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第 51 卷第 7 期 2020 年 7 月 Safety in Coal Mines Vol.51No.7 Jul. 2020 预氧化对煤复燃极限参数影响的实验研究 王凯 1,2， 和运中1,2， 尚 博 1,2 （1.西安科技大学 安全科学与工程学院， 陕西 西安 710054； 2.陕西省煤火灾害防治重点实验室， 陕西 西安 710054） 摘要 为研究预氧化对煤复燃过程极限参数的影响， 采用程序升温装置模拟了煤初次氧化与 二次氧化过程， 对比分析 2 次氧化过程中煤自燃耗氧速率、 气体生产率、 放热强度及极限参数。 结果表明 氧化煤和原煤的耗氧速率、 气体产生率和放热强度均随煤温的升高呈近指数规律增 长， 但氧化煤在 70 ℃前稍高于原煤， 70 ℃之后低于原煤； 氧化煤与原煤发生自燃的上限漏风强 度先降低后升高， 下限氧浓度与最小浮煤厚度先升高后降低； 从升温过程中煤体自燃的极限参 数极值角度， 氧化煤发生自燃的 “门槛” 降低， 更易自燃。 关键词 预氧化； 煤自燃； 极限参数； 二次氧化； 特性参数 中图分类号 TD752.2文献标志码 A文章编号 1003-496X （2020 ） 07-0031-05 Experimental Study of Pre-oxidation Effect on Limit Parameters of Coal Secondary Spontaneous Combustion WANG Kai1， 2，HE Yunzhong1， 2，SHANG Bo1， 2 （1.College of Safety Science and Engineering, Xi’ an University of Science and Technology, Xi’ an 710054, China; 2.Shaanxi Key Laboratory of Prevention and Control of Coal Fire, Xi’ an 710054, China） Abstract To study the effect of pre-oxidation on the limit parameters of coal spontaneous combustion, the primary oxidation and secondary oxidation processes of coal are simulated by the program heating device, the oxygen consumption rate, gas productivity, exothermic intensity and the limit parameters of coal spontaneous combustion are compared and analyzed in two oxidation processes. The results show that the oxygen consumption rate, gas production rate and exothermic intensity of oxidized coal and raw coal increase exponentially with the increase of coal temperature, but the inds of oxidized coal are slightly higher than raw coal before 70 ℃ and lower than raw coal after 70 ℃. The upper limit of air leakage intensity for spontaneous combustion of oxidized coal and raw coal decreases first and then increases, while the lower limit of oxygen concentration and the minimum coal thickness increases first and then decreases. From the extreme value of the limit parameters of coal spontaneous combustion in the heating process, the threshold of spontaneous combustion of oxidized coal is lowered and easier to self-ignite. Key words pre-oxidation; coal spontaneous combustion; limit parameters; secondary oxidation; characteristic parameter 我国煤炭资源丰富，在煤矿开采过程中由于工 艺、技术及自然条件限制，不可避免地出现采空区 遗煤现象。