供风量对褐煤自燃特性参数影响的实验研究

周西华，牛玉平，白 刚

(1.辽宁工程技术大学 安全科学与工程学院，辽宁 阜新 123000；2.矿山热动力灾害与防治教育部重点实验室(辽宁工程技术大学)，辽宁 阜新 123000)

煤自燃是一个复杂的过程，由煤自燃引发的火灾占矿井火灾总数的85%～90%[1]。煤矿发生火灾后，在火灾发生地点及附近区域所产生的气体成分复杂，产生的气体中可燃性气体成分较多，在封闭火区时瓦斯容易聚积，极有可能导致瓦斯爆炸[2-3]。因此，在发生火灾地点附近区域内气体成分变化、煤自燃特性参数变化及其影响,成为煤矿安全生产过程中研究的热点和难点。金永飞等[4-5]基于清水营煤矿自燃现状，采用实验手段对比分析了变氧条件下煤自燃过程中的气体生成规律，并建立了多参数预报指标体系；朱红青等[6-7]借助气相色谱仪对升温实验系统出口的气体浓度进行分析，对比研究了松散煤低温氧化时煤样温度、粒径和氧浓度对耗氧速率的影响规律，并建立了松散煤低温耗氧速率复合作用数学模型；马汉鹏等[8]研究了煤在低温氧化时各指标气体与温度之间的变化关系；周福宝等[9]采用煤自燃实验装置，分析煤自燃氧化产物的生成规律，验证了通过O2含量检测煤自燃特性更符合现场实际情况；秦跃平等[10]通过自主研发设计的程序升温实验装置进行分组实验，研究升温阶段空气流量对遗煤自燃特性参数的影响规律，得到实际耗氧速率受空气流量影响最大，并验证了标准耗氧速率用于计算标准放热强度的准确性；邓军等[11]对变氧浓度条件下煤自燃特性参数进行实验测试，得到了耗氧速率、CO和CO2气体生成速率、放热强度与温度之间的变化规律。

上述研究主要集中在变氧浓度条件下煤自燃的气体生成规律，以及温度、粒径和氧浓度对耗氧速率的影响等方面，而对供风量不同条件下火区生成气体特性参数(耗氧速率、CO及CO2生成速率、放热强度)及其分布规律方面的研究甚少。为此，笔者以平庄瑞安煤业4#煤层褐煤为例，利用管式炉程序升温实验装置研究了供风量分别为40、120、200 mL/min时褐煤自燃特性参数变化规律，研究成果在火区治理封闭过程中供风量逐渐减小时，有利于判定火区燃烧的状态、温度及气体的变化，对于防止因封闭火区而引发潜在的瓦斯爆炸事故具有重要意义。

1 煤自燃特性参数实验

1.1 实验煤样选取及工业分析

实验所采用的煤样选自平庄瑞安煤业4#煤层褐煤。将所采集煤样用实验设备进行粉碎，粉碎后经过处理选出实验所需的粒径为0.18～0.30 mm(80～50目)之间的煤样，装入60 mL棕色广口瓶中密封保存，在不同供风量条件下对所选煤样进行管式炉程序升温实验。煤样的工业分析结果如下：水分为24.82%，灰分为4.71%，挥发分为27.87%，固定碳为42.61%。

1.2 管式炉程序升温实验过程

管式炉程序升温实验系统主要包括供气系统、升温系统、温度测试系统、气体分析系统4个部分，如图1所示。

图1 管式炉程序升温实验系统示意图

供气系统包括高纯度合成空气气体钢瓶、减压阀、玻璃转子流量计和通气管路；升温系统包括双管电炉、瓷舟和通气管路；温度测试系统包括K型热电偶和双路温度显示器；气体分析系统包括气体取样球胆和GC-4085型气相色谱仪。

在实验过程中对所选的煤样分别进行供风量为40、120、200 mL/min的实验分析。在温度25～200 ℃内管式炉的升温速率为1 ℃/min，在温度200～250 ℃内管式炉的升温速率为2 ℃/min；当双路温度显示器上的温度值在30～200 ℃时每隔10 ℃使用气体取样球胆收集一次管式炉内煤样生成的气体；当双路温度显示器上的温度值在200～250 ℃时每隔 50 ℃ 使用气体取样球胆收集一次管式炉内煤样生成的气体。每次气体采集量约为500 mL。由于实验煤样质量较少，近似认为管式炉显示的温度即为煤体温度。

2 实验结果及分析

2.1 煤自燃特性参数变化规律

2.1.1 耗氧速率分析

(1)

通过式(1)计算实验煤样在不同供风量条件下的耗氧速率，将计算结果经过拟合得到耗氧速率变化曲线，如图2所示。

图2 供风量不同时耗氧速率变化规律拟合结果

由图2可知，影响耗氧速率的主要因素取决于供风量，而且在供风量不同时耗氧速率与煤样温度的变化趋势保持一致。随着煤样温度升高，耗氧速率呈指数规律增大；相同温度时，随着供风量增加，耗氧速率增大，这主要是由于风量增加，煤样与空气接触充分，导致耗氧速率增大。通过对实验数据进行拟合，发现耗氧速率与煤样温度之间满足下式：

vO2=aebt

(2)

