于志金，張志鵬，楊 淞，谷 雨

(西安科技大學 安全科學與工程學院，陜西 西安 710054)

0 引 言

近年來，隨著礦井開采深度逐漸向深部資源延伸以及綜放開采技術(shù)的推廣應用，煤自燃發(fā)火危險性不斷提升的同時，其防治難度也在大幅增加[1]。

針對煤自燃火災具有火源位置隱蔽、高溫范圍大、易復燃等特點[2]，其防治的基礎和關(guān)鍵在于針對性降低煤溫和大面積阻斷氧氣與煤體接觸[3]。作為目前有效的大范圍惰化降溫技術(shù)，壓注液氮(liquid nitrogen，LN2)與液態(tài)二氧化碳(liquid carbon dioxide，LCO2)被廣泛應用于采空區(qū)煤自燃防治中。SHI和ZHOU等開發(fā)了用于地下煤火的LN2控制技術(shù)和設備，成功控制了采空區(qū)煤的自燃[4-6]。QIN等介紹了LN2在大面積采空區(qū)火災中的應用，評估了LN2注入對滅火的影響[7]。張春華等提出了一種LCO2滅火系統(tǒng)，將LCO2通過管道直接注入高溫區(qū)域，實現(xiàn)了對火區(qū)的快速降溫[8]。LANG等通過實驗測量了多孔介質(zhì)內(nèi)LN2注入過程的溫度變化，研究了LN2的傳熱和傳質(zhì)過程[9]。LIU等指出，松散煤體內(nèi)LCO2的汽化和干冰的升華均對溫度有重要影響[10]。YU和SHI等通過實驗研究了松散煤體內(nèi)LCO2以及LN2的降溫特征與有關(guān)參數(shù)之間的關(guān)系[11-12]。更多研究則集中在數(shù)值模擬方面，王繼仁、郝朝瑜等采用數(shù)值模擬的方法結(jié)合具體工作面采空區(qū)的冒落情況，研究了不同注入條件時，采空區(qū)氧化帶范圍和溫度場分布，討論了低溫CO2注入位置的合理范圍[13-14]。鄧軍等探討了楊村礦采用注氮方式預防煤自燃的可行性，并采用數(shù)值模擬確定了楊村礦采空區(qū)注氮參數(shù)以及注氮后采空區(qū)自燃危險區(qū)域[15]。王國旗等則對綜放工作面CO2最佳釋放位置進行了研究，并提出了注CO2最小流量的計算方法[16]。邵昊等通過Fluent軟件研究了二氧化碳和氮氣在采空區(qū)中的流動特點，認為向采空區(qū)注二氧化碳的防滅火效果比注氮氣要好[17]。這些研究表明，松散煤體內(nèi)壓注LN2和LCO2均表現(xiàn)出了極強的冷卻和惰化作用[18-19]，但大多數(shù)研究的側(cè)重點均在于對關(guān)鍵參數(shù)的確定上，關(guān)于LN2和LCO2在煤體內(nèi)的傳熱特征以及其冷卻能力之間的差異仍少見探究。此外，大多數(shù)研究基于CO2對煤的吸附性以及阻燃性更強，認為與N2相比，CO2具有更好的冷卻和惰化效果[20-23]。但這些結(jié)論主要是基于氣態(tài)介質(zhì)的研究結(jié)果，少有通過實驗對比分析LN2和LCO2注入下的煤體降溫特征。

鑒于此，筆者通過自建實驗裝置對煤體在注入LN2/LCO2期間和之后的溫度變化進行了研究，分析兩者傳熱特性和冷卻機理，為現(xiàn)場科學設計工藝參數(shù)和效果預測提供依據(jù)與指導。

1 實驗系統(tǒng)

1.1 實驗裝置

模擬煤體內(nèi)壓注LCO2/LN2的條件和環(huán)境，自制了松散煤體LCO2/LN2壓注實驗裝置平臺，如圖1所示。該平臺由杜瓦瓶、電子平臺秤、緩沖罐、測試容器以及管路閥門與數(shù)據(jù)采集設備等組成。

其中緩沖罐與內(nèi)徑為1 cm的壓注管路連接，管路另一端位于測試容器內(nèi)部，末端2 cm處設有截止閥和溫度、壓力傳感器，用于監(jiān)測注入介質(zhì)時的狀態(tài)和控制壓注流量，電子平臺秤用于計算平均質(zhì)量流量。測試容器材質(zhì)為不銹鋼，其內(nèi)徑60 cm，高100 cm，在豎直平面上設置了5個測試平面，分別位于距底部10(Z1)，20(Z2)，30(Z3)，40(Z4)，70 cm(Z5)，平面上共設32個Pt100溫度傳感器動態(tài)測定容器內(nèi)的煤體瞬態(tài)溫度，管道末端的注入口與Z2平面平行，出口設置于容器頂部。

