潘俊杰，李 君

(天津大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，天津 300072)

煤炭在人類(lèi)文明的發(fā)展史上起到了不可估量的作用，尤其對(duì)于作為產(chǎn)煤大國(guó)的我國(guó)而言，煤炭是十分重要的能源資源[1].地下煤火是在自然條件下，地下煤發(fā)生氧化、陰燃直至發(fā)展形成一定規(guī)模的煤的自燃現(xiàn)象[2].煤層的自燃不僅燒毀了大量珍貴的煤炭資源，威脅著煤礦生產(chǎn)的安全，還會(huì)造成自然環(huán)境的污染，損害人類(lèi)的健康.

地下煤火的燃燒主要以陰燃的方式進(jìn)行，煤的陰燃過(guò)程是煤樣固體表面與氧氣接觸后發(fā)生的異相反應(yīng).與明火不同，陰燃反應(yīng)是一種緩慢、低溫且無(wú)火焰的燃燒過(guò)程[3-4].

國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)陰燃的傳播過(guò)程進(jìn)行了大量的實(shí)驗(yàn)和理論研究.王瑞智[5]研究了擴(kuò)散條件下巷道中煤層陰燃傳播過(guò)程，給出了陰燃向有焰火轉(zhuǎn)變的條件.張世明等[6]對(duì)褐煤進(jìn)行了正向陰燃實(shí)驗(yàn)，結(jié)果表明，褐煤具有易引燃、高溫維持時(shí)間長(zhǎng)和陰燃傳播速度慢的特點(diǎn).者香[7]研究了泥炭的陰燃特性，發(fā)現(xiàn)在某一定粒徑范圍內(nèi)泥炭的陰燃傳播速率隨粒徑增大而增大.Qi 等[8]研究構(gòu)建了煤陰燃實(shí)驗(yàn)裝置，在恒定氣流大小的情況下進(jìn)行了水平、垂直、正向和反向陰燃燃燒實(shí)驗(yàn).Guillermo 等[9-10]采用錐形量熱儀研究了泥炭在陰燃過(guò)程中CO 與CO2的產(chǎn)生特性，發(fā)現(xiàn)CO2的產(chǎn)量隨水分含量的增大而增大，而CO 的產(chǎn)量不受水分影響.Hadden[11]對(duì)粒徑為7～45 mm 的煤堆進(jìn)行陰燃的研究，發(fā)現(xiàn)煤堆最大陰燃溫度為720～930 ℃，陰燃傳播速率為0.7 mm/min.Huang 等[12]探究了泥炭火災(zāi)的橫向蔓延.觀察到懸臂的形成，且懸垂厚度隨著濕度和風(fēng)速的增加而增大.

然而，現(xiàn)有的實(shí)驗(yàn)多采用強(qiáng)制對(duì)流通風(fēng)來(lái)進(jìn)行供氧，這樣的實(shí)驗(yàn)條件與礦井火災(zāi)更為契合.真實(shí)環(huán)境中地下煤火的蔓延通常是在自然對(duì)流的情況下進(jìn)行的，氧氣主要通過(guò)斷層、裂隙等進(jìn)入煤層的深處，其含量相對(duì)貧乏.因而，在自然通風(fēng)下煤火的陰燃蔓延規(guī)律的研究十分有必要.

1 實(shí) 驗(yàn)

1.1 實(shí)驗(yàn)裝置

本研究根據(jù)真實(shí)煤火背景，建立了一個(gè)實(shí)驗(yàn)尺度下，可以觀察和測(cè)量的系統(tǒng)模型，揭示在陰燃狀態(tài)下煤火發(fā)展的溫度分布和煤火蔓延過(guò)程中的傳播特性.本研究的實(shí)驗(yàn)在通風(fēng)良好的實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行，室內(nèi)溫度在18～21 ℃之間.

