工程科学学报 Chinese Journal of Engineering 单轴应力下烟煤氧化自燃灾变温度 徐永亮刘泽健步允川陈蒙磊吕志广王兰云 Catastrophic temperature of oxidation-spontaneous-combustion for bituminous coal under uniaxial stress XU Yong-liang.LIU Ze-jian,BU Yun-chuan,CHEN Meng-lei,L Zhi-guang.WANG Lan-yun 引用本文： 徐永亮，刘泽健，步允川，陈蒙磊，吕志广，王兰云.单轴应力下烟煤氧化自燃灾变温度U.工程科学学报，2021,43(10)：1312- 1322.doi:10.13374/.issn2095-9389.2020.09.02.004 XU Yong-liang.LIU Ze-jian,BU Yun-chuan,CHEN Meng-lei,L Zhi-guang,WANG Lan-yun.Catastrophic temperature of oxidation-spontaneous-combustion for bituminous coal under uniaxial stress[J].Chinese Journal of Engineering,2021,43(10): 1312-1322.doi10.13374j.issn2095-9389.2020.09.02.004 在线阅读View online:https::/doi.org10.13374j.issn2095-9389.2020.09.02.004 您可能感兴趣的其他文章 Articles you may be interested in 影响煤自燃气体产物释放的主要活性官能团 Key functional groups affecting the release of gaseous products during spontaneous combustion of coal 工程科学学报.2020,42(9外：1139htps:/doi.org10.13374.issn2095-9389.2020.02.17.001 基于全波形的煤样单轴压缩破坏声电时频特征 Time-frequency characteristics of acoustic-electric signals induced by coal fracture under uniaxial compression based on full- waveform 工程科学学报.2019,41(7)：874htps:doi.org/10.13374j.issn2095-9389.2019.07.005 不同温度下无烟煤电阻率的层理效应 Effects of bedding plane on anthracite coal resistivity under different temperatures 工程科学学报.2017,397：988 https::/1doi.org/10.13374.issn2095-9389.2017.07.003 初始温度条件下全尾胶结膏体损伤本构模型 Damage constitutive model of cemented tailing paste under initial temperature effect 工程科学学报.2017,39(1：31 https:1doi.org/10.13374.issn2095-9389.2017.01.004 含硫充填体膨胀裂隙发育特性与单轴抗压强度的关联分析 Association analysis of expansion crack development characteristics and uniaxial compressive strength property of sulphide- containing backfill 工程科学学报.2018,40(1)：9 https:/doi.org10.13374j.issn2095-9389.2018.01.002 含端部裂隙大理岩单轴压缩破坏及能量耗散特性 Uniaxial compression failure and energy dissipation of marble specimens with flaws at the end surface 工程科学学报.2020,42(12：1588 https:/doi.org10.13374.issn2095-9389.2019.12.07.001
单轴应力下烟煤氧化自燃灾变温度 徐永亮 刘泽健 步允川 陈蒙磊 吕志广 王兰云 Catastrophic temperature of oxidation-spontaneous-combustion for bituminous coal under uniaxial stress XU Yong-liang, LIU Ze-jian, BU Yun-chuan, CHEN Meng-lei, L Zhi-guang, WANG Lan-yun 引用本文: 徐永亮, 刘泽健, 步允川, 陈蒙磊, 吕志广, 王兰云. 单轴应力下烟煤氧化自燃灾变温度[J]. 工程科学学报, 2021, 43(10): 1312- 1322. doi: 10.13374/j.issn2095-9389.2020.09.02.004 XU Yong-liang, LIU Ze-jian, BU Yun-chuan, CHEN Meng-lei, L Zhi-guang, WANG Lan-yun. Catastrophic temperature of oxidation-spontaneous-combustion for bituminous coal under uniaxial stress[J]. Chinese Journal of Engineering, 2021, 43(10): 1312-1322. doi: 10.13374/j.issn2095-9389.2020.09.02.004 在线阅读 View online: https://doi.org/10.13374/j.issn2095-9389.2020.09.02.004 您可能感兴趣的其他文章 Articles you may be interested in 影响煤自燃气体产物释放的主要活性官能团 Key functional groups affecting the release of gaseous products during spontaneous combustion of coal 工程科学学报. 