1.2 實驗條件及方案

1)準備階段，將粒徑小于10 mm的煤樣裝入測試容器，利用加熱棒對煤樣品進行預熱之后，開始進行實驗，表1和表2列出了煤樣條件及實驗初始條件。

表1 煤樣條件Table 1 Conditions of coal

表2 實驗條件Table 2 Conditions of test coolants

2)關(guān)閉放空閥和緩沖罐底部的閥門，打開杜瓦瓶上的氣相閥，將緩沖罐的壓力調(diào)節(jié)至大于0.5 MPa，防止液態(tài)CO2在進入緩沖罐后因相變產(chǎn)生干冰。

3)關(guān)閉杜瓦瓶上的氣相閥并打開液相閥，將低溫介質(zhì)從杜瓦瓶注入到緩沖罐中。同時，通過電子平臺秤讀取杜瓦瓶的質(zhì)量變化，待緩沖罐內(nèi)壓力升至實驗指定值后，關(guān)閉杜瓦瓶上的液相出口。

4)打開緩沖罐底部閥門，同時保持壓注口位置旋擰閥關(guān)閉為壓注管路充壓，防止壓注初期因CO2相變過于劇烈而產(chǎn)生干冰。

5)待壓力達到實驗預定壓力并穩(wěn)定后，打開壓注口閥門，開始實驗，同時秒表記錄實驗時間，采集各測點溫度數(shù)據(jù)并記錄，到達預定時間后，關(guān)閉釋放口位置旋擰閥，結(jié)束壓注。持續(xù)采集溫度數(shù)據(jù)20 h，以進一步分析壓注結(jié)束后的傳熱特征。

2 理論分析

LN2/LCO2注入煤體的傳熱主要涉及2個方面：顯熱傳遞和潛熱傳遞，分別由等式(1)和等式(2)確定[24]。

Φs=McCp(T2-T1)

(1)

Φl=McΔh

(2)

式中Φs為顯熱熱容，J；Mc為煤體質(zhì)量，kg；Cp為比熱容，J·(kg·K)-1；T1和T2分別為測試之前和之后的介質(zhì)溫度，K；Φl為潛熱熱容，J；Δh為汽化潛熱，J·kg-1。通過上述方程即可定義壓注過程中的總熱容Φ。

Φ=ΦS+Φl

(3)

由于LN2/LCO2離開壓注口后會進行連續(xù)的相變，導致Cp和Δh的參數(shù)隨時變化，無法僅通過溫度數(shù)據(jù)進行計算?；诖耍跍囟葓鲋卸x溫度小于0 ℃的區(qū)域為冷卻區(qū)域，通過該區(qū)域面積的擴大率ve來分析壓注過程中的冷卻效果，定義為

ve=ΔL/Δt=(Lt2-Lt1)/t2-t1

(4)

式中L為在對應壓注時間下的最大冷卻距離，cm；t為注入時間，s。

停注階段，受溫度梯度影響的傳熱過程可以根據(jù)一維傅立葉傳導定律[25]計算，表示為

(5)

式中ke通過等式(6)[26]計算得出

ke=(1-ε)ks+εkg

(6)

式中Rh為傳熱率，W·m-2；Tx為選定位置的溫度，K；x1-x2為對應溫度傳感器之間的距離，m；ε為煤樣空隙率，實驗條件已給出；ks為煤的導熱系數(shù)，0.12 W·(m·K)-1;kg為混合流體在平均溫度下的導熱系數(shù)。

3 實驗結(jié)果對比與分析

3.1 壓注過程

為了直觀地研究壓注過程中煤體的溫度分布，將得到的溫度數(shù)據(jù)導入Origin軟件，繪制得到溫度分布云圖。

如圖2所示，LN2/LCO2注入煤體后，在壓差和射流動能的作用下高速滲流擴散，在節(jié)流膨脹和閃蒸作用下迅速釋放大量的相變潛熱，形成了一個具有強制冷效果的冷卻區(qū)域，最低溫度達到大氣壓下的沸騰溫度(LN2為-195.8℃，LCO2為-78.4 ℃)。隨著壓注時間的增加，2種冷卻劑形成的冷卻區(qū)域均隨之擴大蔓延，其冷卻能力隨著與壓注口的距離增加而逐漸降低。對比圖2(a)和(b)可知，LN2注入下，所形成的低溫區(qū)域沿流體滲流路徑緩慢擴大，而LCO2的注入產(chǎn)生了一個明顯的核心冷卻區(qū)域，并且在垂直和水平方向上呈現(xiàn)均勻擴張的特點。

為了研究兩者冷卻能力的差異，在圖3和圖4中列出了水平和垂直平面中選定位置的溫度和冷卻速率與時間的關(guān)系。如圖4所示，冷卻劑為LN2時，除4#迅速降至沸點溫度以外，其它觀測點的溫度都呈線性下降，并且垂直平面上不同測點溫度變化趨勢幾乎一致，結(jié)合圖2中LN2的低溫區(qū)域沿滲流路徑緩慢擴大的現(xiàn)象，表明LN2對煤體的冷卻能力主要取決于自身極低的溫度形成的劇烈溫差所造成的對流換熱。對于LCO2，溫度曲線則更為復雜，由于大量相變潛熱的釋放導致了干冰的形成，結(jié)合圖2中的核心冷卻區(qū)域可以發(fā)現(xiàn)，LCO2的冷卻機理主要由2個過程控制：相態(tài)轉(zhuǎn)變(焦耳-湯姆遜效應)而產(chǎn)生的冷卻效應以及對流傳導引起的熱傳遞，相變潛熱所形成的核心冷卻區(qū)域溫降幅度比對流傳導區(qū)域更為顯著。

