粒度对煤炭复燃行为特性的影响规律

2023-11-10郭志国张志达郑彪华

江西煤炭科技 2023年4期

郭志国，张志达，郑彪华

（江西理工大学应急管理与安全工程学院，江西赣州 341000）

煤炭是我国经济发展过程中不可或缺的工业原料[1]。近年来，随着大多数矿井开采强度不断加大，井下采空区遗煤和漏风现象更加严重[2-3]。为了节约煤炭资源，比较有效的方法是启封开采已熄灭的火区。与煤的初次氧化相比，这些煤已经与氧气有了一定程度的接触，在外部条件或内部供氧突然改变的情况下，会导致火区原有的平衡状态被打破而引起复燃（亦称二次氧化）。氧化煤的复燃不仅使得煤自燃的防治难度加大，而且会造成资源的不必要浪费。煤矿火灾90%以上为内因火灾，内因火灾受多种因素的影响，其中粒度是较大的影响因素之一。

近年来国内外专家学者对不同粒度煤样与其氧化升温过程的关系进行了相关研究[4-5]，但目前来说还并不完善。首先，有关粒度对煤初次氧化影响的研究居多，而对复燃（二次氧化）行为的研究却较少涉及。其次，目前所采用的大部分测试装置是对煤样罐整体进行加热，进风方向多为竖向，然而实际煤自燃的热量都是从某个点开始积聚并向外扩散，且风流以横向流动为主。最后，在矿井煤自燃区域，大多数情况是多种粒径混杂在一起并相互影响，煤样的粒度并非全部一致或处在确定的范围内，然而目前的研究大部分是把煤制成一定粒径大小的煤样进行试验。因此，本次试验将在前人的基础上加以改进。采用自主研发的程序升温试验装置，在试验过程中加入不同粒径的煤样及其混合煤样，进行粒度对煤复燃（二次氧化）行为影响规律的研究。通过测定复燃过程中特征参数的变化规律来反映煤自燃的发展程度，从而为煤复燃防治提供一定的参考。

1 试验系统

1.1 试验系统

煤自燃氧化程序升温试验系统主要由试验反应炉、供气系统、温度控制监测系统和气体分析系统四部分组成，如图1 所示。

图1 煤自燃氧化程序升温试验系统

1.2 评价指标

本次实验中选取耗氧速率、CO 和CO2产生率这三个煤自燃特性参数以全面分析不同粒度对煤复燃行为特性的影响规律。其中耗氧速率可由公式（1）计算得出，CO 和CO2产生率可由公式（2）计算得出[6]。

式中：VO2(T)为耗氧速率，mol/(cm3·s)；S 为煤样罐截面积，m2；Q 为供风量，mL/min；L 为装煤高度，m；为新鲜风流的氧气体积分数，其值为21%；分别为入口和出口的氧气体积分数，%，其中。

式中：Vx(T)为标志性气体CO 和CO2的产生率，mol/(cm3·s)；S 为煤样罐截面积，m2；Q 为供风量，mL/min；L 为装煤高度，m；为新鲜风流的氧气体积分数，其值为21%；分别为入口和出口的CO 和CO2体积分数，%。

2 试验方法

2.1 煤样采集

采集平煤八矿烟煤煤样，破碎后筛选出粒径为1.0～3.0 mm，3.0～7.0 mm，7.0～10.0 mm 的单粒度范围煤样各3 300 g，然后再分别取每种粒径范围的煤样各1 100 g 组成混合煤样3 300 g，将4 组煤样依次标记为1#、2#、3#和4#，密封保存以备使用。该煤样的自燃倾向性等级鉴定为Ⅱ类（自燃）。

2.2 试验步骤

首先利用电子天平称取待测煤样装进煤样罐中，向煤样中通入空气，在系统上设定升温范围（20℃～220℃）、升温速率（0.5℃/min）和供风量（300 mL/min）参数，然后点击加热棒开关对煤样进行升温，依次对4 组煤样进行初次氧化试验。待初次氧化试验结束后，对初次氧化煤样绝氧降温后密封保存，再对初次氧化后的4 种不同粒度煤样分别进行相同的二次氧化升温过程，最后待温度上升至220℃时，保存数据，关闭系统，试验结束。