2020, 42(9): 1139 https://doi.org/10.13374/j.issn2095-9389.2020.02.17.001 基于全波形的煤样单轴压缩破坏声电时频特征 Time-frequency characteristics of acoustic-electric signals induced by coal fracture under uniaxial compression based on fullwaveform 工程科学学报. 2019, 41(7): 874 https://doi.org/10.13374/j.issn2095-9389.2019.07.005 不同温度下无烟煤电阻率的层理效应 Effects of bedding plane on anthracite coal resistivity under different temperatures 工程科学学报. 2017, 39(7): 988 https://doi.org/10.13374/j.issn2095-9389.2017.07.003 初始温度条件下全尾胶结膏体损伤本构模型 Damage constitutive model of cemented tailing paste under initial temperature effect 工程科学学报. 2017, 39(1): 31 https://doi.org/10.13374/j.issn2095-9389.2017.01.004 含硫充填体膨胀裂隙发育特性与单轴抗压强度的关联分析 Association analysis of expansion crack development characteristics and uniaxial compressive strength property of sulphidecontaining backfill 工程科学学报. 2018, 40(1): 9 https://doi.org/10.13374/j.issn2095-9389.2018.01.002 含端部裂隙大理岩单轴压缩破坏及能量耗散特性 Uniaxial compression failure and energy dissipation of marble specimens with flaws at the end surface 工程科学学报. 2020, 42(12): 1588 https://doi.org/10.13374/j.issn2095-9389.2019.12.07.001
工程科学学报.第43卷.第10期：1312-1322.2021年10月 Chinese Journal of Engineering,Vol.43,No.10:1312-1322,October 2021 https://doi.org/10.13374/j.issn2095-9389.2020.09.02.004;http://cje.ustb.edu.cn 单轴应力下烟煤氧化-自燃灾变温度 徐永亮2，刘泽健”，步允川少，陈蒙磊，吕志广，王兰云12，)区 1)河南理工大学安全科学与工程学院，焦作4540032)煤炭安全生产与清洁高效利用省部共建协同创新中心，焦作4540033)河南省瓦 斯地质与瓦斯治理重点实验室一省部共建国家重点实验室培育基地，焦作454003 ☒通信作者.E-mail:wlyhpu@163.com 摘要为探究不同埋藏深度裂隙煤体氧化-自燃过程在单轴应力作用下的影响规律，本文通过荷载加压煤自燃特性实验平 台，采用新疆硫磺沟矿区烟煤煤样，开展了施加单轴应力在0~8MPa下的贫氧环境程序升温试验.根据加压试验中烟煤产 生气体随温度的变化关系，计算了烟煤在单轴应力下升温过程表观活化能和耗氧速率.结合煤自燃氧化动力学和热解参数， 阐述了单轴应力下煤体由缓慢氧化到快速氧化的非线性发展过程，并基于突变理论解算出试验条件下烟煤氧化一燃烧过程的 突变温度和临界温度，确定出4个特征参数：突变温度Tco(CO表征)和THY(耗氧速率表征)，临界温度TCo(CO表征)和 TY(耗氧速率表征)，并分析了不同特征参数随单轴应力的变化规律.结果表明：热解气体浓度、表观活化能和耗氧速率随 单轴应力增大呈先增大后减小再增大的三次函数规律（其中1.8和5.5MPa时为临界轴压）.1.8MPa时表观活化能和各项特 征参数数值最低，煤氧反应速率最快，耗氧速率最高：单轴应力为5.5MPa时耗氧速率最大，煤体新生裂隙最多：单轴应力对 TCo特征参数影响最大，煤自燃缓慢过渡到快速氧化的温度指标，由CO浓度表征的突变温度TCO表征最为准确.该研究结果 对于矿井不同埋深煤自燃预警和防控具有重要理论指导意义， 关键词煤自燃：单轴应力：突变温度：临界温度：灰色关联度：数值拟合 分类号TD75 Catastrophic temperature of oxidation-spontaneous-combustion for bituminous coal under uniaxial stress XU Yong-liangLIU Ze-jian.BU Yun-chuan,CHEN Meng-le,LO Zhi-guang,WANG Lan-yun 1)College of Safety Science and Engineering,Henan Polytechnic University,Jiaozuo 454003,China 2)Collaborative Innovation Center for Coal Safety Production High-Efficient-Clean Utilization,Jiaozuo 454003,China 3)State Key Laboratory Cultivation Base for Gas Geology and Gas Control,Henan Polytechnic University,Jiaozuo 454003,China Corresponding author,E-mail:wlyhpu@163.com ABSTRACT To explore the influence of the oxidation and spontaneous combustion process of fractured coal at different burial depths under uniaxial stress,the spontaneous combustion characteristics of coal under loading was studied within the testing device of coal spontaneous combustion and loading.Bituminous coal from the Liuhuanggou mining area in Xinjiang was selected and oxidized in