部分遗煤在初次开采时氧化升温超过其 自燃临界温度，受外界环境影响降温成为“氧化 煤” ，氧化煤再次供风发生二次氧化升温或复燃[1]。 煤经历初次氧化后自燃性发生改变，受初次氧化条 件影响较大， 如初次氧化温度、 氧浓度等， 王凯等研 究发现预氧化温度对煤二次氧化的影响呈先抑制后 促进的综合效应[2-3]。 煤氧化蓄热自燃需要一定的外界条件，通常把 引起煤自燃的极限外界条件称作煤自燃极限参数， 主 要用上限漏风强度、下限氧浓度、最小浮煤厚度来 表征[4]。国内外学者就煤自燃极限参数的影响因素 做了大量的研究。郭亚军、 周西华[5-6]等选取不同变 DOI10.13347/ki.mkaq.2020.07.007 王凯， 和运中， 尚博.预氧化对煤复燃极限参数影响的实验研究 ［J］ .煤矿安全， 2020， 51 （7） 31-35. WANG Kai, HE Yunzhong, SHANG Bo. Effect of Pre-oxidation on Limit Parameters of Coal Secondary Spontaneous Combustion ［J］ . Safety in Coal Mines, 2020, 51 （7） 31-35.移动扫码阅读 基金项目 国家自然科学基金资助项目 （51704226） ； 陕西省自然科 学基础研究计划资助项目 （2017JQ5047） 31 ChaoXing 第 51 卷第 7 期 2020 年 7 月 Safety in Coal Mines Vol.51No.7 Jul. 2020 质程度煤种为研究对象，研究了风量对其自燃极限 参数的影响，为指导现场安全生产提供了一定参 考。马砺、 李国芳[7-8]等研究了高地温环境对煤极限 参数的影响，发现高地温环境可显著缩短煤的自然 发火期。文虎等[9]研究了煤二次氧化过程中的气体 产生规律及自燃特性参数变化规律。肖旸等[10]研究 了空气相对湿度对煤自燃极限参数的影响，发现增 大空气相对湿度使煤低温氧化前期自燃极限参数更 容易满足。此外，部分学者开展了煤二次氧化自燃 特性参数研究。邓军等[11-12]采用恒温氧化与程序升 温方式制备氧化煤，对比分析原煤与氧化煤低温氧 化阶段的 CO 产生规律，发现氧化煤在 50 ℃以下 CO 浓度高于原煤，同时氧化煤分子中含氧官能团 显著增多。王君宇等[13]采用 H2O2氧化升温方式研究 褐煤二次氧化特性，发现二次氧化自燃特性受预氧 化温度与时间共同影响。陈晓坤等[14]对王洼二矿上 分层遗煤二次氧化自燃特性研究，发现上分层遗煤 经过初次氧化后自燃性增强，烷烯烃类气体出现温 度降低。秦跃平等[15]通过油浴升温氧化装置对煤样 重复升温至 190 ℃，发现重复氧化降低了煤的氧化 能力。 刘文永等[16]研究了长焰煤二次氧化特性参数， 从微观、宏观角度阐述了二次氧化造成指标变化的 本质原因， 为实际生产提供了有力的理论支持。 目前针对经历过程序升温预氧化过程后煤复燃 极限参数方面研究较少。因此，通过程序升温实验 装置，测试了煤预氧化至临界温度后，二次氧化过 程极限参数的变化规律，为现场实际指导防灭火提 供一定的参考依据。 1实验条件及装置 1） 实验煤样制备。选取陕北侏罗纪煤田易自燃 煤样， 并将其破碎筛分成 0～＜0.9、 0.9～＜3、 3～＜5、 5～＜ 7、 7～10 mm 5 种粒径。取上述 5 种粒径的煤样各 0.2 kg 混合成 1 kg 用于制备氧化煤。氧化煤制备方 法为 将 1 kg 煤样在空气流量为 120 mL/min、 升温 速率为 0.3 ℃/min 的实验条件下升温至 80 ℃， 然后 绝氧降温至室温。 2） 实验装置和实验过程。程序升温实验装置示 意图如图 1。 将原煤与氧化煤样分别装入煤样罐中， 放至升温箱中在 30 ℃进行恒温氧化， 直到测得其温 度及放出气体成分基本保持不变后，在空气流量为 120 mL/min、升温速率为 0.3 ℃/min 的条件下进行 程序升温； 升温过程中煤样每升高 10 ℃取 1 次气体 进行色谱分析。 