如圖1 所示，本實(shí)驗(yàn)所使用的反應(yīng)槽為不銹鋼材質(zhì)，長(zhǎng)24 cm，寬10 cm，高10 cm.在距離側(cè)壁2 cm、底部4 cm 的位置打一個(gè)直徑為12.5 cm 的通孔用以固定加熱棒.在反應(yīng)槽前端面距底部分別為2 cm、4 cm 和6 cm 的3 層均勻布置孔徑為0.2 cm、孔距為2 cm 的通孔用以插入K 型鎧裝熱電偶來(lái)監(jiān)測(cè)煤火發(fā)展過(guò)程中的溫度變化情況，從上至下分別標(biāo)為A、B和C 共3 層來(lái)研究煤陰燃過(guò)程中由煤層深度位置不同引起的分層現(xiàn)象，相鄰兩層的間距為2 cm.另外，反應(yīng)槽兩側(cè)為可拆卸的側(cè)板，有實(shí)心板和開(kāi)孔板兩種，可以根據(jù)工況的需要進(jìn)行拆卸和更換.此外，反應(yīng)槽的側(cè)壁和底部均包裹有保溫棉來(lái)減少對(duì)環(huán)境的散熱損失.

圖1 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)及熱電偶布置示意Fig.1 Diagram of experimental system and the arrangement of thermocouples

煤堆的溫度變化通過(guò)熱電偶測(cè)量并由數(shù)據(jù)采集器采集和顯示，攝像機(jī)固定于反應(yīng)槽上方來(lái)觀察實(shí)驗(yàn)過(guò)程中煤堆表面的變化，同時(shí)，置于反應(yīng)槽下的電子秤實(shí)時(shí)記錄煤堆陰燃過(guò)程中的質(zhì)量變化情況.

1.2 實(shí)驗(yàn)方法

根據(jù)工況的需要更換左側(cè)插板為實(shí)心板或開(kāi)孔板，實(shí)驗(yàn)方案如表1 所示.具體實(shí)驗(yàn)步驟如下：

表1 實(shí)驗(yàn)方案設(shè)計(jì)Tab.1 Experiment scheme and design

(1) 往反應(yīng)槽中裝入預(yù)先破碎并篩好的煤樣，煤樣粒徑小于1 mm，裝煤高度為7.5 cm.本實(shí)驗(yàn)使用的煤樣取自中國(guó)內(nèi)蒙古張美厚煤礦，對(duì)其進(jìn)行工業(yè)分析和元素分析，結(jié)果如表2 和表3 所示.

表2 煤樣的工業(yè)分析Tab.2 Proximate analysis of coal sample

表3 煤樣的元素分析Tab.3 Elemental analysis of coal sample

(2) 將數(shù)據(jù)采集器的溫度數(shù)據(jù)采樣頻率設(shè)置為1 min，電子秤的質(zhì)量數(shù)據(jù)采樣頻率設(shè)置為1 min.

(3) 打開(kāi)直流電源，設(shè)定輸出電壓為35 V，輸出功率為75 W，當(dāng)加熱棒加熱3 h 后關(guān)閉電源.

(4) 使用攝像機(jī)對(duì)煤堆表面進(jìn)行拍攝，拍攝時(shí)間間隔為1 h.

(5) 當(dāng)熱電偶各測(cè)點(diǎn)的溫度降至室溫后，停止各數(shù)據(jù)的采集并關(guān)閉實(shí)驗(yàn)裝置，取出使用過(guò)的煤樣并清理實(shí)驗(yàn)臺(tái)，每個(gè)工況實(shí)驗(yàn)的持續(xù)時(shí)間約50 h.

圖2 為兩種工況的煤火示意，以真實(shí)工況兩側(cè)邊界是否通風(fēng)為根據(jù)，實(shí)驗(yàn)中設(shè)置實(shí)心板和多孔板來(lái)模擬其邊界條件.且兩種工況下煤層通常在一側(cè)發(fā)生著火，固將點(diǎn)火源即加熱棒固定在反應(yīng)槽的右側(cè).與實(shí)際不同的是，本研究煤體上方為開(kāi)放環(huán)境，這是為了能實(shí)時(shí)觀察表面的燃燒現(xiàn)象.此外，也避免實(shí)驗(yàn)過(guò)程中排出的氣體在煤層上方聚集從而可能發(fā)生爆炸等事故.本文旨在探究自然通風(fēng)情況下煤堆積床陰燃過(guò)程中溫度分布和質(zhì)量損失的基本特性，其特性如峰值溫度、質(zhì)量損失速率和陰燃時(shí)間等隨煤層深度位置和通風(fēng)條件變化.本研究對(duì)于實(shí)際地下煤層自燃防治工作有一定指導(dǎo)意義.

