不同氧气浓度下采空区煤自燃极限参数研究

高江涛，冉小波，杨 博

(1.山西潞安集团 左权阜生煤业有限公司，山西 晋中 032600；2.复恒(重庆)科技有限公司，重庆 400000; 3. 西安科技大学 安全科学与工程学院，陕西 西安 710054)

煤矿自燃火灾事故频发，甚至引发瓦斯爆炸，造成重大财产损失和人员伤亡，严重威胁矿井安全生产[1-2]。煤自燃火灾主要发生在采空区，具有一定的隐蔽性，燃烧热量散失难，防控难度高且易复燃[3]，因此，研究煤自燃发生的特点及临界条件成为学者们研究的热点[4-6]。导致煤自燃发生的外部临界条件主要有最小浮煤厚度、下限氧浓度和上限漏风强度，统称为煤自燃极限参数[7]。徐精彩采用热平衡法得到采空区煤自燃极限参数计算方法，计算确定煤自燃极限参数[8]。煤变质程度和粒度降低，氧化放热量升高，煤自燃极限参数向易发生煤自燃危险的方向变化[9-10]。阻化剂处理后煤样的氧化放热性降低，最小浮煤厚度和下限氧浓度显著升高，上限漏风强度降低，煤自燃风险降低[11]。

基于机器学习提出煤自燃极限参数的预测方法[12]，在采空区内漏风风流速度随埋入深度、压实度和阻力作用逐渐降低，同时漏风流通过程中与遗煤发生接触，风流中的氧气分子与煤中活性结构发生反应不断被消耗，氧气浓度也不断降低。随着埋入采空区深度不断增大，环境中的氧气浓度逐渐降低，明显影响煤自燃过程[13-17]，但对采空区低氧环境下煤自燃极限参数变化特征研究较少，这不利于对煤自燃危险性的确定、危险区域的判定及高效防治。因此，选择山西阜生煤矿煤样为对象，采用煤自燃特征模拟测试，得到采空区不同氧气浓度下遗煤自燃氧化耗氧和放热特征，通过计算得到煤自燃极限参数，揭示采空区低氧环境中煤自燃极限参数变化规律，有利于采空区煤自燃危险区域判定和自燃隐患的早期控制。

1 实验系统及过程

1.1 实验煤样的制备

实验煤样采自山西阜生煤矿，工业分析结果见表1。样品的真密度为1.39 g/cm3，视密度为1.30 g/cm3，孔隙率F为6.47%.采集得到的新鲜煤样进行封闭，隔绝氧气运输到实验室，首先剥离煤样表面氧化层，之后将煤样破碎并筛分为5个粒径范围(0～0.9 mm，0.9～3 mm，3～5 mm，5～7 mm，7～10 mm)，从5个粒径范围各取200 g进行混合，模拟采空区内松散煤体，每个样品重1 kg。

表1 煤样工业分析

1.2 实验装置及条件

煤自燃程序升温装置如图1所示。实验装置主要由温度控制部分、气体供给部分、煤样氧化反应罐和色谱分析部分等组成，煤样反应罐装煤量为1 kg。气体由煤样反应罐下部通入，与煤样反应后流入反应罐上部铜管排出，在铜管出口采集气体样品进行色谱分析。不同氧气浓度气体采用配气装置进行配比实验，氧气浓度分别为：21%、17%、13%、9%和5%，实验供气量为100 mL/min，升温速率为0.3 ℃/min，煤样的氧化升温范围为20～170 ℃，每隔10 ℃采集气样对煤自燃气体进行色谱分析。

图1 程序升温实验装置

2 煤氧化的耗氧和放热特征

2.1 煤氧化耗氧速率

在煤自燃程序升温实验过程中，煤氧化耗氧特征是煤氧化反应强弱的关键参数。邓军等采用大型煤自燃发火实验得到煤低温氧化过程中耗氧速率的计算方法，如公式(1)所示[18]：

(1)