2煤自燃特性参数 2.1耗氧速率 耗氧速率的计算公式如下 VO 2（T） ln 20.9 CO 2 20.9 Q S L （1 ） 式中 VO 2 （T） 为温度为 T 时的实际耗氧速率， mol/ （cm3 s） ； CO 2为实验中煤样罐出口处气体中氧气 体积分数， ； S 为煤样罐的横截面积， cm2； L 为煤样 罐高度， cm； Q 为空气流量， mL/min； 20.9为实验中 煤样罐入口处气体中氧气体积分数，即为空气中氧 气体积分数， 取 20.9。 将实验过程中测试值代入式 （1） 中， 得出的原煤 与氧化煤样的耗氧速率随煤温变化关系如图 2。 2.2CO 和 CO2产生率 CO、 CO2产生率计算公式如下 VCO（T） VO2（T） （C out CO-C in CO） 20.9 ［1-e - VO2（T） SL Q 20.9 ］ （2） 图 1程序升温实验装置示意图 Fig.1Schematic diagram of temperature-programmed heating experimental system 图 2耗氧速率随煤温变化关系 Fig.2Oxygen consumption rate at different coal temperatures 32 ChaoXing 第 51 卷第 7 期 2020 年 7 月 Safety in Coal Mines Vol.51No.7 Jul. 2020 VCO2（T） ＝ VO2（T） （C out CO2-C in CO2） 20.9 ［1－e - VO2（T） S L Q 20.9 ］ （3） 式中 VCO（T） 、 VCO2（T）分别为温度为 T 时 CO、 CO2产生率， mol/ （cm3 s） ； C out CO、 C out CO2分别为实验中煤 样罐出口处气体中 CO、 CO2浓度， ； C in CO、 C in CO2分别 为实验中煤样罐入口处气体中 CO、 CO2浓度， 。 将实验中测试的参数代入式 （2 ） 、 式 （3 ）中， 得 到的 CO、 CO2产生率随煤温变化图如图 3 和图 4。 2.3放热强度 假设煤样氧化升温过程中全部产生 CO 和 CO2 气体， 最大放热强度估算公式如下 qmax（t） ＝ v 0 CO（t） v 0 CO（t） v 0 CO2（t） v 0 O2（t） △HCO v 0 CO2（t） v 0 CO（t） v 0 CO2（t） v 0 O2（t） △HCO2 （4） 式中 qmax（t） 为实验过程煤氧化放热强度估算 最大值， J/ （cm3 s） ； v 0 O2（t） 为给定条件下的消耗氧气 的速率， mol/ （cm3 s） ； v 0 CO（t） 、 v 0 CO2（t） 分别为给定条 件下的 CO 与 CO2的产生率， mol/ （cm3 s） ； △HCO、 △HCO 2分别为煤氧化生成 1 mol CO、 CO2 的反应热， 即 311.9 kJ/mol 与 446.7 kJ/mol。 将实验测得的参数代入式 （4） ， 得出的煤样放热 强度随温度的变化曲线如图 5。 2.4实验结果 从图 2～图 5 可看出，原煤与氧化煤的耗氧速 率、 CO 和 CO2产生率、放热强度均随着煤温的升高 而增加， 但 70 ℃之前增速较慢， 且氧化煤稍高于原 煤， 70 ℃之后氧化煤开始显著低于原煤。这主要是 由于氧化煤经过初次氧化处理后，煤中水分含量有 所降低， 蒸发过程吸热量减少， 煤中原生活性结构在 初次氧化过程有所消耗，综合表现为低温阶段容易 氧化， 而高温阶段氧化放热能力减弱。 3煤自燃极限参数 假设煤岩温度 Ty25 ℃， 浮煤厚度 h1 m， 空气 密度 ρg1.29310-3g/cm3， 比热容 cg1.003 J/ （g ℃） ， 为定量表征二次氧化后煤自燃极限参数的变化， 松 散煤体导热系数 λe0.7510-3J/cm s ℃，测算实 验条件下漏风强度 Q0.057 cm3/ （cm2 s） 。 3.1上限漏风强度 自然状态下， 煤与氧发生复合作用放热， 蓄热条 件合适时发生自燃。漏风强度越大，氧气供应越充 足， 一定程度上能加快煤氧复合作用速率， 同时会带 走更多热量， 当漏风强度大到一定值时， 其所带走的 热量等于煤氧复合作用所产生的热量，导致煤无法 蓄热自燃。这个数值定义为上限漏风强度 Qmax 图 3CO 产生率随煤温变化关系 Fig.3CO production rate at different coal temperatures 图 4CO2产生率随煤温变化关系 Fig.4CO2production rate at different coal temperatures 图 5放热强度随煤温变化关系 Fig.5Exothermic intensity at different coal temperatures 33 ChaoXing 第 51 卷第 7 期 2020 年 7 月 Safety in Coal Mines Vol.51No.7 Jul. 2020 Qmax＝ hq （T） 2ρgcg（T-Ty）- 4λe hρgcg （5） 式中 Qmax为上限漏风强度， cm3/ （cm2s） ； T 为 煤体的温度， ℃； q （T）为温度 T 时煤的放热强度， J/ （cm3 s） 。 