李曉琳

(晉能控股煤業(yè)集團(tuán) 四老溝礦，山西 大同 037000)

工作面回采結(jié)束后形成大面積的采空區(qū)，在采空區(qū)內(nèi)部充滿了粒徑大小不一的煤巖顆粒，從而形成多孔介質(zhì)區(qū)域，很容易發(fā)生遺煤自然發(fā)火[1-3]。所以對煤自然發(fā)火氧化升溫規(guī)律進(jìn)行研究的意義重大，可為治理采空區(qū)遺煤自然發(fā)火提供重要依據(jù)。

為此，我國科研工作者開展了大量的試驗(yàn)研究，并取得一定的成果。賈廷貴等[4]在神東布爾臺42201-1工作面采集煤樣、開展熱重(TG)和差示掃描量熱法(DSC)試驗(yàn)，分析煤在氧化階段失重與放熱規(guī)律與水分含量之間的關(guān)系，試驗(yàn)結(jié)果表明：增加煤體水分可提高煤體溫度升高所需的熱量，減緩熱量傳遞速率，從而降低煤自燃熱傳導(dǎo)特性；何瑾瑤等[5]借助差示掃描量熱法(DSC)對粒徑大小不一的煤發(fā)生低溫氧化過程進(jìn)行研究，發(fā)現(xiàn)煤在氧化時(shí)的熱演化規(guī)律為由吸熱過程逐漸轉(zhuǎn)化為放熱過程，粒徑越小越能夠加快煤氧化放熱，同時(shí)活化能也開始減少，小粒徑的煤自然發(fā)火危險(xiǎn)性在升高；文虎等[6]借助程序升溫法在色連3號礦對5種不同粒徑的煤開展研究，發(fā)現(xiàn)當(dāng)空氣流量改變時(shí)，小粒徑煤樣的耗氧量變化最敏感，而且空氣流量低、粒徑小的煤樣反應(yīng)活化能最小；鄧軍等[7]借助煤自燃程序升溫試驗(yàn)裝置，研究在低溫氧化時(shí)，粒徑大小不一的煤樣氣體產(chǎn)物與耗氧速率隨溫度的變化規(guī)律，發(fā)現(xiàn)煤樣粒徑越大，活化能越大的規(guī)律。

然而，以上科研工作者進(jìn)行研究時(shí)，沒有充分分析覆巖以及保護(hù)煤柱形成的軸向應(yīng)力對工作面采空區(qū)中粒徑大小不一的煤所產(chǎn)生的影響，進(jìn)而影響遺煤的裂隙結(jié)構(gòu)、滲透率等參數(shù)[8-9]，改變煤的自然發(fā)火氧化過程[10-11]。所以，此次試驗(yàn)借助氣相色譜儀及荷載加壓裝置研究煤的氧化升溫規(guī)律，為指導(dǎo)礦井治理采空區(qū)遺煤自然發(fā)火提供理論依據(jù)。

1 試 驗(yàn)

1.1 制作煤樣

晉能控股煤業(yè)集團(tuán)四老溝礦所開采煤層的自燃傾向性為Ⅱ類自燃，吸氧量為0.67 cm3/g干煤，最短自然發(fā)火期為86 d。

選用四老溝煤礦較低變質(zhì)程度的煙煤作為試驗(yàn)煤樣，表1為煤樣的元素和工業(yè)分析結(jié)果。在采煤工作面采集新鮮暴露煤樣，立即采用保鮮膜密封包裹，在試驗(yàn)室氮?dú)猸h(huán)境下拆開煤樣包裝，選擇煤樣內(nèi)芯粉碎，篩選得到0.6～2.0 mm、2.0～6.0 mm、6.0～10.0 mm共3個(gè)粒徑尺寸的煤樣，命名為A、B、C煤樣[12-14]，立即放到真空干燥箱進(jìn)行48 h干燥[15-16]，避免水分影響煤樣的氧化升溫反應(yīng)。

表1 工業(yè)分析結(jié)果

1.2 試驗(yàn)過程

試驗(yàn)設(shè)備包括氣相色譜儀、荷載加壓煤自燃特性參數(shù)測定裝置，如圖1所示。

圖1 試驗(yàn)設(shè)備圖

在反應(yīng)釜的上蓋安裝熱電偶，以測定試驗(yàn)時(shí)煤樣的溫度，設(shè)置反應(yīng)釜1 ℃/min的升溫速率。因反應(yīng)釜的外層存在升溫加熱套，加之反應(yīng)釜整體面積不大，判定煤樣在升溫加熱階段受熱均勻[17]。

向高壓氣瓶內(nèi)充裝干空氣，設(shè)置氣體流量為1 200 mL/min，壓力為0.3 MPa。

氣相色譜儀主要作用是將反應(yīng)釜出口氣體濃度完整記錄。

試驗(yàn)過程：

1) 加裝煤樣。把活塞下調(diào)到最低點(diǎn)，在反應(yīng)釜內(nèi)放進(jìn)0.8 kg煤樣，要求煤樣平鋪均勻，保證活塞與煤樣的底部面積基本一致，蓋住上蓋，然后將高壓氣瓶閥門打開。

