肖 旸，尹 嵐，馬 礪，周一峰

(1.西安科技大學，安全科學與工程學院，陜西 西安 710054；2.西安科技大學，陜西省煤火災害防治重點實驗室，陜西 西安 710054)

0 引 言

礦井煤自燃是煤礦5大災害之一，中國90%以上的煤層為自燃或者易自燃，煤自燃是放熱過程，該過程主要是煤氧復合作用過程，對中國礦井安全高效生產(chǎn)構(gòu)成了嚴重的威脅[1-3]。由于煤自燃釋放熱量且熱量不易消散，易積聚，繼而產(chǎn)生高溫[4]，導致煤體的熱膨脹性增大，促使煤體裂隙的生成，造成煤與氧氣更充分的接觸，從而促進煤自燃的發(fā)展，進而造成范圍更大的、燃燒更劇烈的火災事故[5-7]。因此，研究煤體的熱物性參數(shù)對于掌握熱量在煤中的傳遞規(guī)律從而抑制煤自燃有很重要的意義。

許多學者通過實驗測試以及建立模型來研究煤體的熱量傳遞規(guī)律。Gosset研究煤的熱物性參數(shù)發(fā)現(xiàn)在300 ℃以內(nèi)，煤樣的熱擴散系數(shù)隨著溫度升高逐漸降低[8]；陳清華等提出利用平面熱源法測量松散煤體的導熱系數(shù)，并以此建立數(shù)學模型，設計與開發(fā)了松散煤體導熱系數(shù)的測量系統(tǒng)[9]；李建偉等通過對不同粒度、含水率情況進行研究，發(fā)現(xiàn)煤體的導熱系數(shù)隨著煤體含水率、粒度的增加而增大[10]；唐明云等主要研究溫度、粒度等影響因素與煤體導熱系數(shù)的關系，發(fā)現(xiàn)煤體的導熱系數(shù)隨著含水率的增加，呈現(xiàn)出先上升，后趨于平穩(wěn)的趨勢[11]；Zhumagulov通過準穩(wěn)態(tài)方法測量煤體的比熱容、導熱系數(shù)隨溫度的變化，并分析了煤體的熱物性參數(shù)隨溫度的變化情況[12]；Deng等使用激光閃射法研究煤在熱解以及氧化過程中的熱物性參數(shù)隨溫度的變化趨勢[13]；Guan等分析影響松散煤體導熱系數(shù)測量的因素，并通過控制控溫設備控制誤差[14]；Liu等對煤在受熱煤中的熱解和傳熱過程進行了數(shù)值分析，模擬煤顆粒的傳熱和溫度變化[15]；Wen等主要研究溫度對煤巖體的影響，得出隨著溫度的增加，煤體的熱擴散系數(shù)逐漸降低，比熱容和導熱系數(shù)逐漸增加[16]。從文獻中可發(fā)現(xiàn)，對于預氧化處理煤樣的熱物性參數(shù)研究較少，而文中實驗主要研究預氧化處理后煤的熱物性參數(shù)。預先對煤樣進行預氧化處理，分別在程序升溫箱中氧化升溫至80，110，140，170，200 ℃.待煤樣在升溫箱中被充分氧化后，使用激光導熱儀FLA 457測量煤的熱物性參數(shù)，得出熱物性參數(shù)隨溫度的變化趨勢，從而研究煤的熱物性參數(shù)與預氧化溫度之間的關系，并分析預氧化處理后煤樣對溫度的敏感性。對煤樣進行不同溫度下的預氧化處理是為了分析煤田火區(qū)中煤的氧化以及采空區(qū)中遺煤氧化對煤體熱物性參數(shù)的影響，從而研究預氧化后煤的熱量傳遞規(guī)律，為煤自燃的防治提供理論依據(jù)以及技術(shù)指導。

1 實驗設備及其原理

熱物性參數(shù)是指熱擴散系數(shù)、比熱容以及導熱系數(shù)。采用的儀器是德國耐馳公司生產(chǎn)的LFA 457激光導熱儀，此設備主要是由加熱爐、紅外檢測器以及數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)和激光加熱系統(tǒng)組成，如圖1所示。其工作原理為當激光照射煤體的下表面時，煤體的下表面吸收能量，這樣煤體下表面和上表面之間形成了一定溫度差，熱量由煤體下表面朝著上表面?zhèn)鬟f，同時紅外探測器檢測出煤體上表面中心的溫度變化，進而得出煤體的熱擴散系數(shù)，再根據(jù)公式推導出比熱容以及導熱系數(shù)。

圖1 激光導熱原理Fig.1 Laser pyrometer theory

根據(jù)Parker and Jenkins和Cowan等人提出的熱擴散系數(shù)模型方程(1)可知[17-19]

(1)

式中t1/2為半升溫時間，s；α為熱擴散系數(shù)，cm2/s；d為實驗樣品厚度，cm；γ≈0.138 78.