将实验数据代入式 （5 ） 中， 得到的上限漏风强度 随煤温变化图如图 6。 由图 6 可以看出， 随着煤温的升高， 氧化煤与原 煤的上限漏风强度均呈现先降低后升高的趋势。这 表明在低温氧化初始阶段煤氧复合速率较慢，放热 强度较弱，同时煤体与外界温差逐渐增加，散热能 力增强， 因此， 上限漏风强度出现降低的趋势； 随着 煤温升高， 煤氧复合速率加快， 放热强度升高， 放热 显著高于散热，上限漏风强度出现升高趋势。由于 70 ℃之前氧化煤放热强度高于原煤， 其上限漏风强 度高于原煤，后期原煤放热强度显著高于氧化煤， 原煤自燃的上限漏风强度也显著高于氧化煤。 3.2下限氧浓度 足够的氧浓度是煤持续氧化自燃和放热的必要 条件之一，煤持续自热所需要的最低氧浓度称为下 限氧浓度 Cmin， 计算公式如下 Cmin＝ 20．9％ q （T） ［8λe （T-Ty） h2 ＋ρgQcg 2 （T-Ty） h ］ （6） 式中 Cmin为下限氧浓度， 。 将各参数代入式 （6） 中， 得到的下限氧浓度随煤 温变化示意图如图 7。 由图 7 可以看出， 随着煤温的升高， 原煤与氧化 煤的下限氧浓度均呈现先升高后降低的趋势，且在 50～60 ℃时达到最大。这是由于在低温氧化阶段初 始， 煤体与外界温差较小， 散热较差， 维持煤体自热 的放热能力要求较低，需氧量较少，但随着温差增 加， 煤氧复合放热能力低于散热， 下限氧浓度出现升 高趋势； 超过 60 ℃后， 煤氧复合作用增强， 放热能力 显著提高，下限氧浓度开始降低。由于氧化煤在低 温阶段耗氧与放热能力稍高于原煤， 70 ℃之前氧化 煤自燃的下限氧浓度低于原煤， 在 70 ℃之后显著高 于原煤。从整个低温氧化过程看，氧化煤发生自燃 的最高下限氧浓度值低于原煤，降低了自燃发生的 氧浓度最低需求值，从这个角度上，氧化煤自燃危 险性有所增强。 3.3最小浮煤厚度 浮煤厚度是煤氧复合作用产生的热量蓄积的重 要前提。当浮煤厚度为一定值时，煤氧化放热量等 于其散失的热量， 此时就是最小浮煤厚度 hmin， 计算 公式如下。 hmin＝ ［ρgcgQ （T-Ty） ＋ （ρgcgQ） 2 （T-Ty） 2 ＋8λeq （T） （T-Ty） ） ■ ］ /q （T） （7 ） 式中 hmin为最小浮煤厚度， cm。 将各参数代入式 （7 ） 中， 得到的最小浮煤厚度随 煤温变化图如图 8。 由图 8 可以看出，原煤与氧化煤的最小浮煤厚 度均呈现先升高后降低的趋势，与下限氧浓度变化 趋势一致。这也是由于低温氧化阶段初始煤体与外 界环境温差较小， 散热较少， 随着温度升高， 散热增 加， 煤氧复合放热能力较弱， 最小浮煤厚度出现升高 趋势； 后期煤体氧化放热能力高于散热水平， 最小浮 煤厚度逐渐降低。由于氧化煤在低温阶段放热能力 稍高于原煤， 70 ℃之前氧化煤自燃的最小浮煤厚度 低于原煤， 在 70 ℃之后显著高于原煤。 图 6上限漏风强度随煤温变化关系 Fig.6Maximum air leakage intensity at different coal temperatures 图 7下限氧浓度随煤温变化关系 Fig.7Minimum oxygen limit concentration at different coal temperatures 34 ChaoXing 第 51 卷第 7 期 2020 年 7 月 Safety in Coal Mines Vol.51No.7 Jul. 2020 4结论 1） 氧化煤和原煤的耗氧速率、 CO 和 CO2气体生 成率、放热强度均随煤温的升高呈近指数规律增 长； 但氧化煤在 70 ℃前稍高于原煤， 70 ℃之后低于 原煤。 2 ） 随着煤温的升高， 氧化煤与原煤发生自燃的 上限漏风强度先降低后升高，下限氧浓度与最小浮 煤厚度先升高后降低，这与煤在不同温度下的散热 与放热强度大小有关。 3） 从升温过程中煤体自燃的极限参数极值角 度， 氧化煤发生自燃的 “门槛” 降低， 更易发生自燃。 参考文献 ［1］ 张辛亥， 李青蔚， 肖旸， 等.遗煤二次氧化过程中自燃 极限参数变化规律试验 ［J］ .安全与环境学报， 2016， 16 （4） 101-106. ［2］Wang Kai, Liu Xiangrong, Deng Jun, et al. 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