金属网篮交叉点法预测煤自燃临界堆积厚度.pdf

第3 5 卷第6 期中国矿业大学学报v o I ．3 5N o ．6 2 0 0 6 年1 1 月J o u r n a lo fC h i n aU n i v e r s i t yo fM i n i n g T e c h n o l o g yN o v ．2 0 0 6 文章编号1 0 0 0 1 9 6 4 2 0 0 6 0 6 0 7 1 8 0 4 金属网篮交叉点法预测煤自燃临界堆积厚度 仲晓星，王德明，周福宝，陆伟 中国矿业大学能源与安全工程学院，江苏徐州2 2 1 1 1 6 摘要介绍了一种研究煤炭自燃临界堆积厚度的新方法金属网篮交叉点法，此方法具有消耗 时间短、可重复性强、耦合度高的优点．利用自行研制的实验设备在国内首次运用此方法以小试 样对3 种煤样不同温度下的自燃临界堆积厚度进行了研究，并对3 起现场实例进行了分析，结果 表明对自燃临界堆积厚度的研究可以为现场确定煤炭自燃重点防治区域提供理论依据，达到更 为有效的防治效果，减少防治投入． 关键词煤炭自燃；临界厚度；交叉点温度；金属网篮 中图分类号T D7 5文献标识码A C r i t i c a lA c c u m u l a t i v eT h i c k n e s sP r e d i c t i o no fC o a l S p o n t a n e o u sC o m b u s t i o nw i t haW i r e M e s h B a s k e tC r o s s i n gP o i n tM e t h o d Z H O N GX i a o x i n g ，W A N GD e m i n g ，Z H O UF u b a o ，L UW e i S c h o o lo fM i n i n ga n dS a f e t yE n g i n e e r i n g ，C h i n aU n i v e r s i t yo fM i n i n g ＆T e c h n o l o g y ， X u z h o u ，J i a n g s u2 2 1 1 1 6 ，C h i n a A b s t r a c t Aw i r e m e s hb a s k e tc r o s s i n gp o i n tm e t h o dw a si n t r o d u c e dt os t u d yt h ec r i t i c a la c c u m u l a t i v et h i c k n e s so ft h ec o a ls p o n t a n e o u sc o m b u s t i o n ．T h i sm e t h o dh a st h ea d v a n t a g e o u so f t i m es a v i n g ，g o o dd u p l i c a t i o na n dh i g hc o u p l i n gd e g r e e ．T h ec r i t i c a la c c u m u l a t i v et h i c k n e s s e s o ft h ec o a ls p o n t a n e o u sc o m b u s t i o na td i f f e r e n tt e m p e r a t u r e sw e r es t u d i e db yt h i sm e t h o du s i n g t h r e ec o a ls a m p l e sw i t ht h ee x p e r i m e n t a le q u i p m e n td e v e l o p e db yo u rp r o je c tt e a m ．T h r e ef i e l d c a s e sw e r ea n a l y z e d ．