单轴应力对煤自燃特性参数和导热系数的影响研究*

徐永亮，左 宁，梁浦浦，荆国松，王兰云，余明高

(1.河南理工大学 安全科学与工程学院，河南 焦作 454003； 2.河南理工大学 河南省瓦斯地质与瓦斯治理重点实验室—省部共建国家重点实验室培育基地，河南 焦作 454003； 3.煤炭安全生产河南省协同创新中心，河南 焦作 454003)

0 引言

1.高压气瓶;2.减压阀;3.稳压阀;4.压力表;5.浮子流量计;6.压力表;7.程序升温控制装置;8.预热铜管;9.加热炉体;10.进气口热电偶探头;11.控制温度热电偶探头;12.测点1热点偶探头;13.测点2热电偶探头; 14.测点3热电偶探头;15.出气管;16.荷载加压装置;17.活塞;18.气相色谱分析仪;19.数据采集系统图2 荷载加压煤自燃测定装置实物及其系统示意Fig.2 The picture oftesting device to test coal spontaneous combustion characteristic parameters under uniaxial compression and system diagram

煤田自燃火灾和煤田火的蔓延具有严重的破坏效应，在新疆地区，煤火造成了大量的资源损失，燃烧面积达720 km2，每年直接燃烧损失的煤炭资源1 360万t，间接损失的煤炭资源约2亿t[1-2]。近几十年来，为了防治煤田火，国内外学者均进行了比较深入的研究。

肖旸、马晓峰等[3-4]通过研究得出煤田火区燃烧过程中应力场与温度场的分布规律以及它们之间的函数关系；曾强等[5]确定了煤火控制体内不同裂隙区域空间范围及其透气率的计算方法；杨伟等[6]将裂隙水—孔隙水与温度场进行耦合，证明裂隙水渗流速度是影响岩体温度的主要因素；Somerton等[7]研究了裂隙煤岩在三轴应力作用下甲烷气体及氮气的渗透性，得出随地应力的增加煤层透气率呈指数关系减小；Harpalani等[8]对含瓦斯煤样在受载状态下的渗透特征进行了深入地研究，开创性地研究了含气煤样的力学性质，以及瓦斯渗流和煤岩体之间的固气力学效应。目前，对应力与煤火燃烧关系的研究主要围绕裂隙岩体由于结构应力变化导致的裂隙发育规律及气体渗流规律[9-11]开展的，而现存关于应力作用下煤田火自燃规律和火区扩散机理仍处于研究空白，因此开展单轴应力对煤自燃和传热特性影响的研究具有重要指导意义。本文通过自制荷载加压煤自燃特性参数测定装置对煤样进行程序升温，测试煤样在定压加载程序升温过程中不同测点的温度变化以及煤样耗氧量，借鉴以往学者对常压下煤自燃和传热特性的研究方法[12-14]，计算单轴应力作用下煤氧化动力学参数和导热系数，进而定量分析裂隙煤岩体在不同承压条件下的氧化升温及传热特性，深入了解煤氧化升温和煤火延燃过程的传热机理，为现场煤田火灾防治工作提供指导。

1 实验部分

荷载加压煤自燃测定试验装置由炉体、保温层、气路、活塞、加热装置、检测部分、显示器、荷载加压等部分组成，炉体呈圆柱形，最大装煤高度为155 mm，装煤量达0.8 kg，初装煤时活塞长为73 mm，进气管道在炉体周围环绕数圈，保证进气温度与煤温相同。在炉体内布置3个热电偶探头，测点位置如图1所示，左侧依次显示测点1，测点2，测点3，进口处以及控制温度。该程序升温实验系统主要是由供气装置、荷载加压煤自燃特性测定装置、气相色谱分析装置以及数据采集系统组成，荷载加压煤自燃特性测定装置实物图及其系统示意图如图2所示。

图1 加热炉体温度测量点位置Fig.1 The position of measuring points in the furnace

实验用煤为铜川下石节煤矿长焰煤，分别称量粒径为8～10 mm的煤样4份，质量分别为0.866，0.884，0.881，0.875 kg，将高压钢瓶的标气连入气路，检查气路严密性，通入标气，将供风流量控制在1 500 mL/min。将炉壁的升温速率控制在1℃/min，依次施加单轴应力为0，2，4，6 MPa，连续检测测点的温度，每隔20 s记录1次数据。