圖2 兩種工況的煤火示意Fig.2 Schematic diagram of coal fire under two working conditions

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的重復(fù)性驗(yàn)證

為驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的重復(fù)性，對(duì)工況1 額外進(jìn)行兩次重復(fù)實(shí)驗(yàn).圖3 為3 次實(shí)驗(yàn)下工況1 質(zhì)量損失的重復(fù)性結(jié)果.從圖中可以看出，第2 次和第3 次實(shí)驗(yàn)曲線(xiàn)吻合度較高，而與第1 次實(shí)驗(yàn)有一定差距.當(dāng)實(shí)驗(yàn)進(jìn)行到3 h 后加熱棒停止工作，煤堆開(kāi)始陰燃的自維持傳播.此時(shí)3 次實(shí)驗(yàn)的瞬時(shí)質(zhì)量與初始值之比(簡(jiǎn)稱(chēng)質(zhì)量比)分別為90.4%、86.6%和87.6%，點(diǎn)火階段3 次實(shí)驗(yàn)的最大差距可達(dá)3.8%.在50 h 前，陰燃反應(yīng)結(jié)束，質(zhì)量比不再發(fā)生變化，此時(shí)3 次實(shí)驗(yàn)的終了質(zhì)量比分別為55.6%、52.9%和52.7%.經(jīng)過(guò)計(jì)算可知，3 次實(shí)驗(yàn)在陰燃過(guò)程中反應(yīng)掉的質(zhì)量比分別為34.8%、33.7%和34.9%，因此，陰燃階段3 次實(shí)驗(yàn)的最大差距只有1.2%.可以看出，點(diǎn)火階段質(zhì)量損失的重復(fù)性較差，而陰燃階段質(zhì)量損失的重復(fù)性較好.

圖3 工況1質(zhì)量損失的重復(fù)性結(jié)果Fig.3 Repeatability results of mass loss under condition 1

圖4 為3 h 停火結(jié)束時(shí)3 次實(shí)驗(yàn)的表面圖像.可以看出，當(dāng)3 h 點(diǎn)火階段結(jié)束時(shí)，加熱棒正上方的煤層表面裂隙發(fā)育情況各不相同，第2 和第3 次實(shí)驗(yàn)的裂隙明顯大于第1 次實(shí)驗(yàn)，因此，更多的氧氣能通過(guò)裂隙進(jìn)入煤堆內(nèi)部，使煤氧反應(yīng)加劇，使得加熱階段第2 和第3 次實(shí)驗(yàn)的質(zhì)量損失要大于第1 次實(shí)驗(yàn).這是因?yàn)辄c(diǎn)火階段加熱棒的溫度在800 ℃以上持續(xù)了約1.5 h，反應(yīng)比較劇烈，受煤堆密度等因素影響巨大，加熱棒上方表面裂隙的發(fā)育情況具有隨機(jī)性，導(dǎo)致了點(diǎn)火階段的不可重復(fù).

圖4 3 h時(shí)刻表面圖像Fig.4 Surface image at 3 hours

繪制工況1 第1 次實(shí)驗(yàn)溫度隨時(shí)間的變化曲線(xiàn)如圖5 所示.可以看到在3 h 加熱棒停火后，9～11列各測(cè)點(diǎn)溫度都發(fā)生突降，可見(jiàn)其受加熱棒影響較大，而1～8 列各層測(cè)點(diǎn)的溫度曲線(xiàn)都十分光滑，受加熱棒影響較小.故選取第1～8 列測(cè)點(diǎn)繪制第1 次實(shí)驗(yàn)與第2 和第3 次實(shí)驗(yàn)的重復(fù)性結(jié)果，結(jié)果也在圖5 中顯示，可以看出，3 次實(shí)驗(yàn)的總體溫度變化結(jié)果較為一致，而其中個(gè)別地方存在差異的原因可能是煤粒度分布不均勻和煤堆密度的不同.接下來(lái)選取工況1 第1 次實(shí)驗(yàn)的結(jié)果進(jìn)行討論.