the oxygen-lean environment loaded at the range of08 MPa.Based on the relationship between the gas generated in the experiment and the temperature,we calculated the apparent activation energy and oxygen consumption rate of coal samples under uniaxial stress.We combined the oxidation kinetics and pyrolysis parameters of spontaneous coal combustion to describe the nonlinear development of coal from slow to rapid oxidation under uniaxial stress.Based on catastrophe theory,the catastrophic temperature and critical temperature of bituminous coal oxidation-combustion process under test conditions were calculated,and four characteristic parameters were determined: 收稿日期：2020-09-02 基金项目：国家白然科学基金资助项目(52074108.51874124)：中国博士后科学基金资助项目(2017M612397.2018T110725)
单轴应力下烟煤氧化‒自燃灾变温度 徐永亮1,2,3)，刘泽健1)，步允川1)，陈蒙磊1)，吕志广1)，王兰云1,2,3) 苣 1) 河南理工大学安全科学与工程学院，焦作 454003 2) 煤炭安全生产与清洁高效利用省部共建协同创新中心，焦作 454003 3) 河南省瓦 斯地质与瓦斯治理重点实验室—省部共建国家重点实验室培育基地，焦作 454003 苣通信作者， E-mail：wlyhpu@163.com TCO THY T ′ CO T ′ HY TCO TCO 摘 要 为探究不同埋藏深度裂隙煤体氧化‒自燃过程在单轴应力作用下的影响规律，本文通过荷载加压煤自燃特性实验平 台，采用新疆硫磺沟矿区烟煤煤样，开展了施加单轴应力在 0～8 MPa 下的贫氧环境程序升温试验. 根据加压试验中烟煤产 生气体随温度的变化关系，计算了烟煤在单轴应力下升温过程表观活化能和耗氧速率. 结合煤自燃氧化动力学和热解参数， 阐述了单轴应力下煤体由缓慢氧化到快速氧化的非线性发展过程，并基于突变理论解算出试验条件下烟煤氧化‒燃烧过程的 突变温度和临界温度，确定出 4 个特征参数：突变温度 （CO 表征）和 （耗氧速率表征），临界温度 （CO 表征）和 （耗氧速率表征），并分析了不同特征参数随单轴应力的变化规律. 结果表明：热解气体浓度、表观活化能和耗氧速率随 单轴应力增大呈先增大后减小再增大的三次函数规律（其中 1.8 和 5.5 MPa 时为临界轴压），1.8 MPa 时表观活化能和各项特 征参数数值最低，煤氧反应速率最快，耗氧速率最高；单轴应力为 5.5 MPa 时耗氧速率最大，煤体新生裂隙最多；单轴应力对 特征参数影响最大，煤自燃缓慢过渡到快速氧化的温度指标，由 CO 浓度表征的突变温度 表征最为准确. 该研究结果 对于矿井不同埋深煤自燃预警和防控具有重要理论指导意义. 关键词 煤自燃；单轴应力；突变温度；临界温度；灰色关联度；数值拟合 分类号 TD75 Catastrophic temperature of oxidation-spontaneous-combustion for bituminous coal under uniaxial stress XU Yong-liang1,2,3) ，LIU Ze-jian1) ，BU Yun-chuan1) ，CHEN Meng-lei1) ，LÜ Zhi-guang1) ，WANG Lan-yun1,2,3) 苣 1) College of Safety Science and Engineering, Henan Polytechnic University, Jiaozuo 454003, China 2) Collaborative Innovation Center for Coal Safety Production & High-Efficient-Clean Utilization, Jiaozuo 454003, China 3) State Key Laboratory Cultivation Base for Gas Geology and Gas Control, Henan Polytechnic University, Jiaozuo 454003, China 苣 Corresponding author, E-mail: wlyhpu@163.com ABSTRACT To explore the influence of the oxidation and spontaneous combustion process of fractured coal at different burial depths under uniaxial stress, the spontaneous combustion characteristics of coal under loading was studied within the testing device of coal spontaneous combustion and loading. Bituminous coal from the Liuhuanggou mining area in Xinjiang was selected and oxidized in the oxygen-lean environment loaded at the range of 0–8 MPa. Based on the relationship between the gas generated in the experiment and the temperature, we calculated the apparent activation energy and oxygen consumption rate of coal samples under uniaxial stress. We combined the oxidation kinetics and pyrolysis parameters of spontaneous coal combustion to describe