2 煤的氧化过程阶段特性

图3 不同单轴应力下煤的升温速率Fig.3 The heating rate of coal in different uniaxial compression

单轴应力/MPa0246T′c/℃106．6112109．4103．1Tg/℃288．6286．3252．9230．1

临界温度表征煤发生剧烈氧化反应难易程度。通过观察发现，计算得到的临界温度与煤温和炉温达到最大温差时的煤温具有相关性。煤在单轴应力为0,2,4,6 MPa煤温与炉温达到最大温差时煤温分别为104.4,109.5,106.1,97.9℃。相同单轴应力下，临界温度与达到最大温差时的煤温相差5℃左右，并且临界温度越低，达到最大温差时的煤温就越低，煤越容易进行剧烈氧化反应，基于此，可以将煤温与炉温达到最大温差时的煤温作为煤程序升温过程的临界温度Tc，避免了以往通过进行一系列复杂的计算和拟合，才能得到煤自燃过程的临界温度，将达到最大温差时的煤温作为临界温度不仅可以直观明了的判断煤剧烈氧化的难易程度，还能容易地对煤程序升温过程进行阶段划分，如表2所示。

表2 煤在不同单轴应力下的阶段划分

3 基于单轴应力作用下的煤氧化动力学特性

3.1 程序升温过程的表观活化能

煤表观活化能越小，越容易与氧气发生反应。根据文献[15-16]，可以得到式(1)：

(1)

图4 煤平均孔隙率随单轴应力的变化Fig.4 The change of coal average porosity with the uniaxial compression

表3 阶段1不同单轴应力下煤表观活化能

表4 阶段2不同单轴应力下煤表观活化能

阶段2，相对于0 MPa的情况，在单轴应力分别为2,4,6 MPa时，煤平均孔隙率减小了0.028,0.097,0.132，表观活化能变化了16.327,11.005,-6.955 kJ/mol，随单轴应力增大，煤表观活化能先增大后减小，随单轴应力增大呈抛物线变化，对其进行拟合，拟合关系式：y=-2.14x2+11.55x+28.025。当单轴应力为2.7 MPa时，煤平均孔隙率为0.41，煤表观活化能最大。0.41为煤临界孔隙率，2.7 MPa为阶段2临界轴压。

综上所述，临界温度越低，阶段2煤表观活化能越小，越容易进行剧烈氧化作用，进一步说明将煤温与炉温达到最大温差时的煤温作为煤程序升温过程的临界温度具有可靠性。在阶段1，当单轴应力为2 MPa时，煤平均孔隙率减小，气体渗流速度减慢，促进了煤对氧气的吸附作用，煤表观活化能减小;当单轴应力为4 MPa时，煤平均孔隙率为临界孔隙率，气体渗流速度非常慢，煤吸附氧能力很弱，使得煤表观活化能发生突变达到最大，所以4 MPa为阶段1临界轴压;当单轴应力为6 MPa时，大于临界轴压，煤平均孔隙率小于临界孔隙率，煤发生破坏出现裂隙，供氧速率会增大，煤充分吸附氧气，使得煤表观活化能最小。在阶段2，当单轴应力为临界轴压2.7 MPa时，煤表观活化能最大，当单轴应力为2 MPa时，小于临界轴压，煤平均孔隙率减小，气体渗流速度减慢，煤与氧气的反应场所也减小，导致煤表观活化能增大;当单轴应力为4 MPa时，大于临界轴压，煤平均孔隙率小于临界孔隙率，出现裂隙，产生自由基，但是产生自由基数量不多，所以煤表观活化能相比于2 MPa减小，但仍然大于0 MPa时的表观活化能;当单轴应力为6 MPa时，煤破坏程度严重产生大量自由基，使其表观活化能很小。