式中：vO2为耗氧速率，mol/(m3·s)；t为煤样温度，℃；a、b分别为回归系数。

由式(2)可知，低温阶段煤样的耗氧速率和温度之间的关系符合Arrhenius定理，拟合方程与文献[12-13]中的遗煤耗氧速率变化规律一致。不同供风量时煤样耗氧速率拟合结果如表1所示。

表1 不同供风量时煤样耗氧速率拟合结果

2.1.2 CO与CO2生成速率

(3)

(4)

根据式(3)、式(4)计算得到不同供风量时CO、CO2生成速率变化曲线,如图3、图4所示。

图3 供风量不同时CO生成速率变化规律拟合结果

图4 供风量不同时CO2生成速率变化规律拟合结果

由图3、图4可知，随着温度升高，CO与CO2生成速率均呈指数关系增大；当供风量减小时，CO浓度增大，原因为煤中吸附大量CO，当空气流量较小时，能更好地进行化学脱附，使CO浓度增大；当供风量为120 mL/min时，CO2生成速率最大；供风量为 200 mL/min 时，CO2生成速率最小。

对比图3与图4可知，CO与CO2生成速率的变化趋势相近，但CO2生成速率大于CO生成速率，这主要是由于温度升高，CO2过渡络合物生成速率大于CO过渡络合物生成速率。对不同供风量条件下CO、CO2生成速率进行拟合，发现CO、CO2生成速率与温度之间满足指数关系，拟合结果见表2、表3。

表2 不同供风量时CO生成速率拟合结果

表3 供风量不同时CO2生成速率拟合结果

2.1.3 放热强度

根据文献[14]中的放热强度计算公式，将计算结果经过拟合得到不同供风量条件下的放热强度变化曲线，如图5所示。

图5 不同供风量时放热强度变化规律拟合结果

由图5可知，随着温度增加，放热强度也不断增大，呈指数增加趋势；当温度低于220 ℃时，相同温度下，当供风量为120 mL/min时放热强度最大，当供风量为40 mL/min时放热强度最小。通过对实验数据进行拟合回归，得到不同供风量条件下煤样放热强度与温度之间的拟合方程：

Qf=aebt

(5)

式中：Qf为放热强度，J/(m3·s)；t为煤样温度，℃；a、b分别为回归系数。

不同供风量时放热强度拟合结果如表4所示。

表4 不同供风量时放热强度拟合结果

由表4可知，回归系数a值随供风量增加而增大，b值的波动范围较小，并随供风量增加而减小。从b值的数据可得出不同供风量时放热强度随温度的变化趋势是基本一致的。根据表4拟合方程可以为数值解算参数设置提供关键技术参数。

2.2 耗氧速率与放热强度关系

根据张春等[12,15]研究得到的耗氧速率与放热量关系式(6)可知，放热量与耗氧速率呈正比关系：

(6)

式中：ω为流场几何因素系数，ω<1；b1、b2为煤在氧化过程中平衡状态下所产生CO和CO2时的氧化热，J/mol；θ为煤氧化生成CO和CO2的比例值，由现场实测取θ=5～16。

将基于实验得到的放热强度与耗氧速率数据进行拟合，得到不同供风量时耗氧速率与放热强度关系曲线，如图6所示。

图6 不同供风量时耗氧速率与放热强度关系曲线

由图6可知，在低温氧化时期，褐煤放热强度与耗氧速率呈正相关关系；当供风量为120 mL/min时放热强度最大，供风量为200 mL/min时放热强度最小。通过对实验数据进行线性拟合，得到耗氧速率与放热强度之间满足如下关系：

Qf=a+bvO2

(7)

不同供风量条件下各回归系数如表5所示。

表5 不同供风量时耗氧速率与放热强度拟合结果

由表5可知，文中得到的规律与文献[9,12]中放热量与耗氧速率之间的变化规律一致。

3 结论

1)通过管式炉程序升温实验，得到不同供风量条件下褐煤煤样耗氧速率、CO生成速率、CO2生成速率和放热强度与温度之间均呈指数规律变化；耗氧速率相同时，供风量为120 mL/min时放热强度最大，供风量为200 mL/min时放热强度最小。

2)通过实验与回归分析方法研究煤燃烧特性参数，发现供风量不同时煤体的耗氧速率与放热强度之间均呈线性关系。

3)仅研究了单一因素供风量不同时松散煤自燃特性参数随温度的变化规律，并给出了单一因素下数学模型，但仍不完善，后续还需进一步研究供风量、煤样粒径、氧浓度等多因素耦合作用下煤自燃特性参数复合作用数学模型。