the nonlinear development of coal from slow to rapid oxidation under uniaxial stress. Based on catastrophe theory, the catastrophic temperature and critical temperature of bituminous coal oxidation-combustion process under test conditions were calculated, and four characteristic parameters were determined: 收稿日期: 2020−09−02 基金项目: 国家自然科学基金资助项目（52074108，51874124）；中国博士后科学基金资助项目（2017M612397，2018T110725） 工程科学学报，第 43 卷，第 10 期：1312−1322，2021 年 10 月 Chinese Journal of Engineering, Vol. 43, No. 10: 1312−1322, October 2021 https://doi.org/10.13374/j.issn2095-9389.2020.09.02.004; http://cje.ustb.edu.cn
徐永亮等：单轴应力下烟煤氧化-自燃灾变温度 1313 catastrophic temperature Tco(characterization of CO)and THy (characterization of oxygen consumption rate),and critical temperature To(characterization of CO)and Ty (characterization of oxygen consumption rate),and analyzed the variation of different characteristic parameters with uniaxial stress.The analysis results show that the pyrolysis gas concentration,apparent activation energy, and oxygen consumption rate follow a cubic function law that first increases,then decreases,and then increases with increases in the uniaxial stress(the critical axial pressures at 1.8 and 5.5 MPa).At 1.8 MPa,the apparent activation energy and various parameter values are lowest,the oxygen reaction rate of coal is fastest,and the oxygen consumption rate is the highest.When the uniaxial stress is 5.5 MPa,the oxygen consumption rate is the highest,the greatest number of new cracks is created,and the characteristic Tco parameters have the greatest impact.The temperature index of spontaneous coal combustion slowly transitions to rapid oxidation,and the catastrophic temperature Tco characterized by the CO concentration is the most accurate.The research results have important theoretical guiding significance for the early warning and prevention and control of spontaneous combustion of coal at different buried depths. KEY WORDS coal spontaneous combustion;uniaxial stress;catastrophe temperature;critical temperature;grey relational degree; numerical fitting 煤自燃不仅制约着煤炭行业的可持续发展， 浸水煤自燃预测体系.唐洪等例对煤样进行充氮 还对矿产资源的保护造成极大威胁，但我国煤炭 40℃恒温处理后进行程序升温实验，通过比较预 蕴藏条件复杂，各类煤层自燃灾害发生时伴随着 报煤自燃指标，得出CO、C2H4、CO/CO2浓度比可 COx,SOx,NO,等有毒有害气体的产生，每年因煤 作为主要指标.仲晓星等0提出了程序升温下的 自燃造成的C0排放量达10.3万吨、烟尘达1.05 煤自燃临界温度的测试方法，通过CO的浓度与温 万吨 度的变化建立了临界温度的计算模型.Kondratiev 为预防煤自燃灾害的产生，掌握煤层自燃氧 与Ilyushechkin分析了对煤灰渣结晶对矿渣的黏 化的发展程度，国内外学者开展了一系列实验与 度，临界黏度温度，熔渣的流动特性，这3个因素 理论研究.围岩应力、指标气体和温度之间的对 的复杂影响.Gbadamosi等2利用回归分析将煤 应关系，对预测煤自燃发火有着重要意义川赵宏 样的风干率、干率、干粉尘率与煤自燃倾向性指 刚等四进行了原煤加载实验，将煤样偏应力、渗透 数联系起来，通过交叉点温度、煤自燃快速氧化速 率与应变的关系划分为3个阶段，发现加卸载速 率、FCC和Wits-Ehac实验进行评估，发现交叉点 率比越小，应力越大，煤的瓦斯渗透率和体变形越 温度表现煤自燃倾向性最准确.焦新明等)探究 大.娄全等)分析了煤在单轴压缩破坏过程中电 了煤样粒径、水分含量和气体流量对煤临界温度 信号的频谱特征，表明在后期载荷加大的作用下， 测定结果的影响.张宏敏4通过实验中以CO2为 演化出次生裂纹和煤块与主体之间剥离的现象. 气体介质，得到了全应力-应变过程中随压力的增 娄全等)采用损伤力学分析了三种煤岩在扫描电 加，砂岩的渗透率的变化率会随之减小 镜下的变形特征，结果表明随损伤变量减小，煤岩 以往，对预防煤自燃的关注点主要是煤自燃 由塑性破坏向脆性破坏转变.