3 试验结果与分析

3.1 耗氧速率变化规律

根据本次实验条件测定4 种不同粒度的煤样在复燃（二次氧化）过程中耗氧速率的变化规律，具体如图2 所示。

图2 耗氧速率随温度变化关系

从图2 可以看出，不同粒度煤样复燃过程的耗氧速率均随着温度的升高而升高，且在煤自燃后期随温度变化逐渐加快，具有明显的阶段特征，这主要是由于在氧化反应后期参与反应的活性基团和自由基数量和种类不断增多，煤自燃反应的速率就会加快。同时也可以看出：对于不同粒度的煤样来说，耗氧速率随煤样粒度的减小而增大，粒度越小，煤自燃过程耗氧速率就越高。这主要有以下原因：一是对于相同质量的煤样来说，其粒度越小，比表面积就越大，对氧气的吸附能力就越强，耗氧速率自然就越快；二是煤在受到外力破碎时会因分子的断裂而形成自由基，对于同种煤样来说，粒度越小，其破碎程度就越大，产生自由基的浓度就越高，煤自燃反应就更剧烈；三是煤样的粒度越小，氧化反应所需的表观活化能就越小，煤的燃烧就更容易发生。混合煤样二次氧化过程中的耗氧速率一直介于三种煤样之间，原因在于虽然煤样的粒度越小，其氧化性就越强，但是却不利于热量的积聚以及氧气向煤样内部的扩散，因此，氧化煤样既有相对较大的总体比表面积，又利于氧气向其内部扩散，若比例合适，有可能其耗氧速率比其余三种煤样都要大。

3.2 CO 产生率变化规律

根据本次实验条件测定4 种不同粒度的煤样在氧化升温过程中CO 产生率的变化规律，如图3所示。

图3 CO 产生率随温度变化关系

从图2 可以看出，混合煤样二次氧化过程中的CO 产生率介于1#和2#煤样之间，从整体来看，CO 产生率与温度的变化成正比，不同粒度煤样CO产生量均随着温度的升高而升高，在氧化反应前期（T＜120℃）随温度的变化较为缓慢，到了后期则逐渐加快，具有明显的阶段性。这主要是由于在氧化反应后期参与反应的活性基团和自由基的数量和种类不断增多，煤自燃反应速率加快。同时也可以看出：CO 产生率与粒度的变化成反比，CO 产生率随煤样粒度的减小而增大，煤样粒度越大，产生的CO 体积分数就越小。这主要有以下原因：一是相同质量的煤样，粒度越小，其比表面积就越大，对参与反应的各物质的吸附能力就越强；二是煤在受到力破碎时会因分子的断裂而形成自由基，对于同种煤样来说，粒度越小，其破碎程度就越大，产生自由基的浓度就越高；三是煤样的粒度越小，氧化反应所需的表观活化能就越小，煤的燃烧就更容易发生。

3.3 CO2 产生率变化规律

根据试验条件测定4 种不同粒度的煤样在氧化升温过程中CO2产生率的变化规律，如图4 所示。

图4 CO2 产生率随温度变化关系

从图4 可以看出，混合煤样二次氧化过程中CO2产生率介于1#和2#煤样之间，整体上CO2产生率与温度的变化成正比，不同粒度煤样的CO2产生率均随着温度的升高而升高，且在煤自燃后期随温度的变化逐渐加快。这主要是由于在氧化反应后期参与反应的活性基团和自由基不断增多，煤自燃反应的速率就加快。同时也可以看出：对于不同粒度的煤样来说，CO2产生率随煤样粒度的减小而增大，粒度越小，煤自燃过程CO2产生率就越高。这主要有以下原因：一是对于相同质量的煤样来说，其粒度越小，比表面积就越大，与氧气接触的表面积就越大，CO2就上升速度就越快；二是煤在受到外力破碎时会因分子的断裂而形成自由基，对于同种煤样来说，粒度越小，其破碎程度就越大，产生自由基的浓度就越高；三是煤样的粒度越小，氧化反应所需的表观活化能就越小，煤的燃烧就更容易发生。