圖5 工況1溫度隨時(shí)間變化曲線(xiàn)及重復(fù)性結(jié)果Fig.5 Variation curve of temperature with time and repeatability results under condition 1

2.2 陰燃過(guò)程的鋒面?zhèn)鞑ヌ匦?/h3>

2.2.1 峰值溫度的傳播特性

如圖6 所示，在從右至左陰燃的水平傳播過(guò)程中，除第1、2 列受左側(cè)實(shí)心板邊界條件的影響，氧氣濃度減小，使得各層的峰值溫度明顯下降外，同層各列峰值溫度的大小近似相等.A 層峰值溫度穩(wěn)定在590 ℃左右，B 層溫度穩(wěn)定在540 ℃左右.而C 層受限于氧氣濃度，陰燃反應(yīng)速度非常緩慢，反應(yīng)十分不完全，其溫度的升高與測(cè)點(diǎn)附近的煤堆密度和上層裂隙的發(fā)育情況等因素息息相關(guān)，因此其峰值溫度突出不明顯，在320～360 ℃范圍波動(dòng).可以知道，存在明顯峰值溫度的A、B 兩層在遠(yuǎn)離邊界和加熱棒控制的第8 至3 列的傳播過(guò)程中，維持了峰值溫度的水平，體現(xiàn)了峰值溫度穩(wěn)定蔓延的特性.

圖6 峰值溫度的變化Fig.6 Variation of peak temperature

在從右至左陰燃的水平傳播過(guò)程中，峰值溫度以一定蔓延速率傳播.如圖7 所示，A 層陰燃在水平方向上的傳播近似線(xiàn)性，而B(niǎo) 層除受邊界條件影響較大的第1、2 列外，也以近似線(xiàn)性的方式傳播.同理，C 層受限于氧氣濃度，反應(yīng)非常緩慢，其主要熱量來(lái)源為上方A、B 層的導(dǎo)熱，升溫過(guò)程受諸多因素影響較大，導(dǎo)致個(gè)別點(diǎn)提前進(jìn)入熄滅狀態(tài)而個(gè)別點(diǎn)卻能維持極其緩慢的氧化過(guò)程，造成C 層各點(diǎn)到達(dá)峰值溫度的時(shí)間無(wú)法體現(xiàn)線(xiàn)性關(guān)系.

圖7 達(dá)到峰值溫度的時(shí)間Fig.7 Time to peak temperature

根據(jù)峰值溫度到達(dá)第8 列和第3 列的時(shí)間差和這兩點(diǎn)之間的距離，可以計(jì)算出A、B 兩層的峰值溫度的傳播速率，分別為 0.274 mm/min 和0.261 mm/min.可以看到B 層峰值溫度的傳播速率略小于A 層.

2.2.2 干燥鋒的傳播特性

由圖5 可知，測(cè)點(diǎn)溫度在80 ℃前維持了一段時(shí)間，出現(xiàn)了溫度平臺(tái)期，這是因?yàn)樵?0 ℃之前大量水分蒸發(fā)吸熱使得溫升速率趨近于0，而后進(jìn)入快速氧化階段.因此，可以認(rèn)為在80 ℃后，水分蒸發(fā)過(guò)程基本結(jié)束.取80 ℃溫度點(diǎn)作為干燥鋒到達(dá)的標(biāo)志[13]，繪制陰燃水平傳播過(guò)程中干燥鋒到達(dá)時(shí)間隨測(cè)點(diǎn)水平位置變化的曲線(xiàn)，如圖8 所示.可以看到，各層干燥鋒的傳播也近似線(xiàn)性.根據(jù)干燥鋒到達(dá)兩點(diǎn)的時(shí)間差和兩點(diǎn)之間的距離，可以計(jì)算A、B、C 3 層停火前干燥鋒的傳播速率，分別為：0.325 mm/min、0.460 mm/min 和0.664 mm/min，以及?；鸷蟾稍镤h的傳播速率，分別為：0.259 mm/min、0.247 mm/min和0.223 mm/min.

圖8 干燥鋒的傳播Fig.8 Propagation of dry front

在?；鹎?，由于加熱棒為主要熱源，因此保溫效果最好的C 層干燥鋒的傳播速度最快，在?；鹎捌涓稍镤h就已經(jīng)傳至第6 列，而B(niǎo) 層和A 層僅傳至第5 列和第4 列.?；鸷螅趸磻?yīng)放熱為主要的熱量來(lái)源，因此氧化反應(yīng)最劇烈的A 層熱量最充足，其干燥鋒的傳播速度最快.