T h er e s u l t ss h o wt h a tt h er e s e a r c hc a np r o v i d et h e o r e t i c a li n s t r u c t i o n sf o r a s c e r t a i n i n gt h ei m p o r t a n ta r e ao fc o a ls p o n t a n e o u sc o m b u s t i o n ，i m p r o v et h ef i r e - p r o t e c t i o n e f f e c ta n dr e d u c et h ec o s to fp r e v e n t i o n ． K e yw o r d s c o a ls p o n t a n e o u sc o m b u s t i o n ；c r i t i c a lt h i c k n e s s ；c r o s s i n gp o i n tt e m p e r a t u r e ；w i r e - m e s hb a s k e t 煤炭自燃是我国煤矿的主要灾害之一．国有重 点煤矿存在严重自燃危险性的矿井占矿井总数的 5 6 ％，煤自燃引起的火灾占矿井火灾总数的9 0 ％ ～9 4 ％Ⅲ．矿井自燃火灾形成的必要条件是有自 燃倾向性的煤呈破碎堆积状态存在；有适量通风供 氧；浮煤超过自燃临界堆积厚度，自燃临界堆积厚 度指的是浮煤产生的热量等于散失热量的厚度．只 要破坏或消除3 个必要条件之一，就可以防止自燃 的发生‘2 1 ．由于煤矿井下采空区漏风难以控制，因 而控制浮煤堆积厚度成为抑制自燃的重要途径．目 收稿日期2 0 0 5 1 2 3 0 基金项目国家重点基础研究发展规划 9 7 3 项目 2 0 0 1 C B 4 0 9 6 0 1 0 2 I 国家自然科学基金项目 5 0 6 7 4 0 8 8 ；教育部科学技术研究重点 项目 0 1 0 2 7 } 河南省煤矿瓦斯与火灾防治重点实验室开放基金项目 H K L G F 2 0 0 5 0 7 作者简介仲晓星 1 9 8 1 一 ，男，江苏省海安县人，博士研究生，从事煤炭自燃机理、矿井通风与防灭火、安全工程等方面的研究。 E - m a i l z h o n g x x _ 2 0 0 3 1 6 3 ．c o r n T e l 0 5 1 6 8 3 9 9 5 5 2 7 万方数据 第6 期仲晓星等金属网篮交叉点法预测煤自燃I 临界堆积厚度 前，国内学者对自燃临界堆积厚度的研究主要以大 型煤自燃发火实验台为基础 装煤量为1t 左右 ， 假定煤体内温度均匀变化，风流为一维流动的前提 下进行的口。5 ] ．本文从氧化动力学角度出发，结合经 典的F r a n k - K a m m e n t i d s 理论模型，采用网篮交叉 点法预测采空区煤炭自燃的临界堆积厚度． 1基本理论 煤炭自燃是煤自身氧化产热和对外散热共同 作用的结果，一旦产热大于散热就会温度不断升高 发生自燃现象．其氧化动力学方程如式 1 所示 o T Pc 竿一k V2 T Q l D A e - E ／m - ， 1 d 【 式中』D 为煤样堆积密度，k g ／m 3 ；C 为煤样比热， J ／ k g K ；T 为温度，K ；t 为时间，S ；志为热传导 系数，W ／ m K ；Q 为反应热，J ／m o l ；A 为反应 频率因子，S ～；E 为表观活化能，J ／m o l ；R 为通用 气体常数，取8 ．3 1 4J ／ m o l K ． 传统的煤炭自燃临界堆积厚度的计算以 F r a n k K a m e n e t s k i i 自燃模型为基础，通过在稳态 时式 1 左边项为零[ 6 1 ] ，推导得出煤炭自燃临界厚 度的计算公式．如式 2 所示 2 式中△为无限大平板的半厚，m ；瓯为F K 参数； T 。为环境温度，K ；T 。为临界环境温度，K ． 由式 2 可以发现同一煤样的自燃临界堆积厚 度主要由环境温度、表观活化能和Q A 值决定，不 同环境温度下的自燃临界堆积厚度以表观活化能 E 和Q A 值为基础．此方法至少需要对4 种不同尺 寸的样本测试临界环境温度才能求出表观活化能 和Q A 值，所以工作量大，消耗时间长[ 8 ] ．2 0 世纪 末，C h e nX ．D ．等提出了一种新的金属网篮测试 方法非稳态测试法[ 9 - 1 1 ] ．该方法通过在煤样 几何中心和偏离几何中心不远的位置放置2 个测 温元件，当2 测温元件所测温度相等时，式 1 右边 导热项为零．此时对式 1 左右两边求对数则得到 新的表观活化能和Q A 的计算公式，如式 3 所示． 