張辛亥，周山林，拓龍龍，侯欽元

(1.西安科技大學 安全科學與工程學院，陜西 西安 710054；2.西安科技大學 陜西省煤火災害防治重點實驗室，陜西 西安 710054；3.石拉烏素煤礦 內(nèi)蒙古 鄂爾多斯 017212)

0 引 言

在全球范圍內(nèi)，世界上所有產(chǎn)煤國都存在不同程度地地下煤層燃燒現(xiàn)象，嚴重制約著礦井生產(chǎn)[1]。此外，煤火逐漸蔓延，燃燒區(qū)域不斷擴大，不僅易造成地表塌陷，還會產(chǎn)生大量的有毒有害氣體，如SO2,NOX等，從而嚴重污染環(huán)境[2-3]。在煤火蔓延過程中熱能主要通過熱傳導、熱對流以及熱輻射來實現(xiàn)熱能的傳遞，其中熱傳導為主要傳熱方式，表征其熱傳導特性的參數(shù)主要有熱擴散系數(shù)、比熱容和導熱系數(shù)[4-5]。國內(nèi)外學者通過實驗研究以及數(shù)值模擬對熱物性參數(shù)的演變規(guī)律方面進行了一系列的研究。Wen等發(fā)現(xiàn)煤的熱擴散系數(shù)隨溫度升高而逐漸減小，而比熱容以及導熱系數(shù)呈現(xiàn)出增大的趨勢[6]；Deng等研究煤在不同氣氛中熱物性參數(shù)的變化趨勢，并建立了經(jīng)驗模型，此外，通過敏感性分析，得出在此階段煤的比熱容對溫度更敏感[7-8]；Zhumagulov等研究發(fā)現(xiàn)溫度越高煤的導熱系數(shù)越大，并研究比熱容與導熱系數(shù)的關系[9]；肖旸等研究氧化后的煤樣在氮氣氣氛中對溫度的敏感性，發(fā)現(xiàn)預氧化溫度越高，煤樣對溫度的敏感性越低[10]；文虎等研究了不同變質(zhì)程度的煤的熱物性參數(shù)，發(fā)現(xiàn)熱擴散系數(shù)和導熱系數(shù)隨著揮發(fā)分含量的升高而逐漸降低，然而比熱容呈現(xiàn)出逐漸升高的趨勢[11]；Melchior等研究發(fā)現(xiàn)煤的比熱容隨著溫度的升高而增大[12]；Herrin等研究不同的煤在室溫下的導熱系數(shù)，研究其工業(yè)分析與導熱系數(shù)之間的關系[13]；肖旸等通過測試原煤與預氧化煤樣的力學特性和熱傳導熱性，研究其力學參數(shù)和導熱系數(shù)之間的關聯(lián)性[14]；褚廷湘等建立了含水松散煤體的物理模型，通過數(shù)值模擬研究水分相變對松散煤體導熱性的影響[15]。實驗主要研究預氧化處理后的煤在空氣氣氛中的熱物性參數(shù)隨溫度的變化規(guī)律。首先，實驗煤樣預先在程序升溫裝置中分別氧化升溫至80、120、150和200℃，制備預氧化煤樣。然后，使用激光導熱儀FLA457測量原煤以及預氧化煤的熱物性參數(shù)，獲取煤樣的熱物性參數(shù)，從而研究原煤以及預氧化煤的熱物性參數(shù)隨溫度的變化規(guī)律，對比分析原煤與氧化后的煤的熱傳遞規(guī)律。實驗結(jié)果對于了解煤層復燃和火災蔓延過程中的傳熱具有指導意義。

1 實驗和方法

1.1 實驗儀器以及原理

采用LFA 457激光導熱儀，如圖1所示。此儀器由加熱爐、紅外檢測器以及數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)和激光加熱系統(tǒng)組成。其工作原理為激光器發(fā)生器發(fā)射一束激光照射在薄片的下表面，薄片下表面溫度升高，致使熱量逐漸朝著上表面?zhèn)鬟f。紅外檢測器檢測出薄片上表面中心溫度變化，從而得到煤的熱擴散系數(shù)。根據(jù)Parker & Jenkins和Cowan等人提出的熱擴散系數(shù)模型方程(1)[16-18]，熱擴散系數(shù)可被計算

圖1 激光導熱儀Fig.1 Laser pyrometer apparatus

(1)

煤樣的比熱容由公式(2)計算

(2)

式中 ΔTsam和ΔTstd為實驗和標準樣品受到輻射后的最大升高溫度，K；msam和mstd是實驗和標準樣品的質(zhì)量，g；Csam和Cstd為實驗和標準樣品的比熱容，J/(g·K)。

依據(jù)式(1)(2)得到的熱擴散系數(shù)和比熱容，實驗煤樣的導熱系數(shù)可根據(jù)公式(3)計算

λ(T)=α·ρ·Csam

(3)

式中λ為導熱系數(shù)，W/cm·K；ρ為密度，g/cm3.

1.2 實驗樣品

實驗煤樣采集于山東省興隆莊煤礦氣煤，其工業(yè)分析見表1.將取自于井下的新鮮煤樣袋裝并密封，開袋后取出塊煤的中心部分，粉碎研磨，粒徑低至0.106 mm，保證氧化充分。將煤樣分為5組，編號為A，B，C，D和E.其中B，C，D和E分別在程序升溫裝置中氧化升溫至80，120，150和200 ℃，并維持恒溫2 h，A組為原煤，作為對比。稱取適量的原煤與預氧化煤，將其壓成薄片，如圖2所示。每組煤樣分別壓取2個薄片，基本屬性見表2.