圖2 壓注過程中不同時刻煤體溫度分布Fig.2 Temperature profiles of coal at different times during the injection

圖3 壓注過程Z2平面不同測點的溫度以及冷卻速率與時間關(guān)系Fig.3 Temperature and cooling rate versus time for selected locations in the Z2 plane during the injection

圖4 壓注過程垂直平面不同測點的溫度以及冷卻速率與時間關(guān)系Fig.4 Temperature and average cooling rate versus time for selected locations in the vertical plane during the injection

為表征注入過程中LCO2/LN2對煤體的冷卻效果，以不同時刻的0 ℃等溫線定義冷卻區(qū)域的變化。

如圖5所示，與LN2相比，LCO2的冷卻區(qū)域在480 s內(nèi)明顯更大，兩者ve的最大偏差出現(xiàn)在前20 s，這說明在壓注初始階段，LCO2的冷卻速率比LN2高，相變潛熱釋放更快，但隨著注入時間的增加，LN2的ve逐漸超過LCO2，這意味著與LCO2幾乎不變的核心冷卻區(qū)域相比，LN2的冷卻區(qū)域會以較小的速率持續(xù)膨脹。

圖5 壓注過程冷卻區(qū)域擴大率Fig.5 Evolution of cooling area(T<0 ℃)during the injection

3.2 停注階段

圖6展示了停注階段20 h內(nèi)的溫度場變化。停注1 h后，壓注LN2/LCO2引起的主要冷卻區(qū)域趨于消失，但壓注過程中溫度沒有明顯變化的測點在該階段有明顯降溫趨勢，這意味著停注后冷卻能力的差異主要歸因于初始溫度梯度。

圖6 停注后不同時刻煤體溫度分布Fig.6 Temperature profiles of coal at different times after the injection

圖7和圖8分別列出了水平和垂直平面中選定位置的溫度以及溫度回升率的隨時間的關(guān)系。停注后，LN2所產(chǎn)生的冷卻能量以較快的速度損耗，煤體溫度回升幅度劇烈，6 h后大部分區(qū)域溫度已回升至常溫水準；而LCO2由于較小的熱導率和較高的汽化熱，溫度以較為穩(wěn)定的趨勢回升，特別是核心區(qū)域的溫度在停注6小時后仍維持在0 ℃以下，因此在持續(xù)冷卻方面LCO2更具競爭力。為研究溫度梯度對溫度回升過程的影響，將注入方向相鄰觀測點之間的傳熱率作為比較指標，表征換熱強度隨時間的變化規(guī)律。

如圖9所示，對于LN2，R4-5在停注1 h內(nèi)劇烈下降而后保持恒定，R5-6和R6-7則隨時間持續(xù)不斷降低，這意味著停注后的傳熱率主要由較低的沸騰溫度和相變所引起的溫度梯度所決定，因此LN2停注后的冷卻區(qū)域?qū)⒁宰⑷脒^程中產(chǎn)生的核心冷卻區(qū)域為基礎向各個方向發(fā)展。而LCO2的傳熱率變化則更具爭議性，盡管在R5-6的變化趨勢上LCO2和LN2呈現(xiàn)一致，但在R4-5和R5-6，R5-6與R6-7之間LCO2的傳熱方向相反。結(jié)合圖7中LCO2的溫度變化規(guī)律可知，這歸因于LCO2注入過程中產(chǎn)生的冷卻能量大多集中在4#，5#觀測點的區(qū)域，另外由于壓注過程中的6#，7#溫度沒有明顯變化，導致R6-7的傳熱方向主要由初始溫度決定。

圖7 停注后Z2平面不同測點的溫度以及溫度回升率與時間關(guān)系Fig.7 Temperature and temperature recovery rate versus time for selected locations in the Z2 plane after the injection

圖8 停注后垂直平面不同測點的溫度以及冷卻速率與時間關(guān)系Fig.8 Temperature and temperature recovery rate versus time for selected locations in the vertical plane after the injection

圖9 停注后不同位置傳熱率與時間關(guān)系Fig.9 Heat transfer rate versus the time for different locations after injection

4 結(jié) 論

1)隨著注入時間的增加，LN2的核心冷卻區(qū)域范圍仍以一定速率提高；而對于LCO2，一旦相變完成，核心冷卻區(qū)域幾乎保持不變。

2)LN2的冷卻機理主要取決于LN2與煤體間的劇烈溫差導致的熱傳導，相比之下，相變潛熱和對流傳熱作用是影響LCO2的冷卻效果的關(guān)鍵。

3)停注后，LN2和LCO2的持續(xù)冷卻能力的差異主要歸因于初始溫度梯度的不同。由于較小的熱導率和較高的汽化熱，停注后液態(tài)CO2的持續(xù)冷卻能力優(yōu)于液態(tài)N2。