于永江等研究了 热解指标气体数据的采集测试和直接测量易发火 围压、偏应力及温度对型煤渗透率的影响，表明围 地区的煤岩温度，通过比较煤样的变质程度、含水 压和温度会使煤样的渗透率降低，随着偏应力的 率、氧浓度氛围的定性定量分析结果，得到煤自燃 增加，煤样渗透率先降低后增加.张朝鹏等在试 由缓慢氧化过渡到快速氧化的温度区间，以作为 验中采用不同瓦斯应力作用于煤岩体，发现随载 评价煤自燃倾向性的指标，而在煤岩受到应力方 荷的不断增加，煤体的渗透特性呈现出先增后减 面主要考虑渗透率的大小对瓦斯流动的影响.目 的趋势.周福宝等开展了不同氧气条件下的煤 前，浅层煤炭资源随着开采频率过高表现出日渐 自燃实验，表明氧气浓度降低产生的“滞后效应” 枯竭的趋势，对开采埋藏较深的煤层迫在眉睫.埋 会造成煤自燃预测的误报，文虎等进行了不同 藏深、温度高产生的热-应力危害成为煤矿开采过 种类煤体的程序升温实验，对各煤体的指标气体 程中最突出的影响.煤体的自燃特性在热-应力作 对指标性气体的函数模型分析，通过指标气体浓 用下发生改变，若参考以往评价煤自燃倾向性的方 度和温度，确定出煤自燃过程中各阶段适宜的指 法，会造成对防治煤自燃实际的误判.但如今对热- 标性气体.朱建国等阁优选出不同种含水率的长 应力影响的高温矿井评价煤自燃倾向性的温度指 焰煤各指标气体的温度范围，完善了采空区长期 标研究较少，因此，引入一种稳定组态跃迁到另一
TCO THY T ′ CO T ′ HY TCO TCO catastrophic temperature (characterization of CO) and (characterization of oxygen consumption rate), and critical temperature (characterization of CO) and (characterization of oxygen consumption rate), and analyzed the variation of different characteristic parameters with uniaxial stress. The analysis results show that the pyrolysis gas concentration, apparent activation energy, and oxygen consumption rate follow a cubic function law that first increases, then decreases, and then increases with increases in the uniaxial stress (the critical axial pressures at 1.8 and 5.5 MPa). At 1.8 MPa, the apparent activation energy and various parameter values are lowest, the oxygen reaction rate of coal is fastest, and the oxygen consumption rate is the highest. When the uniaxial stress is 5.5 MPa, the oxygen consumption rate is the highest, the greatest number of new cracks is created, and the characteristic parameters have the greatest impact. The temperature index of spontaneous coal combustion slowly transitions to rapid oxidation, and the catastrophic temperature characterized by the CO concentration is the most accurate. The research results have important theoretical guiding significance for the early warning and prevention and control of spontaneous combustion of coal at different buried depths. KEY WORDS coal spontaneous combustion； uniaxial stress； catastrophe temperature； critical temperature； grey relational degree； numerical fitting 煤自燃不仅制约着煤炭行业的可持续发展， 还对矿产资源的保护造成极大威胁. 但我国煤炭 蕴藏条件复杂，各类煤层自燃灾害发生时伴随着 COx，SOx，NOx 等有毒有害气体的产生，每年因煤 自燃造成的 CO 排放量达 10.3 万吨、烟尘达 1.05 万吨. 为预防煤自燃灾害的产生，掌握煤层自燃氧 化的发展程度，国内外学者开展了一系列实验与 理论研究. 围岩应力、指标气体和温度之间的对 应关系，对预测煤自燃发火有着重要意义[1] . 赵宏 刚等[2] 进行了原煤加载实验，将煤样偏应力、渗透 率与应变的关系划分为 3 个阶段，发现加卸载速 率比越小，应力越大，煤的瓦斯渗透率和体变形越 大. 娄全等[3] 分析了煤在单轴压缩破坏过程中电 信号的频谱特征，表明在后期载荷加大的作用下， 演化出次生裂纹和煤块与主体之间剥离的现象. 娄全等[3] 采用损伤力学分析了三种煤岩在扫描电 镜下的变形特征，结果表明随损伤变量减小，煤岩 由塑性破坏向脆性破坏转变. 于永江等[4] 研究了 围压、偏应力及温度对型煤渗透率的影响，表明围 压和温度会使煤样的渗透率降低，随着偏应力的 增加，煤样渗透率先降低后增加. 张朝鹏等[5] 在试 验中采用不同瓦斯应力作用于煤岩体，发现随载 荷的不断增加，煤体的渗透特性呈现出先增后减 的趋势. 周福宝等[6] 开展了不同氧气条件下的煤 自燃实验，表明氧气浓度降低产生的“滞后效应” 会造成煤自燃预测的误报. 文虎等[7] 进行了不同 种类煤体的程序升温实验，对各煤体的指标气体 对指标性气体的函数模型分析，通过指标气体浓 度和温度，确定出煤自燃过程中各阶段适宜的指 标性气体. 朱建国等[8] 优选出不同种含水率的长 焰煤各指标气体的温度范围，完善了采空区长期 浸水煤自燃预测体系. 唐洪等[9] 对煤样进行充氮 40 ℃ 恒温处理后进行程序升温实验，通过比较预 报煤自燃指标，得出 CO、C2H4、CO/CO2 浓度比可 作为主要指标. 