温度对煤尘水分蒸发特性的影响规律研究

2022-11-09杨玉中

煤矿安全 2022年10期

李岚，杨玉中

（河南理工大学能源科学与工程学院，河南焦作 454000）

近年来，随着矿井开采深度增加、采掘机械化程度提高，井下高温热害日益严重[1-2]。研究表明在未来10～15 年内，我国将有53%的煤炭资源将为1 000 m 以下的深部开采，高温热害问题严重[3]。矿井高温热害对资源高效安全开采、井下工人职业健康均造成了严重影响[4]。此外，因巷道温度高导致沉积煤尘水分蒸发速率快，井下煤尘二次飞扬严重、粉尘防治难的问题近年来逐渐引起学者的重视[5-6]。

煤尘水分蒸发后不仅容易造成二次扬尘问题，而且其爆炸危险性亦显著升高，给矿井安全生产带来威胁。针对煤尘爆炸特性，文献［7］研究了煤尘含水率对其爆炸特性的影响，得到煤尘含水率高于10%后可显著降低其爆炸性；文献［8］探究了惰性气体对煤尘爆炸的抑制特性，得到CO2对煤尘爆炸抑制性更强；文献［9］测试了水、CaCO3和NH4H2PO43 种物质对煤尘的抑爆特性，结果发现水对煤尘爆炸的抑爆性最强。因此，研究煤尘水分蒸发特性对煤尘爆炸防治具有重要意义。目前对煤尘水分蒸发特性的研究较少，其中文献［10］研究了露天煤堆内部升温与水分蒸发特征，得到煤堆内水分蒸发分为缓慢蒸发、快速蒸发和蒸干3 个阶段，但该研究对象为露天煤堆，其结果在井下的适用性尚不可知；文献［6］探究了自然环境下煤尘表面水分蒸发特性的多参数影响模型，但该研究只考虑了常温环境，对高温环境下煤尘水分蒸发特性未做研究。

基于此，针对矿井高温热灾害问题，实验探究了润湿煤尘在不同温度下的蒸发特征参数变化规律，系统分析了温度对煤尘水分蒸发特性的影响，对高温矿井粉尘灾害治理具有显著研究价值。

1 实验材料与方法

1.1 煤样采集与制备

按照GB/T 482—2008 国标规定的煤样采集方法，对河南平煤集团4 座煤矿综采工作面煤样进行采集，对所采煤样工业组分进行测试，煤样工业分析见表1。将所采煤样进行球磨破碎处理，过74 μm筛，取筛下煤尘作为实验煤样进行研究。

表1 煤样工业分析Table 1 Analysis of industrial components of coal samples

1.2 实验方法

为系统研究矿井温度对煤尘水分蒸发特性的影响，采用实验室模拟，利用单因素（温度）控制变量法研究了润湿煤尘在不同环境温度下的蒸发特性。

首先，将各实验煤尘样与水按质量比1∶1 进行均匀混合，制备成润湿煤尘；然后，用玻璃培养皿取（5±0.1）g 各润湿煤尘5 组（为保证各煤尘样受热表面积的一致性，实验过程中将润湿煤尘样均匀摊放在培养皿中），将润湿煤尘分别放入不同温度的恒温干燥箱中进行蒸发实验，干燥箱温度设置为25、30、35、40、45、50 ℃。井下测量显示，河南平煤集团下属煤矿综采工作面的体感温度在35 ℃左右，因井下煤岩温度高于巷道内人体体感温度，故实验温度设置高于体感温度，并增设了富余梯度温度。实验过程中定时对润湿煤尘质量进行测量，当连续3 次质量不再发生变化时，认为润湿煤尘水分达到最大蒸发质量，停止实验。为探究温度对煤尘蒸发特性的影响，对各润湿煤尘分别进行上述蒸发实验。

1.3 数据分析方法

润湿煤尘蒸发过程中，根据其质量变化可分为2 个阶段：蒸发失水阶段与失水平衡阶段。在蒸发失水阶段，煤尘中的水分随时间均匀蒸发，直至达到失水平衡质量，之后煤尘质量不再发生变化。

为量化分析温度对润湿煤尘蒸发特性的影响规律，根据润湿煤尘典型蒸发曲线，分别选取蒸发速率Ve、蒸发平衡时间t 和最大失水率△m作为润湿煤尘蒸发的特征参数进行分析。煤尘水分蒸发特征参数选取示意图如图1。

图1 煤尘水分蒸发特征参数选取示意图Fig.1 Evaporation parameters of the water in coal dust samples

图1 中，Ve为润湿煤尘在蒸发失水阶段的质量变化速率，可用最小二值法对其质量与时间进行线性拟合，所得曲线斜率绝对值即为Ve；t 为润湿煤尘从开始蒸发到达到失水平衡点时所用时间，即蒸发失水阶段时长；△m为煤尘达到失水平衡点时的失水率，其计算方法如下：

式中：mt为煤尘在达到蒸发平衡时间t 时的质量（含培养皿），g；m1为培养皿质量，g；m2为润湿煤尘质量，g。

2 结果与讨论

2.1 不同温度下煤尘水分蒸发特性

不同温度下4 组润湿煤尘水分蒸发曲线如图2。

图2 不同温度下4 组润湿煤尘水分蒸发曲线Fig.2 Evaporation curves of four wetting coal dust samples in different temperatures