3.2 煤平均耗氧速率

表5 阶段1不同单轴应力下煤平均耗氧速率

表6 阶段2不同单轴应力下煤平均耗氧速率

煤平均耗氧速率反应煤与氧气的反应速率。在阶段1，当单轴应力为2 MPa时，煤表观活化能减小，煤吸附能力增强，所以煤平均耗氧速率增大;当单轴应力为4 MPa时，煤表观活化能最大，煤吸附氧能力最弱，所以煤平均耗氧速率最小;当单轴应力为6 MPa时，煤的表观活化能最小，煤吸附氧能力最强，平均耗氧速率也最大。平均孔隙率每减小0.01，单轴应力在2,6 MPa的平均耗氧速率分别增大了0.003，0.002 m3/(m3·s)，说明煤平均耗氧速率在临界轴压处发生突变达到最小，当平均耗氧速率增加时，随单轴应力增大呈线性升高。在阶段2，通过拟合煤平均耗氧速率和单轴应力的关系，得到其随单轴应力增大呈抛物线变化，煤表观活化能先增大，煤与氧气越难进行剧烈氧化反应，所以煤平均耗氧速率减小，当单轴应力为临界轴压时，煤的表观活化能最大，平均耗氧速率最小，反应速率最小;当大于临界轴压时，煤出现裂隙，煤表观活化能减小，煤越容易与氧气发生剧烈氧化作用，煤平均耗氧速率增大，反应速率增大。

4 基于单轴应力作用下的煤程序升温传热特性

4.1 煤导热系数随温度的变化

在阶段1认为测点1主要是由于测点3径向传热作用使其温度升高的。根据文献[17]，阶段1导热系数λ的计算公式如下：

(2)

式中：ρe是煤真密度，取值为1.40 g/cm3；Ce为煤样热容，J/(kg·K)；λ表示煤导热系数，W/(m2·K)；Δr为测点1到测点3的距离，m；T1为测点1温度，K；T3为测点3温度，K。

在阶段2，煤温升高不仅是由于炉壁传热，还有煤与氧气剧烈氧化反应放热的作用。根据能量守恒，忽略风流带走的热量[18]，得到阶段2煤导热系数的计算公式如下：

(3)

相比较式(2)而言，增加了，q为放热强度，J/(m3·s)；n为煤的孔隙率。根据式(2)和式(4)得到阶段1和2煤导热系数随温度的变化趋势，如图5所示。

图5 阶段1，2不同单轴应力下λ随温度的变化Fig.5 Underuniaxial compression the change of λ with temperature in stage 1and 2

在阶段1，煤导热系数随温度升高先减小后增大。在温度范围为35～85℃内，煤导热系数随温度升高降低，导热性能减弱，在这个温度范围内，煤内水分由于受热会蒸发，而水的导热系数远大于空气和煤固体的导热系数，所以随着水分不断蒸发，煤内导热热阻增大，其导热系数随温度升高而减小;当温度达到85℃，煤内水分不再蒸发，煤导热系数随温度升高逐渐增大，煤导热能力又逐渐增强，在这个阶段，煤导热系数主要受温差影响，随温度升高，煤与炉壁的温差逐渐增大，所以煤导热系数随温度升高而增大。在阶段2，煤导热系数随温度升高先减小后增大，当煤与氧气开始发生剧烈氧化反应，煤温与炉温的温差减小，煤导热系数减小，导热性能变差;当温度达到130℃附近时，煤导热系数会出现一个最小值，温差越大，煤导热系数的最小值越大。此后煤导热系数随温度升高呈指数增长，在此阶段，对煤导热系数影响最大的是温度，当温度足够高时，促进了固体分子振动以及气体的扩散，使其导热能力迅速增强。

4.2 煤导热系数随单轴应力的变化

据图5，得知煤导热系数在不同单轴应力下随温度变化趋势不同，为了深入了解裂隙岩体的传热特性，有必要分析煤导热系数随单轴应力的变化情况，如图6所示。

图6 阶段1，2煤导热系数随单轴应力变化Fig.6 The change of heat conductivity coefficient with uniaxial compression in stage 1 and 2

结果表明，阶段1和2煤导热系数随单轴应力均呈三次函数变化，变化关系式如式(4)，式(5)所示。

y=0.000 16x3-0.001 5x2+0.003 7x-0.015

(4)

y=0.001 2x3-0.01x2+0.017 4x+0.052

(5)

阶段1，煤固体分子运动不活跃，主要是通过气体流动传热。当单轴应力小于1.5 MPa时，随单轴应力增大，煤平均孔隙率减小，气体流动减慢，热扩散能力减弱，煤导热系数减小;当单轴应力大于1.5 MPa时，随单轴应力增大，煤与空气接触面积开始减小，煤内接触热阻减小，导热能力开始增强;当单轴应力为4 MPa时，煤开始出现裂隙，气体渗流速度加快，煤导热系数继续增大;当单轴应力大于4.5 MPa，随单轴应力增大，煤出现大量裂隙，气体通道增多，煤固体与气体接触面积增大，接触热阻增大，导热系数开始减小。分别距临界轴压2.5，0.5 MPa处，煤导热系数出现了极小值和极大值。