2) 設(shè)置單軸應(yīng)力。旋轉(zhuǎn)液壓裝置，將單軸應(yīng)力設(shè)置為5個(gè)檔次：0 MPa、2 MPa、4 MPa、6 MPa、8 MPa、10 MPa，控制進(jìn)入反應(yīng)釜的氣體壓力和流量。

3) 設(shè)置升溫程序。觀察應(yīng)力表和氣體流量計(jì)，等待讀數(shù)平穩(wěn)30 min之后，啟動程序升溫裝置加熱煤樣，同時(shí)記錄活塞位移情況。

搜集氣體數(shù)據(jù)。觀察溫度，間隔10 ℃，把從反應(yīng)釜出口氣體通入1次氣相色譜儀；如果煤樣升溫速度加快，間隔12 min 1次。

2 自燃氧化升溫特征

2.1 升溫速率特性

依據(jù)煤樣升溫速率、煤樣溫度、加熱時(shí)間三者之間的計(jì)算公式，具體見公式(1)，獲得煤樣在單軸應(yīng)力不同條件下，隨溫度不斷增大升溫速率的變化規(guī)律，具體如圖2所示。

(1)

式中：v為升溫速率，℃/s；θ為溫度，℃；t為加熱時(shí)間，s。

在單軸應(yīng)力不同條件下，粒徑不同煤樣隨溫度不斷增大，升溫速率變化呈現(xiàn)規(guī)律基本相同，具有先增大之后下降的特點(diǎn)。出現(xiàn)這一現(xiàn)象的原因是：試驗(yàn)裝置在加熱煤樣升溫時(shí)，裝置中的氧氣與煤進(jìn)行氧化反應(yīng)同時(shí)釋放出熱量，使得煤樣溫度很快增大；伴隨溫度不斷增大，煤樣的氧化反應(yīng)逐漸達(dá)到平衡狀態(tài)，放熱量趨于穩(wěn)定，受到試驗(yàn)裝置的限制，煤樣溫度波動不大，升溫速率開始下降。

在單軸應(yīng)力由2 MPa增加到8 MPa時(shí)，煤樣的最大升溫速率伴隨煤樣粒徑升高，表現(xiàn)為先升高之后下降的變化規(guī)律。原因是：粒徑較小，與氧氣接觸范圍較大，反應(yīng)速率加快，釋放出的熱量較多，使得煤樣氧化升溫時(shí)最大升溫速率呈現(xiàn)升高趨勢；伴隨粒徑增大，在單軸應(yīng)力的作用下，煤樣發(fā)生擠壓，再次形成孔隙和裂隙，然而壓裂過程中所形成的粒徑很小的顆粒充填到孔隙和裂隙之中，使得煤與氧氣的接觸面積相對減小，最大升溫速率開始減緩；在10 MPa單軸應(yīng)力作用下，隨煤樣粒徑增大，最大升溫速率在升高，原因是：當(dāng)單軸應(yīng)力達(dá)到10 MPa時(shí)，粒徑較大煤樣被壓縮形成二次破裂，接觸面積再次增大，最大升溫速率開始增高。

圖2 隨溫度升高煤樣升溫速率變化規(guī)律圖

2.2 耗氧速率特性

結(jié)合公式(2)對試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，得到在單軸應(yīng)力不同條件下隨著溫度的不斷升高，煤樣耗氧速率的變化曲線，如圖3所示。

(2)

圖3 煤樣耗氧速率變化曲線圖

在升溫過程中，粒徑不同的煤樣耗氧速率表現(xiàn)為先加速升高之后逐步升高的規(guī)律，原因是：煤樣剛開始氧化時(shí)，參與反應(yīng)的基團(tuán)在持續(xù)不斷活化過程中，將反應(yīng)釜內(nèi)的大量氧氣消耗，在激活自由基鏈?zhǔn)椒磻?yīng)之后，產(chǎn)生熱量加快氧化反應(yīng)，加快了氧化反應(yīng)速率，從而很快升高耗氧速率；伴隨溫度增大，逐步將參與反應(yīng)的基團(tuán)活化，氧化反應(yīng)逐步達(dá)到平衡狀態(tài)，氧氣含量逐步達(dá)到平衡，但因氧化反應(yīng)的作用，煤樣本身形成很多孔隙和裂隙，和氧氣的接觸區(qū)域增大，導(dǎo)致煤樣小幅度增大耗氧速率，呈現(xiàn)逐步升高的變化規(guī)律。隨著單軸應(yīng)力的增大，粒徑大小不同的煤樣耗氧速率在升高，原因是：單軸應(yīng)力增大，導(dǎo)致煤樣顆粒相互擠壓明顯，擴(kuò)大了接觸面積以及活性位點(diǎn)，同時(shí)因單軸應(yīng)力的增大，減少表面活性基團(tuán)化學(xué)鍵破斷所需的鍵能，增加了自由基數(shù)目，使得升溫時(shí)鏈?zhǔn)椒磻?yīng)消耗更多的氧氣。