仲晓星等[10] 提出了程序升温下的 煤自燃临界温度的测试方法，通过 CO 的浓度与温 度的变化建立了临界温度的计算模型. Kondratiev 与 Ilyushechkin[11] 分析了对煤灰渣结晶对矿渣的黏 度，临界黏度温度，熔渣的流动特性，这 3 个因素 的复杂影响. Gbadamosi 等[12] 利用回归分析将煤 样的风干率、干率、干粉尘率与煤自燃倾向性指 数联系起来，通过交叉点温度、煤自燃快速氧化速 率、FCC 和 Wits-Ehac 实验进行评估，发现交叉点 温度表现煤自燃倾向性最准确. 焦新明等[13] 探究 了煤样粒径、水分含量和气体流量对煤临界温度 测定结果的影响. 张宏敏[14] 通过实验中以 CO2 为 气体介质，得到了全应力−应变过程中随压力的增 加，砂岩的渗透率的变化率会随之减小. 以往，对预防煤自燃的关注点主要是煤自燃 热解指标气体数据的采集测试和直接测量易发火 地区的煤岩温度，通过比较煤样的变质程度、含水 率、氧浓度氛围的定性定量分析结果，得到煤自燃 由缓慢氧化过渡到快速氧化的温度区间，以作为 评价煤自燃倾向性的指标，而在煤岩受到应力方 面主要考虑渗透率的大小对瓦斯流动的影响. 目 前，浅层煤炭资源随着开采频率过高表现出日渐 枯竭的趋势，对开采埋藏较深的煤层迫在眉睫. 埋 藏深、温度高产生的热−应力危害成为煤矿开采过 程中最突出的影响. 煤体的自燃特性在热−应力作 用下发生改变，若参考以往评价煤自燃倾向性的方 法，会造成对防治煤自燃实际的误判. 但如今对热− 应力影响的高温矿井评价煤自燃倾向性的温度指 标研究较少，因此，引入一种稳定组态跃迁到另一 徐永亮等： 单轴应力下烟煤氧化‒自燃灾变温度 · 1313 ·
·1314 工程科学学报，第43卷，第10期 种稳定组态的现象和规律，符合煤自燃发展过程， 煤体的多孔介质表面接触后，会发生一系列氧化 可对煤自燃倾向温度指标进行描述，即突变理论 反应.伴随着氧化反应的进行，煤体放热大于向外 本文通过荷载加压煤自燃特性参数测定装置 部散失的热量时，煤体的温度不断积累，直至达到 对煤样进行热力学实验，基于突变理论，结合实验 燃点发生燃烧.具体来说，煤属于有机大分子物 方法得到煤自燃缓慢氧化到快速氧化转换时的突 质，煤自燃生成气体产物主要是因为分子的侧链 变温度：针对未来煤矿开采过程中存在的地应力、 基团发生化学反应，如羟基（一OH)、乙烯基团 高地温等特点，研究破碎煤体在轴压加载过程中 (C=C)、烷基（一CH2一CH3)、含氮和含硫的双键 的自燃作用机制，以及氧化动力学规律，对解决采 基团等 空区应力场的动态变化，空隙率的非均匀分布，完 煤氧复合理论指出，煤在低温氧化过程中产 善矿井火灾防控的理论体系.本文通过试验煤样 生了不稳定的过氧化物，过氧化物进而分解产生 在贫氧环境下程序升温过程反应速率、温度等参 CO、CO2、HO、CH4等产物.对煤样进行不同单 数确定不同轴压下的煤自燃的临界温度，优化在 轴应力下的程序升温试验，结合突变和临界温度， 应力作用下煤氧化一燃烧特性的评价指标.突变温 运用煤氧复合学说分析轴压对煤氧化进程的影响 度和临界温度可表征煤自燃倾向性，准确把握测 规律 试煤样氧化阶段的转折点和氧化动力学参数的突 2.1轴压对煤氧化生成一氧化碳影响分析 变点，对实际生产过程不同埋藏深度煤自燃的发 对荷载加压试验测得煤低温氧化过程中气体 展阶段预测和引发的煤火灾害防治具有重要理论 浓度进行整理分析，其中CO气体生成量与轴压的 指导意义 关系如图1.可以看出，实验煤样升温过程中CO 1煤氧化热解实验 体积分数变化的趋势相同，呈现指数型上升趋势， 而体积分数和生成初始温度在不同轴压下有着明 实验系统主要运用自主研发的荷载加压煤自 显的不同 燃特性参数测试装置阿，主要由供气装置、荷载加 60000 压煤自燃特性测定装置、气相色谱分析仪装置以 -Uniaxial stress=0 MPa ◆Uniaxial stress=2MPa 及数据采集系统组成 A-Uniaxial stress=4 MPa 45000 -Uniaxial stress=6 MPa 本文采用煤样为新疆硫磺沟矿区烟煤进行实验 Uniaxial stress=8 MPa 荷载加压实验中，筛选并称重了0.6~2.0mm粒 230000 径的煤样5份，每份0.8kg进口气体为在气密性良 好的情况下的标气，将供气流量调节为1200 mL'min 15000 8 程序升温过程为1℃min,调节应力为0、2、4、 6和8MPa,每隔20s测点记录1次数据，每隔12℃ 100 200 300 400 500 向气相色谱分析仪通1次气体，当煤温上升速度 Temperature/℃ 很快不能达到每隔12℃进一次气样的条件时，每 因1程序升温C0体积分数随温度关系变化曲线 隔15min进一次气样.具体煤样工业分析见表l, Fig.I Changes in CO volume fraction with increases in temperature in 其中M,A,V,FC分别为煤中的水分、灰分、挥发 temperature-programmed experiments 分和固定碳4个分析项目指标的测定总称，ad为 (1)在较高轴压8MPa下的CO生成初始温度 空气干燥基；daf为无灰干燥基 有着明显的滞后现象，在温度达到300℃后化学 吸附增强，气体浓度快速增加，而在轴压为0、2、 表1实验煤样的工业分析与元素分析（质量分数） 4和6MPa的轴压下，C0气体在为100℃之前时 Table 1 Proximate and ultimate analyses for the experimental coal % 就可以明显检测到：轴压较高的煤样较程序升温 Proximate analysis Ultimate analysis 时，CO的滞后现象较为明显 Aad Vdar FCad Ndaf (2)实验结束时，最终CO气体浓度差别不大 6.4315.7141.5136.3570.86 5.44 0.69 其中6MPa轴压下的煤样CO体积分数最高为 49340×10;轴压为2MPa时的最终浓度相对较 2数据结果及分析 低，为41210×106；0、4和8MPa轴压下的生成量 煤是一种具有氧化活性的多孔介质.氧气与 较为接近