根据公式(1)计算、绘制煤样低温氧化的耗氧速率变化曲线，如图2所示。

图2 煤低温氧化过程中耗氧速率曲线图

由图2可知，在实验一开始，煤样接触氧气，煤氧化温度较低，环境中的氧气首先在煤样内部孔隙的表面发生单层的物理吸附，在逐渐饱和之后，一部分氧气与煤表面的活性结构发生化学吸附和缓慢的化学反应，此时煤氧化的耗氧量较低。随煤样氧气温度逐渐升高，煤中活性结构逐渐被活化，且环境中活化氧气分子数也不断增加，使得煤氧化反应速率逐渐增大，煤氧化耗氧速率随煤氧化温度升高缓慢增大。当煤氧化温度超过临界温度后，煤中活性结构活化速度加快导致煤氧化耗氧速率增速加快，特别是煤氧化温度超过100 ℃后，煤进入快速氧化阶段，氧气与活性结构反应产生大量中间产物，进一步加速煤的氧化反应，环境中氧气浓度降低导致煤氧化耗氧速率显著减慢。这主要是由于氧气浓度降低使氧气在煤表面物理吸附动力降低，抑制了化学吸附和化学反应，同时也使环境中活化氧气分子数降低，抑制了活化氧气分子与活化结构的反应机率，抑制煤的氧化反应。在实验开始阶段，环境中不同氧气条件对煤氧化耗氧速率差别较小，这因为实验开始阶段煤氧化需氧量较小，造成低氧环境下对煤氧化抑制作用较小。随煤氧化温度升高，煤氧化耗氧量逐渐增大，这使得低氧环境对煤氧化反应的抑制作用更加明显，氧气浓度越低则耗氧速率降低幅度越大。

2.2 煤氧化的放热强度

根据煤样低温氧化试验，得到煤样氧化耗氧、一氧化碳和二氧化碳产生率等数据，松散煤体放热强度q的计算见公式(2)[9-10]：

q=qa(v1-v2-v3)+v2(h1+△h1)+v3(h2+△h2)

(2)

式中：qa为在煤低温氧化过程中煤样表面活性结构化学吸附氧的化学吸附热，J/mol；v1为煤样氧化温度为T时煤低温氧化时耗氧速率，mol/s；v2、v3分别为煤样氧化温度为T时CO和CO2的产生速率，mol/s；h1、h2分别为煤氧化过程中在标准情况下CO和CO2的标准生成热，J/mol；△h1、△h2分别为CO和CO2在标准大气压、煤样氧化温度为T时与标准生成热的差值，J/mol。

经计算，得到试验煤样氧化的放热强度，见图3。

图3 煤低温氧化过程中的放热强度曲线图

由图3可知，阜生煤矿煤样的低温氧化自燃是一个从物理吸附到化学反应的逐渐加速过程。在实验一开始，煤氧化温度较低，煤分子中的活性基团较少，煤与氧气反应速度较低，导致煤的氧化放热强度较低。随煤氧化温度不断升高，煤中活性结构逐渐活化，参与到煤氧化释放热量。在煤氧化温度超过临界温度(80～90 ℃)后，达到了一些活性较高的结构的活化温度，被大量活化，参与煤的氧化反应，使煤氧化放热量开始显著升高。煤氧化温度越高，被活化参与煤氧化的活性结构种类和数量就越多，造成煤氧化反应放热增速随煤氧化温度上升而逐渐升高。在实验开始阶段，煤氧化温度较低，主要发生氧气在煤表面的物理化学吸附及与活性结构缓慢的化学反应，降低氧气浓度对煤氧化放热量影响较小。随煤氧化温度升高，煤中活性结构与氧气之间的化学反应逐渐增强，特别是煤氧化温度超过临界温度之后，大量活性结构被活化，煤氧化耗氧量显著升高(见图2)，造成低氧环境对煤氧化放热量产生的抑制作用愈加明显。温度越高，氧气浓度越低，煤氧化放热量降低幅度越大。降低氧气浓度会导致环境中活化氧气分子数显著减少，煤中活化结构与氧气接触机会减少抑制煤氧化反应，因此，低氧环境对煤氧化放热的抑制作用会随煤氧化温度升高而不断升高。

3 煤自燃极限参数

3.1 极限参数

采空区内煤自燃会受到煤自燃倾向性及外界环境的共同作用，在煤自燃特性和外界条件同时满足时，煤才有可能发生自燃[19]。满足采空区内遗煤自然发火的外在条件主要有遗煤自燃最小浮煤厚度、极限氧浓度和下限漏风强度，统称为煤自燃极限参数[7,11]。

hmin=

(3)

(4)

(5)

