的1.04，1.21，1.74倍和3.15倍；從圖3(b)可以明顯地看出，不同溫度下煤樣的CO生成系數(shù)μc也不同，20℃的生成系數(shù)最小為0.000 404 min-1，30，40，50℃及60℃的生成系數(shù)分別為20℃的1.04，1.15，1.39倍和2.21倍。分析其原因，煤與氧的結(jié)合反應(yīng)需要一定的溫度，溫度低時(shí)，只有部分氧氣分子及煤體內(nèi)的活性物質(zhì)達(dá)到反應(yīng)所需活化能，發(fā)生煤的氧化反應(yīng)，而產(chǎn)生的熱量也只能引發(fā)少量的氧氣分子與煤體內(nèi)的活性物質(zhì)繼續(xù)發(fā)生氧化反應(yīng)，因此其氧濃度衰減系數(shù)及CO增長(zhǎng)系數(shù)低。 溫度的升高，使更多的氧氣分子與煤體內(nèi)的活性物質(zhì)達(dá)到反應(yīng)所需的活化能，氧的消耗及CO的生成越來(lái)越激烈，因此，高溫時(shí)，耗氧速度和CO生成速度加快，氧濃度衰減系數(shù)及CO增長(zhǎng)系數(shù)就相對(duì)較高[17-19]。

4　不同地溫采空區(qū)自然氧化帶寬度對(duì)比

為探究在不同地溫條件下采空區(qū)內(nèi)的自然氧化帶寬度的變化，以長(zhǎng)平礦工作面為原型建立模型并應(yīng)用Fluent軟件計(jì)算采空區(qū)流場(chǎng)。長(zhǎng)平礦工作面長(zhǎng)度為236 m，工作面采高6 m，進(jìn)、回風(fēng)巷寬度均為5 m，采空區(qū)深度為400 m，采空區(qū)高度設(shè)置為25 m，進(jìn)風(fēng)風(fēng)量為2 600 m3/min。模型中的耗氧源項(xiàng)由上文的耗氧系數(shù)確定并根據(jù)采空區(qū)內(nèi)氧濃度的變化而變化[14]。將封閉耗氧實(shí)驗(yàn)得到的煤樣在不同溫度下的耗氧系數(shù)以及窒熄帶氧濃度臨界值參數(shù)應(yīng)用UDF功能代入到Fluent軟件中進(jìn)行采空區(qū)流場(chǎng)模擬。模擬得到環(huán)境溫度為20～60℃的采空區(qū)氧濃度分布情況，如圖4所示。關(guān)于Fluent模擬的控制方程及參數(shù)的設(shè)置方法在文獻(xiàn)[14]中均進(jìn)行了詳細(xì)的介紹。其中采空區(qū)內(nèi)部為多孔介質(zhì)，根據(jù)“O”型圈理論設(shè)置采空區(qū)內(nèi)孔隙度，采空區(qū)三維孔隙度分布公式如下：

Kp(x,y,z)=Kp,min+[Kp,max1+(Kp,max2-Kp,max1)e-a2d2-

Kp,min]e-a1d1(1-e-ξa0d0)

(10)

式中：Kp(x，y，z)為采空區(qū)內(nèi)孔隙度；ξ為調(diào)整系數(shù)；Kp,max1為采空區(qū)底部初始冒落碎脹系數(shù)；Kp,max2為采空區(qū)頂部初始冒落碎脹系數(shù)；Kp,min為采空區(qū)深部冒落巖石壓實(shí)時(shí)碎脹系數(shù)；a0，a1為點(diǎn)(x，y，z)與側(cè)幫固壁和工作面距離對(duì)碎脹系數(shù)影響的衰減率，1/m；d0，d1為點(diǎn)(x，y，z)與側(cè)幫固壁和工作面邊界的距離，m。a2為點(diǎn)(x，y，z)與采空區(qū)頂部距離對(duì)碎脹系數(shù)影響的衰減率，1/m；d2為點(diǎn)(x，y，z)與離采空區(qū)頂部的距離, m。

由圖4可知，采空區(qū)窒熄帶臨界氧濃度的位置隨著溫度的升高逐漸移動(dòng)到采空區(qū)深部，由20℃的200 m一直增大到60℃的380 m。模擬結(jié)果表明采空區(qū)內(nèi)同種煤樣在不同地溫條件下自燃傾向性也有較大的差異，地層溫度較高時(shí)需要采取一定的降溫措施提高采空區(qū)窒熄帶臨界氧濃度值或者通過注惰性氣體等措施來(lái)減小工作面向采空區(qū)的漏風(fēng)，以縮短自然氧化帶的寬度。

5　結(jié)論

1)地溫的不同影響煤的耗氧速度和CO釋放的速度，當(dāng)溫度較高時(shí)，長(zhǎng)平礦不易自燃的無(wú)煙煤也表現(xiàn)出了很高的氧氣消耗速度和CO釋放速度。

2)隨著溫度的升高，氧濃度衰減系數(shù)和CO濃度增長(zhǎng)系數(shù)都相應(yīng)增大，且有近似于指數(shù)增長(zhǎng)的趨勢(shì)。

3)隨著環(huán)境溫度的升高，封閉耗氧實(shí)驗(yàn)所得到的窒熄帶氧濃度臨界值越來(lái)越小。地溫的升高會(huì)增大采空區(qū)自然氧化帶寬度，模擬結(jié)果表明地溫由20℃升高到60℃，窒熄帶臨界氧濃度位置由200 m增長(zhǎng)至380 m，地溫的升高增大了采空區(qū)自燃危險(xiǎn)性。

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