比熱容可通過公式(2)計算可得[13]

(2)

式中cstd為標準樣品的比熱容，J/(g·K)；csam為實驗樣品的比熱容，J/(g·K)；mstd為標準樣品的質(zhì)量，g；ΔUstd為標準樣品受輻射時電信號的電壓與受輻射后的最大電壓之間的差值，V；ΔUsam為實驗樣品受輻射時的電信號的電壓與受輻射后的最大電壓之間的差值，V.

通過已測出的熱擴散系數(shù)和比熱容，根據(jù)式(3)測出實驗樣品的導熱系數(shù)

λ(T)=α(T)·ρ·csam(T)

(3)

式中λ為實驗樣品的導熱系數(shù)，W/cm·K；T是溫度，K.

2 煤樣的制備與處理

2.1 實驗樣品的制備

樣品來自于新疆硫磺溝煤礦，屬于長焰煤。為了研究不同預氧化溫度對煤樣熱物性的影響，需要對煤進行預氧化處理。將取自于井下的新鮮煤樣袋裝并密封，開袋后取出塊煤的中心部分，粉碎研磨，并進行篩選，取粒徑為3～5 mm煤樣，以此保證粒徑較小以及受熱均勻。將篩選后的煤樣均勻分成6組并編號為C1，C2，C3，C4，C5和C6.其中C1煤樣為原煤樣。煤樣用瓷質(zhì)敞口坩堝承裝，并將其均勻鋪在坩堝底部置于程序升溫箱中，分別氧化升溫至80，110，140，170，200 ℃，并恒溫保持2 h，保證煤樣充分氧化。

煤樣經(jīng)預氧化處理之后，為了減小煤的異質(zhì)性對煤的熱物性參數(shù)的影響，將煤樣粉碎，使其粒徑低至0.089 mm.每組分別稱取適量煤粉壓成薄片，且使用游標卡尺測量薄片的直徑、厚度，煤樣薄片的相關屬性見表1.每組煤樣壓取3個薄片，并編號為C11，C12，C13；C21，C22，C23；C31，C32，C33；C41，C42，C43；C51，C52，C53；C61，C62，C63，實驗樣品如圖2所示。

表1 煤樣薄片的相關屬性Tab.1 Interrelated characteristics of coal slices

圖2 實驗樣品Fig.2 Experimental sample

2.2 實驗條件

將C11，C12，C13放入儀器樣品支架后，通入氮氣，并設定氣體的恒定流量為100 mL/min，升溫速率為1 K/min.測試溫度范圍為30～200 ℃，并設定溫度30，60，80，100，120，140，160，180，200 ℃為數(shù)據(jù)采集點。

3 結(jié)果與討論

當溫度達到采集點時，每個薄片將被閃射3次，即單個煤樣薄片的每個采集點存在3組數(shù)據(jù)。每組熱物性實驗完成后，對每個采集點求取平均值。并且每組熱物性實驗有3個煤樣薄片，再對其求取均值。

圖3 煤樣熱物性參數(shù)隨溫度的變化趨勢Fig.3 Trend of the thermo-physical parameters of coal samples with temperature

3.1 熱物性參數(shù)的變化趨勢

煤樣的熱物性參數(shù)隨溫度的變化趨勢，如圖3所示。從圖3(a)可以看出，在30～200 ℃之間，熱擴散系數(shù)隨著溫度的升高逐漸降低，這與Gosset所測的熱擴散系數(shù)變化趨勢相同[8]。熱擴散系數(shù)的降低與聲子平均自由路徑的減小有關[20-21]。原子間通過相互作用力聯(lián)系在一起，每個原子的振動都要牽動周圍的原子，使振動以彈性波的形式在晶體中傳播，而聲子是量子化的彈性波的最小單位。熱擴散系數(shù)逐漸降低是由于隨著溫度升高，煤中晶格結(jié)構(gòu)震動，致使聲子間相互碰撞的幾率增大，聲子的平均自由程減少，從而導致煤樣的熱擴散系數(shù)降低。并且在相同溫度點下，預氧化處理煤樣的熱擴散系數(shù)與原煤樣相對比，發(fā)現(xiàn)原煤樣的熱擴散系數(shù)最小。這可能是因為隨著預氧化溫度的升高，煤分子中的親氧烷基側(cè)鏈、含氧官能團等結(jié)構(gòu)發(fā)生氧化反應，芳香環(huán)發(fā)生縮聚反應，造成芳香結(jié)構(gòu)逐漸增加，致使煤化度逐漸增大，煤樣朝著高變質(zhì)程度的結(jié)構(gòu)發(fā)展[22]。