2.3 陰燃過(guò)程的升溫速率特性

作出各測(cè)點(diǎn)的升溫速率曲線(xiàn)，經(jīng)分析發(fā)現(xiàn)在遠(yuǎn)離加熱棒和邊界的第8 至3 列，同一層各測(cè)點(diǎn)的升溫速率曲線(xiàn)的數(shù)值和趨勢(shì)都具有較高的一致性.正如物體的運(yùn)動(dòng)可以用速度與加速度兩個(gè)物理量進(jìn)行描述，這里采用升溫速度與升溫加速度來(lái)分析煤氧反應(yīng)過(guò)程中的產(chǎn)熱和吸熱行為[14].現(xiàn)以第6 列為例進(jìn)行分析，如圖9 所示，可以將A6 處的升溫速率曲線(xiàn)劃分為5 個(gè)階段：

圖9 第6列測(cè)點(diǎn)升溫速率與升溫加速度隨溫度變化曲線(xiàn)Fig.9 Curve of heating rate of and acceleration with temperature in column 6

(1) 在室溫至T1(約43 ℃)的階段，為吸附熱控制區(qū)間.此階段的產(chǎn)熱力來(lái)自物理吸附放熱、化學(xué)吸附放熱和化學(xué)反應(yīng)放熱，吸熱力來(lái)自水分蒸發(fā)吸熱，由于產(chǎn)熱作用力大于吸熱作用力，升溫加速度為正，升溫速率一直增大.

(2) 在T1(約43 ℃)至T2(約65 ℃)的階段，為水分蒸發(fā)控制區(qū)間.此階段大量水分蒸發(fā)吸熱，產(chǎn)熱作用力小于吸熱作用力，升溫加速度為負(fù)，升溫速率一直減小甚至出現(xiàn)負(fù)值.

(3) 在T2(約66 ℃)至T3(約223 ℃)的階段，為氧化控制區(qū)間.產(chǎn)熱作用力來(lái)自低溫煤氧化反應(yīng)的放熱，吸熱作用力來(lái)自熱解過(guò)程的吸熱(放出吸附在

毛細(xì)孔中的氣體，如CH4、CO2、N2等)，此階段內(nèi)，產(chǎn)熱作用力大于吸熱作用力，升溫加速度為正，升溫速率一直增大至峰值(約5.5 ℃/min).定義T2為從緩慢氧化到快速氧化轉(zhuǎn)變的臨界溫度[15].

(4) 在T3(約210 ℃)至T4(約430 ℃)的階段，為熱解控制區(qū)間.此階段煤氧化反應(yīng)的產(chǎn)熱作用力小于熱解反應(yīng)的吸熱作用力，升溫加速度為負(fù)，但宏觀上依然表現(xiàn)為溫度的升高而不是降低，只是升溫速率逐漸減小.定義T3為氧化控制區(qū)與熱解控制區(qū)的轉(zhuǎn)折點(diǎn).

(5) 在T4(約430 ℃)后的階段，為氧化-熱解反應(yīng)競(jìng)爭(zhēng)區(qū).此階段焦炭的氧化反應(yīng)強(qiáng)度開(kāi)始增大，因此在T4之后的一小段區(qū)間內(nèi)，產(chǎn)熱作用力大于吸熱作用力，升溫加速度為正，升溫速率有一小段的升高區(qū)間.而后的升溫速率則時(shí)而升高時(shí)而降低，不斷震蕩，說(shuō)明氧化反應(yīng)放熱和熱解反應(yīng)吸熱處于不斷競(jìng)爭(zhēng)的狀態(tài).

在豎直方向從下至上，由于底層水分蒸發(fā)形成的水蒸氣不斷向上冷凝，導(dǎo)致上方的水分含量增大，因此水分蒸發(fā)結(jié)束階段的溫度降低，T2逐漸減小.同時(shí)，T3逐漸增大，原因是隨著氧氣濃度的逐漸增大，低溫階段的氧化反應(yīng)速率不斷增大，而氧氣濃度對(duì)于低溫階段的熱解脫氣過(guò)程影響不大，因此，T3點(diǎn)朝更高的溫度水平移動(dòng).