种稳定组态的现象和规律，符合煤自燃发展过程， 可对煤自燃倾向温度指标进行描述，即突变理论. 本文通过荷载加压煤自燃特性参数测定装置 对煤样进行热力学实验，基于突变理论，结合实验 方法得到煤自燃缓慢氧化到快速氧化转换时的突 变温度；针对未来煤矿开采过程中存在的地应力、 高地温等特点，研究破碎煤体在轴压加载过程中 的自燃作用机制，以及氧化动力学规律，对解决采 空区应力场的动态变化，空隙率的非均匀分布，完 善矿井火灾防控的理论体系. 本文通过试验煤样 在贫氧环境下程序升温过程反应速率、温度等参 数确定不同轴压下的煤自燃的临界温度，优化在 应力作用下煤氧化−燃烧特性的评价指标. 突变温 度和临界温度可表征煤自燃倾向性，准确把握测 试煤样氧化阶段的转折点和氧化动力学参数的突 变点，对实际生产过程不同埋藏深度煤自燃的发 展阶段预测和引发的煤火灾害防治具有重要理论 指导意义. 1 煤氧化热解实验 实验系统主要运用自主研发的荷载加压煤自 燃特性参数测试装置[15] ，主要由供气装置、荷载加 压煤自燃特性测定装置、气相色谱分析仪装置以 及数据采集系统组成. 本文采用煤样为新疆硫磺沟矿区烟煤进行实验. 荷载加压实验中，筛选并称重了 0.6～2.0 mm 粒 径的煤样 5 份，每份 0.8 kg. 进口气体为在气密性良 好的情况下的标气，将供气流量调节为 1200 mL·min−1 . 程序升温过程为 1 ℃·min−1，调节应力为 0、2、4、 6 和 8 MPa，每隔 20 s 测点记录 1 次数据，每隔 12 ℃ 向气相色谱分析仪通 1 次气体，当煤温上升速度 很快不能达到每隔 12 ℃ 进一次气样的条件时，每 隔 15 min 进一次气样. 具体煤样工业分析见表 1， 其中 M，A，V，FC 分别为煤中的水分、灰分、挥发 分和固定碳 4 个分析项目指标的测定总称，ad 为 空气干燥基；daf 为无灰干燥基. 表 1 实验煤样的工业分析与元素分析（质量分数） Table 1 Proximate and ultimate analyses for the experimental coal % Proximate analysis Ultimate analysis Mad Aad Vdaf FCad Cdaf Hdaf Ndaf 6.43 15.71 41.51 36.35 70.86 5.44 0.69 2 数据结果及分析 煤是一种具有氧化活性的多孔介质. 氧气与 煤体的多孔介质表面接触后，会发生一系列氧化 反应. 伴随着氧化反应的进行，煤体放热大于向外 部散失的热量时，煤体的温度不断积累，直至达到 燃点发生燃烧. 具体来说，煤属于有机大分子物 质，煤自燃生成气体产物主要是因为分子的侧链 基团发生化学反应 ，如羟基（−OH）、乙烯基团 （C=C）、烷基（−CH2−CH3）、含氮和含硫的双键 基团[16] 等. 煤氧复合理论指出，煤在低温氧化过程中产 生了不稳定的过氧化物，过氧化物进而分解产生 CO、CO2、H2O、C2H4 等产物. 对煤样进行不同单 轴应力下的程序升温试验，结合突变和临界温度， 运用煤氧复合学说分析轴压对煤氧化进程的影响 规律. 2.1 轴压对煤氧化生成一氧化碳影响分析 对荷载加压试验测得煤低温氧化过程中气体 浓度进行整理分析，其中 CO 气体生成量与轴压的 关系如图 1. 可以看出，实验煤样升温过程中 CO 体积分数变化的趋势相同，呈现指数型上升趋势， 而体积分数和生成初始温度在不同轴压下有着明 显的不同. 0 100 200 300 400 500 0 15000 30000 45000 60000 CO volume fraction/10−6 Temperature/℃ Uniaxial stress=0 MPa Uniaxial stress=2 MPa Uniaxial stress=4 MPa Uniaxial stress=6 MPa Uniaxial stress=8 MPa 图 1 程序升温 CO 体积分数随温度关系变化曲线 Fig.1 Changes in CO volume fraction with increases in temperature in temperature-programmed experiments （1）在较高轴压 8 MPa 下的 CO 生成初始温度 有着明显的滞后现象，在温度达到 300 ℃ 后化学 吸附增强，气体浓度快速增加，而在轴压为 0、2、 4 和 6 MPa 的轴压下，CO 气体在为 100 ℃ 之前时 就可以明显检测到；轴压较高的煤样较程序升温 时，CO 的滞后现象较为明显. （2）实验结束时，最终 CO 气体浓度差别不大. 其 中 6 MPa 轴压下的煤 样 CO 体积分数最高 为 49340×10−6；轴压为 2 MPa 时的最终浓度相对较 低 ，为 41210×10−6 ；0、4 和 8 MPa 轴压下的生成量 较为接近. · 1314 · 工程科学学报，第 43 卷，第 10 期
徐永亮等：单轴应力下烟煤氧化-自燃灾变温度 1315 2.2轴压对煤氧化进程生成烃类气体影响分析 隙，促进了煤样与氧气的反应，因此在温度较低时 通过程序升温实验测得烃类指标性气体体积 就可检测到CO、C2H4的产生，且最终的气体体积 分数，选取具有代表性的C2H4气体进行分析，产 分数较高.单轴应力为8MPa时的CO、CH4气体 生烃类气体浓度与温度的关系如图2所示. 初始温度均较高，是因为8MPa的轴压将煤样的 压实程度高，空隙结构被压实，煤与氧气的接触面 800 Uniaxial stress=0 MPa 积减少，接触热阻减小，在经过程序升温后煤样热 Uniaxial stress=2 MPa 量大量积累，化学活性增强，吸氧能力加速，大分 600 Uniaxial stress=4 MPa Uniaxial stress=6 MPa Uniaxial stress=8 MPa 子结构断裂速度加快，暴露的活性结构剧增，在短 400 时间内发生剧烈的煤氧反应所致：在炉壁对煤样 传热的同时，煤样本身在温度较高时也发生剧烈 200 的氧化反应放出热量，致使煤温升高，气体浓度不 0 断增高 各单轴应力下的煤样在程序升温过程中产生 0 100 200300 400 500 Temperature/C 的气体由于受应力的作用，对煤样的物化性质产 图2程序升温C,H浓度随温度关系变化曲线 生影响，产生的气体由物理、化学吸附转化为化学 Fig.2 Changes in CH volume fraction with increases in temperature in 反应时的温度改变：造成煤的结构发生改变，孔隙 temperature-programmed experiments 氧气接触的面积改变.由于外在应力对气体初始 由图2对实验数据分析可看出，煤自燃氧化 温度的滞后现象较为明显，导致氧化产物的浓度 C,H4气体体积分数和突变温度受轴压的影响较 和突变温度相对滞后，若将贫氧环境下煤体所受 大，在应力的影响下突变温度总体呈现滞后现象， 的应力为实验中0MPa去考虑，按照未加应力条 即：煤样受到的轴压越高，C2H4气体生成的突变温 件下煤自燃指标气体生成规律与温度的关系来预 度越高，同时产气时间滞后：单轴应力越低，最终 测自燃进程，会造成对煤自燃发火的误判，不能准 气体体积分数越小.由此可知，轴压升高抑制了煤 确的把握自燃防治的最佳时机. 自燃快速氧化的进程和烃类气体产生的起始温 3热-力耦合下煤样氧化升温特性 度，对实验数据进行分析可得： (1)施加轴压会使生成C2H4初始温度升高，单 3.1煤样表观活化能计算分析 轴应力8MPa时，C2,H4生成的初始温度在400℃ 煤样与氧气在低温氧化过程中，可以通过活 之后，而相对于原煤样，CH4的气体体积浓度在温 化能的大小表观煤氧复合反应的难易程度.