此方法只要测试一种尺寸的样本在不同初始温度 下的交叉点温度．研究者通过大量实验证实此方法 不仅消耗时间短而且所求值与传统的方法非常接 近，满足实验精度要求口幻 - n 等 丁曲乩警一志， 式中T ，为交叉点温度，K ． 2 实验设备 实验设备为中国矿业大学安全实验室自行设 计研制[ 12 1 ，其系统如图1 所示，主要由恒温控制 箱、金属网篮、测温元件和数据采集系统等组成．其 中恒温控制箱为不锈钢内胆，外加石棉保温层制作 的箱体 正前方开f - j ，用于放置金属网篮．箱体内 装可调速风扇，以保证箱体内空气温度场均匀．金 属网篮尺寸为5c m 5c m 5c m ．测温元件为铠 装k 型热电偶． 图1 金属网篮交叉点法实验系统 F i g ．1E x p e r i m e n t a ls y s t e mo fc r o s s i n gp o i n t m e t h o du s i n gaw i r e m e s hb a s k e t 3 实验 3 ．1 制样 实验用煤取自大湾矿、新安矿和大黄山矿，经 密封储存邮寄至实验室．制样前先去除煤块表面氧 化层，然后破碎并筛选0 ．2 ～0 ．4m m 的颗粒8 0g 置于控制箱的煤样罐内，在箱温为1 0 5 ℃对煤样通 氮气的情况下恒温运行1 0h ．最后在氮气的保护 下将煤样温度降至室温并密封保存作为实验用样． 煤样工业元素分析见表1 ． 一 表1煤样工业元素分析 T a b l e1P r o x i m a t ea n a l y s i so fc o a ls a m p l e s 3 ．2实验过程 将盛有预先制好煤样的金属网篮放置于恒温 箱中部，连接好铠装k 型热电偶，其中一个置于煤 样的几何中心，另一个置于偏离几何中心1c m 的 位置．然后将箱体初始温度设定为1 2 0 ℃，启动恒 温运行控制系统并同时打开数据采集系统采集数 据．实验完成后在只改变初始温度的情况下重复以 上实验过程． 4实验数据与数据处理 3 4 ．1实验数据 在上述实验条件下 以大黄山矿煤样为例 ，不 同初始温度 1 2 0 ～1 6 0 ℃ 条件下的煤样温升曲线 万方数据 7 2 0 中国矿业大学学报第3 5 卷 如图2 所示．其中T 。为煤样中心温度，T 。为偏离中心1a m 处的温度，T 8 。为恒温箱初始温度． 1 8 0 1 4 0 p 警1 0 0 6 0 2 0 蓦一 p 魁 赠 蓦善1 8 0 沪 O2 85 6 ‘t ／r a i n b 初始温度为1 3 0 ℃ ⋯⋯．孔⋯z 篡 ≮．严j 2 7 0 2 2 0 p1 7 0 髫1 2 0 7 0 2 0 ⋯玉- ⋯／． 沙j 2 85 6 t ／r a i n c 初始温度为1 4 0 ℃ d 初始温度为1 5 0 ℃ e 初始温度为1 6 0 ℃ 图2煤样的温升曲线 F i g ．2T e m p e r a t u r er i s ec u r v e so fc o a ls a m p l e 4 ．2 数据处理 4 ．2 ．1 表观活化能E 和Q A 值求解 通过对实验所测数据进行分析处理，计算出不 同初始温度条件下的交叉点温升速率，根据式 3 作出3 种煤样的l n 孥 r 一．和一豢辈关系图如 图3 所示． 图3 F i g ．3 通过斜率和截距可求得表观活化能E 和Q A 的值．运用此方法对3 种煤样表观活化能E 和Q A 求解，其值如表2 所示． 表2煤样的表观活化能E 和Q A 值 T a b l e2T h eo v e r a l la c t i v a t i o ne n e r g yEa n d 似v a l u e s o ft h ec o a ls a m p l e s 4 ．2 ．2 自燃临界堆积厚度求解 根据煤炭比热与炭含量的关系‘”] ，新安矿、大 湾矿和大黄山矿3 种煤样的比热分别为1 ．3 ，1 ．4 4 和1 ．2 9k J ／ k g K ，其导热系数分别取0 ．1 3 9 ， 0 ．1 1 1 和0 ．1 4 2w ／ m K ．在松散煤体以无限大 平板形式堆积的情况下 疋一0 ．8 8 ，结合表观活 化能E ，Q A ，把各个参数代入式 2 ，求出3 种煤样 在不同温度条件下的自燃临界堆积厚度，见表3 ． 