此外，可以注意到B、C 層沒(méi)有明顯的T4標(biāo)志點(diǎn)，這是因?yàn)锽、C 層的氧氣濃度較低，焦炭氧化反應(yīng)強(qiáng)度小，放熱量不及A 層多，因此其升溫速率變化不明顯.

2.4 陰燃過(guò)程的質(zhì)量損失特性

陰燃過(guò)程的質(zhì)量損失情況如圖10 所示，圖中τ1為3 h 停止加熱的時(shí)刻，τ2為A 層的所有測(cè)點(diǎn)都進(jìn)入降溫階段的時(shí)刻，同理，τ3、τ4分別為B、C 層的所有測(cè)點(diǎn)都進(jìn)入降溫階段的時(shí)刻.根據(jù)這些時(shí)刻點(diǎn)可以將陰燃反應(yīng)的質(zhì)量損失過(guò)程分為4 個(gè)階段，分別計(jì)算這4 個(gè)階段內(nèi)的質(zhì)量損失速率，結(jié)果如表4 所示.

表4 工況1不同反應(yīng)階段的質(zhì)量損失速率Tab.4 Mass loss rate at different reaction stages of condtion 1

圖10 質(zhì)量損失曲線(xiàn)Fig.10 Mass loss curve

可以看到，在加熱棒持續(xù)加熱的0～τ1階段，反應(yīng)最為劇烈，煤樣的質(zhì)量損失速率最大；在A 層陰燃傳播的τ1～τ2階段，處于自維持狀態(tài)的陰燃質(zhì)量損失速率低于具有恒定熱源釋放大量熱的0～τ1階段；當(dāng)A 層的煤樣反應(yīng)完全后，τ2～τ3階段B 層陰燃傳播開(kāi)始，受限于氧氣濃度，此階段的煤氧反應(yīng)強(qiáng)度下降，質(zhì)量損失速率明顯降低；τ3～τ4階段主要為C 層陰燃的傳播，由于C 層處于極度貧氧的條件，其維持溫度升高的熱量來(lái)源主要是上層A、B 已燃區(qū)的導(dǎo)熱作用，因此質(zhì)量損失速率進(jìn)一步降低.由上述分析可知，陰燃過(guò)程質(zhì)量變化的趨勢(shì)與溫度變化情形有著高度的一致性.

2.5 改變側(cè)邊通風(fēng)情況后陰燃過(guò)程的傳播特性

2.5.1 峰值溫度的變化

如圖11 所示，左側(cè)通風(fēng)后，靠近左側(cè)邊界處測(cè)點(diǎn)的峰值溫度發(fā)生了明顯變化.在B3 至B1 的傳播過(guò)程中，受側(cè)面氧氣濃度的影響，工況2 的峰值溫度越來(lái)越高，而工況1 的峰值溫度則越來(lái)越低.同時(shí)，兩個(gè)工況下對(duì)應(yīng)各點(diǎn)的峰值溫度差也越來(lái)越大，從ΔTB3=51 ℃升高到ΔTB1=320 ℃.同理，在C3 至C1的傳播過(guò)程中，兩個(gè)工況下對(duì)應(yīng)各點(diǎn)的峰值溫度差也越來(lái)越大，從ΔTC3=44 ℃升高到ΔTC1=344 ℃.而A層由于離煤層表面最近，氧氣充足，受側(cè)面氧氣濃度影響較小，左側(cè)通風(fēng)后僅有A1 處峰值溫度出現(xiàn)明顯上升.

圖11 兩種工況的峰值溫度對(duì)比Fig.11 Comparison diagram of peak temperature under two working conditions

此外，可以看到在工況2 條件下，第1、2 列處的峰值溫度大小始終有TB＞TA＞TC，這是因?yàn)樽髠?cè)通風(fēng)改善了邊界處B 層的氧氣供應(yīng)條件，且B 層的保溫效果較A 層更好，而C 層邊界處的氧氣供應(yīng)條件雖然得到改善，但豎直方向上從表面進(jìn)入煤層深處的氧氣仍非常有限.