2.3 產(chǎn)熱速率特性

結(jié)合公式(3)對試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，得到在單軸應(yīng)力不同時(shí)，隨溫度不斷升高，煤樣產(chǎn)熱速率的變化曲線，具體如圖4所示。

圖4 煤樣產(chǎn)熱速率變化曲線圖

(3)

式中：Qt為煤樣產(chǎn)熱速率，J/s；m為煤樣質(zhì)量，kg；Cp為恒壓比熱系數(shù)，J/(kg·K)；T為煤樣熱力學(xué)溫度，K；s為反應(yīng)釜橫截面積，0.007 85 m2；λ為煤樣導(dǎo)熱系數(shù)，W/(m2·K)；γ為反應(yīng)釜進(jìn)口氣體質(zhì)量流量，1.61×10-6kg/s；TL為反應(yīng)釜加熱裝置溫度，K。

在升溫時(shí)，粒徑不同的煤樣產(chǎn)熱速率表現(xiàn)為先平穩(wěn)不變接著升高再下降的變化規(guī)律，原因是：溫度0～100 ℃時(shí)，煤樣與氧氣反應(yīng)，主要表現(xiàn)為物理吸附吸熱和化學(xué)吸附放熱，吸熱量和放熱量基本平衡，因此煤樣產(chǎn)熱速率變化幅度很??；伴隨溫度增加，在加熱時(shí)，參加反應(yīng)的各種基團(tuán)逐步被激活，處于供給充足氧氣環(huán)境條件的大量活化基團(tuán)很快氧化，煤樣與氧氣反應(yīng)速率得到加快，釋放更多熱量；隨著活性基團(tuán)氧化反應(yīng)后逐步減少，向環(huán)境中釋放的熱量也在降低。

在10 MPa單軸應(yīng)力作用下，B煤樣處于溫度0～100 ℃時(shí)產(chǎn)熱速率低于零，原因是：此時(shí)煤樣形成很多自由基，物理吸附作用得到加強(qiáng)，導(dǎo)致煤樣發(fā)生物理吸附作用時(shí)吸收熱量大于化學(xué)吸附作用時(shí)放出熱量。

在單軸應(yīng)力作用下，A煤樣的最大產(chǎn)熱速率比無單軸應(yīng)力作用時(shí)小，B煤樣在2 MPa、6 MPa、8 MPa單軸應(yīng)力作用下最大產(chǎn)熱速率比無單軸應(yīng)力作用時(shí)大，C煤樣在2 MPa、8 MPa單軸應(yīng)力作用下的最大產(chǎn)熱速率比無單軸應(yīng)力作用時(shí)大，說明：伴隨煤樣粒徑不斷增大，煤樣在一定的單軸應(yīng)力影響下最大產(chǎn)熱速率比未施加單軸應(yīng)力時(shí)大。原因是A煤樣自身粒徑較小，當(dāng)單軸應(yīng)力施加之后，呈現(xiàn)松散堆積狀態(tài)的煤樣接觸面積減小，僅有一小部分的活性基團(tuán)發(fā)生氧化，氧化反應(yīng)強(qiáng)度較弱，使得釋放出的熱量比松散煤樣??；在增大煤樣粒徑時(shí)，施加單軸應(yīng)力后B和C煤樣發(fā)生各種形式的破裂和擠壓，使得煤樣氧化時(shí)孔隙、裂隙和活性基團(tuán)不斷增多，氧化強(qiáng)度得到提高，加快了最大產(chǎn)熱速率。

3 結(jié) 語

1) 在單軸應(yīng)力作用下，粒徑不同的煤樣升溫速率變化趨勢基本相同，表現(xiàn)為先升高再減少趨勢。當(dāng)2 MPa、4 MPa、6 MPa、8 MPa單軸應(yīng)力作用下，最大升溫速率伴隨煤樣粒徑不斷增大而先升高再減少；但在10 MPa單軸應(yīng)力作用下，隨煤樣粒徑不斷增大，最大升溫速率卻在升高。

2) 在升溫時(shí)，隨單軸應(yīng)力的增大，粒徑不同的煤樣耗氧速率表現(xiàn)為先迅速升高后逐步增大，整體為一直升高的變化規(guī)律。

3) 在升溫時(shí)，粒徑不同的煤樣產(chǎn)熱速率變化趨勢為初始階段較平穩(wěn)、之后升高、最后下降；伴隨煤樣粒徑不斷增大，煤樣在一定的單軸應(yīng)力影響下最大產(chǎn)熱速率比未施加單軸應(yīng)力時(shí)大。