阶段2，煤固体分子比较活跃，主要是通过固体分子进行导热。当单轴应力小于1 MPa时，随单轴应力增大，煤平均孔隙率减小，煤固体与气体分子接触面积减小，接触热阻减小，煤导热系数增大;当单轴应力大于1 MPa，煤受到挤压，减小了固体分子振动范围，煤热扩散能力减弱，导热系数减小;当单轴应力为2.7 MPa时，煤开始出现裂隙，煤与空气接触面积增大，煤导热系数继续减小;当单轴应力为5 MPa时，煤受破坏程度严重，煤由原来的大分子分解成小分子，振动频率加快，煤导热系数增大，煤导热系数的极大值和极小值出现在距临界轴压约±2 MPa处。

5 结论

1)煤程序升温是一个非线性动态过程，为了精准把握单轴应力对煤自燃和传热特性的影响，分别分析阶段1和2单轴应力对氧化动力学参数和导热系数的影响。

2)在程序升温条件下，将煤温与炉温达到最大温差时的煤温作为程序升温过程临界温度，来表征煤发生剧烈氧化反应的难易程度，结果表明临界温度越低，表观活化能越小，与以往实验结果一致，避免了以往经过一系列复杂的计算才能得到煤自燃过程的临界温度。

3)根据氧化动力学分析，在阶段1，当单轴应力为临界轴压4 MPa时，煤表观活化能最大，平均耗氧速率最小，从0 MPa到2，6 MPa时，煤表观活化能随单轴应力增大呈线性降低，煤平均耗氧速率随单轴应力增大呈线性升高；在阶段2，煤程序升温过程临界温度越低，表观活化能越小，平均耗氧速率越大，煤表观活化能和平均耗氧速率随单轴应力增大均呈抛物线变化，当单轴应力为2.7 MPa时，煤表观活化能最大，平均耗氧速率最小。单轴应力越大，温度交叉点出现越迟，煤自燃进程就越慢。

4)阶段1和2，煤导热系数随温度升高均先减小后增大。阶段1，2煤导热系数随单轴应力增大均呈三次函数变化。阶段1：当单轴应力小于1.5 MPa时，煤导热系数随单轴应力增大而减小，当单轴应力大于1.5 MPa小于4.5 MPa时，煤导热系数随单轴应力增大而减小，当单轴应力大于4.5 MPa，煤导热系数随单轴应力增大而增大，单轴应力为1，5 MPa时，导热系数分别出现了极大值和极小值；阶段2：当单轴应力小于1 MPa时，煤导热系数随单轴应力增大而增大，当单轴应力大于1 MPa小于5 MPa时，煤导热系数随单轴应力增大而减小，当单轴应力大于5 MPa，煤导热系数随单轴应力增大而增大，煤导热系数极大值和极小值出现在距临界轴压约±2 MPa处。极值点标志导热系数随单轴应力增大变化趋势发生了转变，对阻止裂隙岩体传热具有重要指导作用。

[1] 徐永亮,王兰云,褚廷湘,等.煤田火区扩散机理与煤岩裂隙发育规律研究进展[J].河南理工大学学报(自然科学版),2013,32(6):668-672.

XU Yongliang,WANG Lanyun,CHU Tingxiang,et al.Research progress on coalfire diffusion and fracture development of coal rocks in coal-fire areas[J].Journal of Henan Polytechnic University(Natural Science),2013,32(6):668-672.

[2] 曾强.新疆地区煤火燃烧系统热动力特性研究[D].徐州：中国矿业大学,2012.

[3] 肖旸.煤田火区煤岩体裂隙渗流的热—流—固多场耦合力学特性研究[D].西安： 西安科技大学,2013.

[4] 马晓峰.煤田火区多场耦合作用下火源中心形成与识别方法研究[D].西安： 西安科技大学,2015.

[5] 曾强,王德明,蔡忠勇.煤田火区裂隙场及其透气率分布特征[J].煤炭学报,2010(10):1670-1673.

ZENG Qiang,WANG Deming,CAI Zhongyong.The distribution characteristics of fracture and permeability in coalfire[J].Journal of China Coal Society,2010(10):1670-1673.