查阅 度为200℃之后就非常明显，表明单轴应力造成 文献17-18)，可得计算表观活化能式，如下： 的滞后现象较为明显；其中单轴应力为6MPa时 VAo 的C2H4生成初始温度为137℃，相对于其他单轴 8,-c62- In- C6, RT+In (1) 应力下的煤样，产气初始温度最低 (2)不同单轴应力下煤样在氧化过程中C2H4 式中：C8,为温度T时刻时，进口的氧浓度，mol-cm3 气体体积分数有不同的变化，单轴应力为6MPa C6,为煤样罐出口氧浓度，mol-cm;Ea为表观活化 最终体积浓度最高，达到785.1×106，而在单轴应 能，Jmol;R为摩尔气体常量，取8.314 J.mol-.K; 力为4MPa时，其浓度为288.8×10；相对于原煤 T为热力学温度，K;V为加热炉体的体积，m3:Ao为 样，在单轴应力为6和8MPa时的气体浓度较高， 指前因子，s;Q为供风流量，mols.通过式(1) 2和4MPa的单轴应力下较低 8。-C必与的一次函数斜率关系，可得到表观 In- 2.3单轴应力对气体影响的综合分析 对于强还原性的烟煤，在程序升温中氧化程 活化能Ea,如图3所示 度非常剧烈，不同的单轴应力作用于煤样时，生成 单轴应力的作用下，炉内煤样的孔隙结构会 CO、C2H4的初始温度总体上有滞后现象，在施加 使煤的视密度发生改变，根据公式p=-(, (e 单轴应力时，气体体积分数随单轴应力变化；其中 为煤样的真密度和视密度)计算煤的孔隙率；其 6MPa轴压时，煤样在压力作用下产生了自由基， 中视密度可通过煤样的质量与体积比求得，不同 应力的作用下原本压实的煤样产生了更多的裂 单轴应力下的煤孔隙率如表2所示
2.2 轴压对煤氧化进程生成烃类气体影响分析 通过程序升温实验测得烃类指标性气体体积 分数，选取具有代表性的 C2H4 气体进行分析，产 生烃类气体浓度与温度的关系如图 2 所示. 0 100 200 300 400 500 0 200 400 600 800 C H2 4 volume fraction/10−6 Uniaxial stress=0 MPa Uniaxial stress=2 MPa Uniaxial stress=4 MPa Uniaxial stress=6 MPa Uniaxial stress=8 MPa Temperature/℃ 图 2 程序升温 C2H4 浓度随温度关系变化曲线 Fig.2 Changes in C2H4 volume fraction with increases in temperature in temperature-programmed experiments 由图 2 对实验数据分析可看出，煤自燃氧化 C2H4 气体体积分数和突变温度受轴压的影响较 大，在应力的影响下突变温度总体呈现滞后现象， 即：煤样受到的轴压越高，C2H4 气体生成的突变温 度越高，同时产气时间滞后；单轴应力越低，最终 气体体积分数越小. 由此可知，轴压升高抑制了煤 自燃快速氧化的进程和烃类气体产生的起始温 度，对实验数据进行分析可得： （1）施加轴压会使生成 C2H4 初始温度升高，单 轴应力 8 MPa 时 ，C2H4 生成的初始温度在 400 ℃ 之后，而相对于原煤样，C2H4 的气体体积浓度在温 度为 200 ℃ 之后就非常明显，表明单轴应力造成 的滞后现象较为明显；其中单轴应力为 6 MPa 时 的 C2H4 生成初始温度为 137 ℃，相对于其他单轴 应力下的煤样，产气初始温度最低. （2）不同单轴应力下煤样在氧化过程中 C2H4 气体体积分数有不同的变化，单轴应力为 6 MPa 最终体积浓度最高，达到 785.1×10−6，而在单轴应 力为 4 MPa 时，其浓度为 288.8×10−6；相对于原煤 样，在单轴应力为 6 和 8 MPa 时的气体浓度较高， 2 和 4 MPa 的单轴应力下较低. 2.3 单轴应力对气体影响的综合分析 对于强还原性的烟煤，在程序升温中氧化程 度非常剧烈，不同的单轴应力作用于煤样时，生成 CO、C2H4 的初始温度总体上有滞后现象，在施加 单轴应力时，气体体积分数随单轴应力变化；其中 6 MPa 轴压时，煤样在压力作用下产生了自由基， 应力的作用下原本压实的煤样产生了更多的裂 隙，促进了煤样与氧气的反应，因此在温度较低时 就可检测到 CO、C2H4 的产生，且最终的气体体积 分数较高. 单轴应力为 8 MPa 时的 CO、C2H4 气体 初始温度均较高，是因为 8 MPa 的轴压将煤样的 压实程度高，空隙结构被压实，煤与氧气的接触面 积减少，接触热阻减小，在经过程序升温后煤样热 量大量积累，化学活性增强，吸氧能力加速，大分 子结构断裂速度加快，暴露的活性结构剧增，在短 时间内发生剧烈的煤氧反应所致；在炉壁对煤样 传热的同时，煤样本身在温度较高时也发生剧烈 的氧化反应放出热量，致使煤温升高，气体浓度不 断增高. 各单轴应力下的煤样在程序升温过程中产生 的气体由于受应力的作用，对煤样的物化性质产 生影响，产生的气体由物理、化学吸附转化为化学 反应时的温度改变；造成煤的结构发生改变，孔隙 氧气接触的面积改变. 由于外在应力对气体初始 温度的滞后现象较为明显，导致氧化产物的浓度 和突变温度相对滞后，若将贫氧环境下煤体所受 的应力为实验中 0 MPa 去考虑，按照未加应力条 件下煤自燃指标气体生成规律与温度的关系来预 测自燃进程，会造成对煤自燃发火的误判，不能准 确的把握自燃防治的最佳时机. 3 热‒力耦合下煤样氧化升温特性 3.1 煤样表观活化能计算分析 煤样与氧气在低温氧化过程中，可以通过活 化能的大小表观煤氧复合反应的难易程度. 查阅 文献 [17−18]，可得计算表观活化能式，如下： ln C 0 O2 −C L O2 C L O2 = − Ea RT +ln( VA0 Q ) （1） C 0 O2 C L O2 Ea T A0 Q ln C 0 O2 −C L O2 C L O2 1 T Ea 式中： 为温度 T 时刻时，进口的氧浓度，mol·cm−3 ； 为煤样罐出口氧浓度，mol·cm−3 ； 为表观活化 能，J·mol−1 ；R 为摩尔气体常量，取 8.314 J·mol−1·K−1 ； 为热力学温度，K；V 为加热炉体的体积，m 3 ； 为 指前因子，s −1 ； 为供风流量，mol·s−1 . 通过式（1） 与 的一次函数斜率关系，可得到表观 活化能 ，如图 3 所示. φ = φr −φa φr φr φa 单轴应力的作用下，炉内煤样的孔隙结构会 使煤的视密度发生改变，根据公式 （ ， 为煤样的真密度和视密度）计算煤的孔隙率；其 中视密度可通过煤样的质量与体积比求得，不同 单轴应力下的煤孔隙率如表 2 所示. 徐永亮等： 单轴应力下烟煤氧化‒自燃灾变温度 · 1315 ·