從圖3(b)可以看出，在30～200 ℃之間，原煤的比熱容隨著溫度的升高，總體都表現(xiàn)出上升趨勢。這是由于煤中原子本身圍繞點陣結(jié)點，以一定的振幅和頻率震動。隨著溫度升高，引起振幅和頻率增大，分子熱運動和聲子振動加劇，晶格總能量增加，吸收的熱能以動能的方式儲存在煤體內(nèi)，平均能量增大造成的[23]。預氧化處理煤樣的比熱容與原煤樣相對比，發(fā)現(xiàn)原煤樣的比熱容最小，導致這種現(xiàn)象的原因可能是預氧化處理使得晶格結(jié)構(gòu)發(fā)育導致單位體積內(nèi)的聲子數(shù)目增多，總動能量增大，大量的熱量儲存在煤體內(nèi)。

從圖3(c)可以看出，在30～200 ℃之間，隨著溫度的升高，實驗煤樣的導熱系數(shù)總體都表現(xiàn)出上升趨勢。而隨著溫度的升高，熱擴散系數(shù)逐漸降低，比熱容逐漸升高，實驗煤樣的導熱系數(shù)呈現(xiàn)上升趨勢說明溫度對比熱容的影響大于熱擴散系數(shù)，從而抵消了熱擴散系數(shù)降低引起的降低趨勢。

此外，從圖3還可以看出，不同溫度預氧化煤樣的熱物性參數(shù)變化趨勢與原煤相似，即熱擴散系數(shù)隨著溫度的升高而降低，比熱容和導熱系數(shù)隨著溫度的升高而升高，這是因為即使原煤經(jīng)歷了不同溫度的預氧化，但溫度對其熱物性參數(shù)的影響機理不變。

3.2 敏感性分析

根據(jù)實驗條件，為了分析煤樣的熱物性參數(shù)的敏感性，計算相鄰2個數(shù)據(jù)采集點間的每攝氏度下的平均變化率，如圖4所示。

從圖4可知，煤樣的比熱容的平均變化率最大，導熱系數(shù)的平均變化率最小，表明比熱容對溫度最敏感，導熱系數(shù)的敏感性最小。在60～120 ℃之間，隨著溫度的逐漸升高，煤樣的熱擴散系數(shù)、比熱容以及導熱系數(shù)的變化率整體上變化明顯，呈現(xiàn)下降趨勢；在120～200 ℃之間，隨著溫度的增加，煤樣的熱物性參數(shù)變化率整體上逐漸趨于平穩(wěn)，即溫度越高，熱擴散系數(shù)的降低趨勢以及比熱容和導熱系數(shù)的增大趨勢越來越弱。當溫度超過120 ℃時，在相同溫度下，預氧化處理溫度越高，煤樣熱物性參數(shù)對溫度的敏感性越低。因此，預氧化煤樣的熱物性參數(shù)的敏感性低可能是由于經(jīng)預氧化處理后的煤樣，隨著煤樣預氧化處理溫度的增加，煤中的含氧官能團等結(jié)構(gòu)發(fā)生氧化反應，煤樣的氧化程度以及煤化度會越來越高，即煤氧復合的化學反應會引起煤表面結(jié)構(gòu)和空間結(jié)構(gòu)的變化[2，22，24]，當再次受到高溫加熱時，氧化程度越高的煤樣，受到溫度的影響就越低。因此預氧化處理后的煤樣隨著預氧化溫度的升高，對溫度的敏感性整體呈現(xiàn)出逐漸降低的趨勢。

圖4 熱物性參數(shù)的變化率Fig.4 Change rate of thermo-physical parameters

4 結(jié) 論

1)在30～200 ℃之間，隨著溫度的逐漸升高，煤樣的熱擴散系數(shù)呈現(xiàn)出逐漸降低的趨勢，而煤樣的導熱系數(shù)和比熱容呈現(xiàn)出增加的趨勢，且溫度越高，熱擴散系數(shù)的降低趨勢以及比熱容和導熱系數(shù)的增大趨勢越來越弱；

2)在相同溫度下，原煤樣的熱擴散系數(shù)和導熱系數(shù)與預氧化煤樣相比，原煤樣的熱擴散系數(shù)以及導熱系數(shù)最小，表明預氧化處理煤樣的傳熱效果更顯著；

3)比熱容對溫度最敏感，導熱系數(shù)的敏感性最小。此外，當溫度超過120 ℃時，在相同溫度下，隨著煤預氧化溫度的逐漸升高，煤樣對溫度的敏感性整體呈現(xiàn)出降低趨勢。

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