當(dāng)左側(cè)通風(fēng)后，靠近左側(cè)邊界處各測(cè)點(diǎn)的氧氣濃度增大，使得各點(diǎn)的升溫速率提高，有效縮短了各點(diǎn)到達(dá)峰值溫度的時(shí)間.如圖12 所示，對(duì)于A 層而言，由于豎直方向上離表面最近，氧氣濃度充足，因此對(duì)其變化趨勢(shì)影響不大.而B(niǎo)、C 層均在陰燃傳至第3 列時(shí)，工況2 達(dá)到峰值溫度的時(shí)間明顯小于工況1，且在后續(xù)向第1 列傳播的過(guò)程中，始終保持這個(gè)不等式關(guān)系.

圖12 兩種工況達(dá)到峰值溫度時(shí)間的對(duì)比Fig.12 Comparison chart of peak temperature time under two working conditions

經(jīng)上述分析可知，氧氣從側(cè)面沿水平方向進(jìn)入煤層有一個(gè)滲透距離，大約為6 cm(左側(cè)邊界距第1 列2 cm).

2.5.2 質(zhì)量損失的變化

兩種工況的質(zhì)量損失曲線(xiàn)的對(duì)比如圖13 所示，可以看到，質(zhì)量損失的過(guò)程都是類(lèi)似的，都經(jīng)歷了一個(gè)前期加熱階段熱量積聚，中期快速反應(yīng)和末期失重緩慢的過(guò)程[16].在13 h 時(shí)，兩個(gè)工況的質(zhì)量損失值達(dá)到相等，而此時(shí)工況2 的質(zhì)量損失速率明顯大于工況1.類(lèi)似地，對(duì)于工況2，圖中τ1為3 h 停止加熱的時(shí)刻，為A 層的所有測(cè)點(diǎn)都進(jìn)入降溫階段的時(shí)刻，同理，、分別為B、C 層的所有測(cè)點(diǎn)都進(jìn)入降溫階段的時(shí)刻.分別計(jì)算工況2 的4 個(gè)階段內(nèi)的質(zhì)量損失速率，得到結(jié)果如表5 所示.

表5 工況2 不同反應(yīng)階段的質(zhì)量損失速率Tab.5 Mass loss rate at different reaction stages of condtion 2

圖13 兩種工況的質(zhì)量損失曲線(xiàn)對(duì)比Fig.13 Comparison of mass loss curves under two working conditions

3 結(jié)論

(1) 點(diǎn)火階段，加熱棒在 800 ℃以上持續(xù)約1.5 h，受煤堆密度等因素影響巨大，表面裂隙的發(fā)育情況具有隨機(jī)性，導(dǎo)致了點(diǎn)火階段的不可重復(fù).而?；鸷竺憾殃幦茧A段的發(fā)展過(guò)程重復(fù)性較好.

(2) 陰燃反應(yīng)的峰值溫度和干燥鋒均為勻速穩(wěn)定傳播.上、中層峰值溫度穩(wěn)定在590 ℃和540 ℃，其傳播速度為0.274 mm/min 和0.261 mm/min.上、中和下層干燥鋒傳播速度分別為 0.259 mm/min、0.247 mm/min 和0.223 mm/min.

(3) 根據(jù)升溫速率和加速度曲線(xiàn)可將煤氧反應(yīng)過(guò)程分為吸附熱控制區(qū)、水分蒸發(fā)控制區(qū)、氧化控制區(qū)、熱解控制區(qū)和氧化-熱解反應(yīng)競(jìng)爭(zhēng)區(qū)5 個(gè)區(qū)間.

(4) 將質(zhì)量損失過(guò)程分為點(diǎn)火階段、A 層陰燃傳播階段、B 層陰燃傳播階段和C 層陰燃傳播階段，分別計(jì)算質(zhì)量損失速率為 0.683 g/min、0.422 g/min、0.246 g/min 和0.061 g/min，隨著反應(yīng)的進(jìn)行，質(zhì)量損失速率不斷減小.

(5) 側(cè)邊通風(fēng)增大了邊界處各層的氧氣濃度，氧氣從側(cè)面沿水平方向進(jìn)入煤層有一個(gè)滲透距離，大約為6 cm，在這段范圍內(nèi)的峰值溫度和升溫速率都得到提高.