3.2 最小浮煤厚度

采空区煤体漏风强度为0.025 5 cm/s时，不同氧气浓度下采空区遗煤自燃最小浮煤厚度变化规律见图4。

由图4得到，阜生矿煤样自燃的最小浮煤厚度随煤氧化温度上升呈现先上升后下降的趋势，最小浮煤厚度的最大值出现在50～60 ℃，在煤样氧化温度超过60 ℃之后，最小浮煤厚度随煤氧化温度升高而不断降低。浮煤厚度是影响松散煤体氧化蓄热的关键因素，最小浮煤厚度代表能使得松散煤体放热蓄积导致煤温不断升高的最小堆积厚度。在煤氧化临界温度之前，煤氧化放热量低，而随煤氧化温度升高导致与环境温差增大，使煤与环境之间的散热量增大，氧化放热量随煤氧化温度升高增大量不足以弥补散热量增大量，因此，最小浮煤厚度随温度升高逐渐增大。在氧化温度接近临界温度附近时，氧化放热量显著增大，随温度升高，氧化放热量增长率会显著升高，氧化放热量增速逐渐超过散热量的增速，这使得最小浮煤厚度在临界温度附近达到最大值，之后随煤氧化温度升高而逐渐下降。降低氧气浓度会显著抑制煤的氧化放热，这造成相同条件下煤氧化蓄热需要的浮煤厚度显著增大，因此环境中氧气浓度降低，煤自燃的最小浮煤厚度逐渐增大。

图4 不同氧气浓度煤自燃的最小浮煤厚度曲线图

3.3 下限氧气浓度

遗煤厚度在120 cm时不同氧气浓度下，采空区遗煤自燃下限氧气浓度变化规律如图5所示。

图5 不同氧气浓度时煤自燃下限氧气浓度曲线图

由图5可知，不同氧气浓度条件下阜生煤矿煤体自燃下限氧气浓度随煤氧化温度升高与最小浮煤厚度变化规律相似，均为先升高后降低，也是煤氧化放热量和散热量随煤氧化温度升高之间的相互作用导致的。环境中氧气浓度降低使煤氧化放热量降低抑制煤的自燃，图5中不同氧气浓度条件下煤自燃下限氧气浓度为该氧气浓度条件下煤自燃需要的最低氧气环境。环境中氧气浓度小于煤自燃下限氧气浓度时，环境中氧气浓度不足，煤氧化放热量小于环境中的散热量，不能使煤温升高而发生自燃。环境中氧气浓度为21%时煤自燃下限氧气浓度为9.8%，此时煤存在自燃风险；环境中氧气浓度降低至13%时，煤自燃下限氧气浓度升高到18.6%，在此条件下煤自燃难以发生。因此，在采空区煤自燃火灾防治过程中，可将采空区氧气浓度降低到煤自燃下限氧气浓度之下，实现煤自燃火灾的有效防治。

3.4 上限漏风强度

采空区松散遗煤的厚度在120 cm时，不同环境氧气浓度条件下松散遗煤自燃上限漏风强度变化规律如图6所示。

图6 不同氧浓度时煤自燃上限漏风强度曲线图

漏风强度是影响煤氧化放热量蓄积的关键因素，漏风强度越高，带走松散煤体氧化放热量越大。由图6可知，阜生矿煤样自燃上限漏风强度随煤氧化温度升高为先降低后升高的趋势，最小值处在煤自燃临界温度点。在临界温度之前松散遗煤氧化放热量随氧化温度升高增加速度较慢，不足以弥补因煤氧化温度升高导致漏风带走热量的增大，导致上限漏风强度呈降低趋势。松散遗煤氧化温度超过临界温度之后，遗煤氧化反应强度显著升高，放热量随煤温升高增速逐渐超过了漏风量带走的热量，上限漏风强度随煤温升高而逐渐升高。降低氧气浓度，抑制煤样的氧化放热，相同条件下煤氧化蓄热所需的漏风上限降低，不利于煤氧化放热量的蓄积。因此，降低采空区环境中的氧气浓度可明显降低采空区松散遗煤氧化自燃风险。

4 结 语

1) 随着氧气浓度降低，煤自燃氧化耗氧速率和放热量明显降低，煤氧化耗氧量和氧化反应速率随煤氧化温度升高不断增强。

2) 不同氧气浓度条件下煤样自燃极限参数中的最小浮煤厚度及下限氧气浓度随煤氧化温度上升表现为先增大后减少的趋势，最大值在煤自燃临界温度时达到，而煤自燃上限漏风强度呈现相反的变化趋势，在煤自燃临界温度附近达到最小值。

3) 降低氧气浓度，煤自燃极限参数向抑制煤自燃发生的方向变化。煤自燃的最小浮煤厚度和下限氧气浓度升高，煤自燃上限漏风强度降低，将环境中氧气浓度降低到下限氧气浓度之下，可有效防治煤自燃火灾事故的发生。