表33 种煤样不同温度下的自燃临界厚度 T a b l e3 S p o n t a n e o u sc o m b u s t i o nc r i t i c a lt h i c k n 嘲 o ft h r e ec o a ls a m p l e sa td i f f e r e n tt e m p e r a t u r e sm 5 应用与分析 大湾矿、新安矿、大黄山矿煤层自燃倾向性、开 采工艺，平均浮煤厚度、采空区温度和2 0 0 5 年现场 统计发火次数如表4 所示． 表4矿井基础参数 T a b l e4B a s i cp a r a m e t e r so ft h r e ed i f f e r e n tc o a lm i n e s 注自燃发火次数仅为2 0 0 5 年现场统计次数． 结合表3 ，4 中可见，新安矿和大黄山矿综放工 作面分别为容易自燃和自燃煤层，2 矿在采空区温 度范围内浮煤厚度基本处于自燃临界堆积厚度之 上．因此，一旦采空区出现漏风就有煤炭自然发火 的危险．2 0 0 5 年1 月1 3 日和2 0 0 5 年3 月1 1 日新 歹匠 万方数据 第6 期仲晓星等金属网篮交叉点法预测煤自燃f 临界堆积厚度 7 2 1 安矿综放工作面发生2 起煤炭自燃火灾，2 0 0 5 年 1 2 月2 日大黄山矿综放工作面发生1 起自燃火 灾．起因都是由于局部地区向采空区漏风导致漏风 区域发生煤炭自燃．相反，大湾矿为高瓦斯矿井，综 采工作面为易自燃煤层，开采期间为了解决工作面 瓦斯采取尾巷抽放，抽放量大，整个采空区漏风严 重．但是，开采至今无任何自然发火现象．原因是虽 然采空区漏风严重，为浮煤氧化提供了充足的氧 气，但是浮煤厚度远低于自燃临界堆积厚度导致散 热大于氧化产热，最终不能自燃．因此，研究煤炭自 燃临界堆积厚度为煤矿确定自然火灾重点防治区 域提供了理论依据． 6 结论 1 本文通过中国矿业大学安全实验室自行研 制的实验设备在国内首次运用金属网篮交叉点法 以小试样对3 种不同煤样的表观活化能和Q A 值 进行了计算，并以此为基础得出了3 种煤样在不同 温度下的自燃临界堆积厚度．此方法与传统的方法 相比具有消耗时间短、可重复性强、线性相关性好 的优点． 2 通过对自燃临界堆积厚度的研究为煤矿确 定自然火灾的重点防治区域提供了理论依据，不仅 能够达到更为有效的防治效果而且节约了防治成 本、提高了经济效益． 参考文献 [ 1 ] 李学诚．中国煤矿安全大全[ M ] ．北京煤炭工业出版 社，1 9 9 8 ． [ 2 ] 张国枢，戴广龙．煤炭自然理论与防治实践[ M ] ．北 京煤炭工业出版社，2 0 0 2 ． [ 3 ] 邓军，徐精彩，徐通模，等．煤自然性参数的测试与 应用[ J ] ．燃料化学学报，2 0 0 1 ，2 9 6 5 5 3 5 5 6 ． D E N GJ u n ，X UJ i n g - c a i ，X UT o n g - m o ，e ta 1 ．T e s t a n da p p l i c a t i o no ft h es p o n t a n e o u sc o m b u s t i b i l i t yp a - r a m e t e r so fc o a l [ J ] ．J o u r n a lo fC h e m i s t r yT e c h n o l o g Y ，2 0 0 1 ，2 9 6 5 5 3 5 5 6 ． [ 4 ] 徐精彩，文虎，邓军，等．煤自燃极限参数研究 [ J ] ．火灾科学，2 0 0 0 ，9 2 8 - 1 4 ． X UJ i n g c a i ，W E NH u ，D E N GJ u n 。e ta 1 ．S t u d yl i m i tp a r a m e t e ro f c o a ls e l f - i g n i t e [ J ] ．F i r eS a f e t yS c i e n c e ，2 0 0 0 ，9 2 8 - 1 4 ． [ 5 ] 郭兴明，徐精彩，惠世恩．煤自燃过程中极限参数的研 究[ J ] ．西安交通大学学报，2 0 0 1 ，3 5 7 6 8 2 6 8 6 ． G U OX i n g m i n g ，X UJ i n g c a i ，H U IS h i a n ．