由图2 可知：随时间增加，不同温度下润湿煤尘均先进行蒸发失水，之后质量保持不变，进入失水平衡阶段。根据界面化学理论[9]，自然环境中在气-液两相浓度差的推动下，润湿煤尘中的液体水分不断向气相空间扩散，形成蒸发失水过程；当蒸发到一定程度后，即润湿煤尘中的残余水分与煤尘颗粒间的吸附力大于分子扩散力时，润湿煤尘中的水分不在发生蒸发，煤尘质量保持不变，即进入水平平衡阶段。这与文献［5］研究的煤垛表面水分自然蒸发特性基本一致。

此外，由图2 可知，随环境温度升高，4 种润湿煤尘的失水平衡时间与达到失水平衡后的质量均显著降低。该结果表明随温度升高，润湿煤尘失水速率与最大失水率均增加，即随温度升高，润湿煤尘中的水分容易发生蒸发，且蒸发量显著增加。分析可知，随温度升高，煤尘中水分子运动能不断增加，其摆脱煤尘分子吸附力的能力亦不断增强，进而使得润湿煤尘的蒸发速率与最大失水率增加[11]。为进一步量化分析温度对润湿煤尘水分蒸发特性的影响规律，对不同温度下4 种润湿煤尘的蒸发速率、最大失水率与蒸发平衡时间进行了分析。

2.2 温度对煤尘水分蒸发速率的影响规律

不同温度下4 组润湿煤尘水分蒸发速率曲线如图3。

由图3 可知，随温度增加，各润湿煤尘对应蒸发速率均呈类直线增加。在50 ℃下，1 号～4 号润湿煤尘的蒸发速率较25 ℃时分别提高了2.0、2.6、1.9、1.6 倍，4 种润湿煤尘蒸发速率平均提高2.0 倍。结果表明：随矿井温度升高，巷道地面沉积煤尘水分蒸发速率将快速增加。

另外，由图3（c）可知，3 号煤样在45 ℃下的蒸发速率较40 ℃时略有下降，通过分析实验过程发现这可能是由于实验过程中恒温箱温度控制不稳定所造成的实验误差。相似结果亦在2 号煤样与4 号煤样中发现了，即润湿煤尘蒸发速率在45 ℃时较40℃时增加不显著。文献［12］指出温度对土壤孔隙中水汽运动具有显著作用，即温度越高，水汽运动能越大，水汽扩散能力越强，水分蒸发速率越快。与土壤类似，煤尘是1 种典型多孔介质材料[13-14]，其内部发达的孔隙结构中吸附有大量水分，在环境温度升高后，孔内水分子运动能增加，汽化速率升高，汽化后水分子向环境的扩散速率增加，最终导致煤尘水分蒸发速率快速增加。煤尘水分蒸发后，煤尘颗粒间的黏附力与自身比重均快速降低，在外力扰动下极易形成二次扬尘，对井下工人职业健康与安全造成严重影响[15]。因此，高温矿井应充分重视巷道沉积煤尘水分蒸发特性，及时制定防治措施。

图3 不同温度下4 组润湿煤尘水分蒸发速率曲线图Fig.3 Evaporation rate curves of four wetting coal dust samples in different temperatures

2.3 温度对煤尘最大失水率的影响

不同温度下4 组润湿煤尘最大失水率曲线如图4。

图4 不同温度下4 组润湿煤尘最大失水率曲线图Fig.4 Maximum water loss rate curves of four wetting coal dust samples in different temperatures

由图4 可知：随着温度的升高，各润湿煤尘对应的最大失水率均呈近直线快速增加。温度50 ℃下，1号～4 号润湿煤尘最大失水率较25 ℃时分别提高了27.55%、32.45%、19.49%、18.81%，4 组润湿煤尘平均升高了24.57%。此外，除3 号润湿煤尘外，其余3组润湿煤尘在温度从25 ℃升高到30 ℃时，最大失水率变化均较小；之后，随温度进一步升高，最大失水率开始快速增加。该结果表明低温阶段（＜35 ℃），温度对煤尘蒸发最大失水率的影响较小；但当温度高于35 ℃后，煤尘最大失水率显著增加。因此，巷道温度高于35 ℃的矿井应对沉积煤尘水分蒸发速率快、失水率高导致的煤尘干燥问题给予充分重视。

2.4 温度对煤尘水分蒸发平衡时间的影响

不同温度下4 组润湿煤尘蒸发平衡时间变化图如图5。

由图5 可知，4 组煤尘蒸发平衡时间随温度升高均呈下降趋势，温度从25 ℃升高到50 ℃后，1号～4 号煤尘蒸发平衡时间由200 min 以上降低到了80 min 左右，平均下降了63.3%。此外，与煤尘失水率变化规律不同（图4），随温度增加4 种润湿煤尘蒸发平衡时间在低温下的下降速率远大于在高温下的下降速率。利用最小二值法，以温度为自变量、以蒸发平衡时间为因变量进行拟合。拟合结果可知，润湿煤尘蒸发平衡时间均与温度呈显著对数负相关关系，拟合度R2均高于0.92。以上结果表明，温度在低温阶段的升高可引起煤尘蒸发平衡时间的快速下降，即润湿煤尘干化时间降低、煤尘蒸发速率快速增加，这与图3 结果基本一致。因此，高温矿井应根据巷道温度变化情况，及时增加洒水频率，以降低沉积煤尘二次飞扬危害。