[6] 杨伟,杨秋实,杜宝,等.裂隙岩体渗流耦合传热分析[J].中国地质灾害与防治学报,2012,23(1):99-102.

YANG Wei,YANG Qiushi,DU Bao,et al.Analysis of coupled heat transfer for fractured rock seepage[J].The Chinese Journal Geological Hazard and Control,2012,23(1):99-102.

[7] SOMERTON W H,Söylemezolu I M,DUDLEY R C.Effect of stress on permeability of coal[J].International Journal of Rock Mechanics & Mining Sciences & Geomechanics Abstracts,1975,12(5):129-145.

[8] HARPALANI S.Gas flow through stressed coal[J].Coal,1985.

[9] 赵阳升,胡耀青,杨栋,等.三维应力下吸附作用对煤岩体气体渗流规律影响的实验研究[J].岩石力学与工程学报,1999,18(6):651-653.

ZHAO Yangsheng,HU Yaoqing,YANG Dong,et al.The experimental study on the gas seepage law of rock related to adsorption under 3-D stress[J].Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering,1999,18(6):651-653.

[10] 王海燕,周心权,张红军,等.煤田露头自燃的渗流-热动力耦合模型及应用[J].北京科技大学学报,2010,32(2):152-157.

WANG Haiyan,ZHOU Xinquan,ZHANG Hongjun,et al.Seepage-thermal dynamical coupling model for spontaneous combustion of coalfield outcrop and its application[J].Journal of University of Science and Technology Beijing,2010,32(2):152-157.

[11] 刘泉声,刘学伟.多场耦合作用下岩体裂隙扩展演化关键问题研究[J].岩土力学,2014(2):305-320.

LIU Quansheng,LIU Xuewei.Research on critical problem for fracture network propagation and evolution with multifield coupling of fractured rockmass[J].Rock and Soil Mechanics,2014(2):305-320.

[12] 杜佳,邬剑明.基于活化能动力学研究煤低温氧化特性[J].山西煤炭,2015,35(5):1-2.

DU Jia,WU Jianming.Low temperature oxidation properties of coal based on activation energy and kinetics[J].Shanxi Coal,2015,35(5):1-2.

[13] 贾海林,杜志峰,王健,等.煤氧化-热解进程的增失重阶段与动力学三因子分析[J].中国安全生产科学技术,2015(8):112-118.

JIA Hailin,DU Zhifeng,WANG Jian,et al.Analysis on the weight increment and weight loss stage and the kinetic triplet during the oxidation-pyrolysis process of coal[J].Journal of Safety Science and Technology,2015(8):112-118.

[14] 许涛,王德明,雷丹,等.基于CO浓度的煤低温氧化动力学试验研究[J].煤炭科学技术,2012,40(3):53-55.

XU Tao,WANG Deming,LEI Dan,et al.Study on coal oxidized dynamics test with low temperature based on CO density[J],Coal Science and Technology,2012,40(3):53-55.

[15] 徐永亮,王兰云,宋志鹏,等.基于交叉点法的煤自燃低温氧化阶段特性和关键参数[J].煤炭学报,2017,42(4):935-941.

XU Yongliang,WANG Lanyun,SONG Zhipeng,et al.Characteristics and critical parameters of coal spontaneous combustion at low temperature stage based on CPT method[J].Journal of China Coal Society,2017,42(4):935-941.

[16] 李增华,齐峰,杜长胜,等.基于吸氧量的煤低温氧化动力学参数测定[J].采矿与安全工程学报,2007,24(2):137-140.

LI Zenghua,QI Feng,DU Changsheng,et al.Measurement of dynamic parameters of coal oxidation at low temperature based on oxygen consumption[J].Journal of Mining and Safety Engineering,2007,24(2):137-140.

[17] 孙越,李增华,高思源,等.瞬态径向热流法测定松散煤体变导热系数[J].中国安全生产科学技术,2012,8(1):42-46.

SUN Yue,LI Zenghua,GAO Siyuan,et al.Measurement of changing thermal conductivity of loose coal with transient radial heat flow method[J].Journal of Safety Science and Technology,2012,8(1):42-46.

[18] 徐精彩,张辛亥.程序升温实验中用键能变化量估算煤的氧化放热强度[J].火灾科学,1999(4):59-63.

XU Jingcai,ZHANG Xinhai.Estimation of coal heat liberation intensity by bond energy change in programming temperature experimental[J].Fire Science,1999(4):59-63.