R e s e a r c h o nk e yp a r a m e t e r si nt h ep r o c e s so fc o a ls e l f i g n i t i o n [ J ] ．J o u r n a lo fX i a nJ i a o t o n gU n i v e r s i t y ，2 0 0 1 ，3 5 7 6 8 2 6 8 6 ． [ 6 ]F E N GKK ，C H A K R A V O R T YRN ，C O C H R A N E TS ．S p o n t a n e o u sc o m b u s t i o n ac o a lm i n i n gh a z a r d s [ J ] ．C I MB u l l e t i n ，1 9 7 3 ，6 6 7 3 8 7 5 8 4 ． [ 7 ] B O W E SPC ．S e l f - h e a t i n g e v a l u a t i n ga n dc o n t r o l l i n g t h eh a z a r d s [ J ] ．E l s e v i e r ，A m s t e r d a m ，1 9 8 4 ． [ 8 ] 董希琳．D D S 系列煤炭自燃阻化剂实验研究口] ．火 灾科学，1 9 9 7 ，6 1 2 0 2 5 ． D O N GX i l i n ．E x p e r i m e n t a li n v e s t i g a t i o ni n t ot h e D D S - i n h i b i t o r st os u p p r e s st h es p o n t a n e o u si g n i t i o n o fc o a l [ J ] ．F i r eS a f e t yS c i e n c e ，1 9 9 7 ，6 1 2 0 一2 5 ． r 9 ]C H E NXD ．，C H O N GLV ．S o m ec h a r a c t e r i s t i c so f t r a n s i e n ts e l f - h e a t i n gi n s i d ea ne x o t h e r m i c a l l yr e a c t i v e p o r o u ss o l i ds l a b [ J ] ．P r o c e s sS a f e t ya n dE n v i r o n m e n t a lP r o t e c t i o n ，1 9 9 5 ，7 3 B 2 1 0 1 1 0 7 ． [ 1 0 ] C H O N GLV ，S H A WIR ，C H E NXD ．T h e r m a l i g n i t i o nk i n e t i c so fw o o ds a w d u s tm e a s u r e db ya n e w l yd e v i c e de x p e r i m e n t a lt e c h n i q u e [ J ] ．P r o c e s s S a f e t yP r o g r e s s ，1 9 9 5 ，1 4 2 6 6 2 7 0 ． [ 1 1 3S U J A N T IW ，Z H A N GDK ，C H E NXD ．L o w t e m p e r a t u r eo x i d a t i o no fc o a ls t u d i e du s i n gw i r e - m e s hr e a c t o r sw i t hb o t hs t e a d y - s t a t ea n dt r a n s i e n t m e t h o d [ J ] ．C o m b u s t i o na n dF l a m e ，1 9 9 9 ，1 1 7 3 5 8 6 5 9 2 ． [ 1 2 ] 王德明，陆伟，李增华，等．一种模拟煤炭自燃过程 的绝热装置．中国专利Z L 2 0 0 420 0 6 2 8 7 8x [ P ] ． 2 0 0 5 0 8 1 7 ． [ 1 3 ]虞继舜．煤化学[ M ] ．北京冶金工业出版社，2 0 0 0 ． 责任编辑王继红 万方数据