表1 煤樣的工業(yè)分析

圖2 部分實驗煤樣Fig.2 Each experimental samples

屬性標號重量/(g·10-3)直徑/cm厚度/cm密度/(g·cm-3)常溫A1148.71.2890.0961.179A2149.31.290.0971.17880 ℃B1146.71.2910.0991.134B2147.51.2890.0981.153120 ℃C1146.11.2920.0971.152C2147.21.2910.0991.135150 ℃D1147.31.2910.0981.152D2146.91.2890.0971.160200 ℃E1148.21.290.1021.112E2147.61.2910.1001.127

1.3 實驗條件

分別將煤樣薄片A，B，C，D和E放入儀器樣品支架后，通入空氣風流，流速恒定為100 mL/min，升溫速率為1 ℃/min.煤樣的測試溫度范圍為30～300 ℃，溫度采集點為溫度每升高30 ℃，熱物性參數(shù)數(shù)據(jù)采集1次，每個數(shù)據(jù)采集點閃射3次，求取均值。

2 結(jié)果與討論

2.1 熱物性參數(shù)變化規(guī)律

煤樣的熱擴散系數(shù)隨溫度的變化如圖3(a)所示。在30～210 ℃之間，隨著溫度的升高，煤樣熱擴散系數(shù)都呈現(xiàn)先減小后增大的趨勢。無序固體內(nèi)的傳熱主要包括2種振動模式：傳播和擴散[19]。傳播聲子的振動模式與聲子之間傳熱的平均自由路徑有關，聲子之間的平均自由路徑越大，熱擴散率越高。隨著溫度的升高，晶格結(jié)構(gòu)的振動變得更強，聲子之間碰撞的概率因此增加，導致聲子之間傳熱的平均自由路徑的減少，致使煤樣中的熱擴散率隨溫度升高而下降。在210～300 ℃內(nèi)，煤樣的熱擴散系數(shù)隨著溫度的升高逐漸增大。此階段活性結(jié)構(gòu)數(shù)量增加，反應加速，煤樣物理化學結(jié)構(gòu)的變化，造成分子無序態(tài)增加，致使在210～300 ℃之間煤樣的熱擴散系數(shù)增加。在相同溫度下，隨著預氧化溫度的增加，熱擴散系數(shù)呈現(xiàn)出先增大后減小的變化趨勢，煤樣B的熱擴散系數(shù)最大。這是由于隨著預氧化溫度的升高，煤樣的揮發(fā)分、水分等揮發(fā)，造成煤樣中的部分原生孔隙封堵以及新生孔隙的生成。安雪梅等發(fā)現(xiàn)當預氧化溫度為50～80 ℃時，煤樣的孔隙結(jié)構(gòu)逐漸減小，而當預氧化溫度高于80℃時，孔隙結(jié)構(gòu)逐漸增多?？赡苁且驗槊簶又械目紫督Y(jié)構(gòu)相對較少，造成煤整體結(jié)構(gòu)致密。此外，當預氧化溫度超過80 ℃，煤樣的孔隙增多增大，導致煤樣熱擴散系數(shù)降低。

煤樣的比熱容隨溫度的變化如圖3(b)所示。隨著溫度升高，煤樣的比熱容逐漸增大。但當溫度超過210 ℃后，煤樣的比熱容增大趨勢逐漸減緩。隨著溫度的升高，煤樣中內(nèi)部分子熱運動加劇，晶格總能量增大。因此，比熱容增加，是因為吸收更多熱能可以以動能的形式保持。210～300 ℃比熱容增大趨勢減緩，有文獻表明比熱容的變化與煤中揮發(fā)分以及水分含量有關，揮發(fā)分含量越高，比熱容越大。因此推斷隨著溫度的增加，揮發(fā)分含量趨于不變。在同一溫度下，原煤樣的比熱容與預氧化煤樣的比熱容相比，原煤樣的比熱容最大，表明氧化后的煤中揮發(fā)分、水分等發(fā)生相變，逐漸減少，引起預氧化煤樣的比熱容降低。

煤樣的導熱系數(shù)隨溫度的變化如圖3(c)所示。隨著溫度的升高，煤樣的導熱系數(shù)逐漸增大，當溫度超過210 ℃，煤樣的導熱系數(shù)快速增大。在30～210 ℃之間，煤樣的導熱系數(shù)緩慢增加，是因為比熱容的增長率高于熱擴散系數(shù)的下降率；在210～300 ℃，煤樣的熱擴散系數(shù)增加，比熱容趨于穩(wěn)定，導熱系數(shù)迅速增加。在相同溫度下，隨著預氧化溫度的增大，煤樣的導熱系數(shù)逐漸減小。

圖3 熱物性參數(shù)隨溫度的變化趨勢Fig.3 Tendency of thermophysical parameters versus temperature

2.2 熱物性參數(shù)擬合

為了揭示熱物性參數(shù)與溫度之間的關系，根據(jù)式(4)(5)(6)分別對熱擴散系數(shù)、比熱容以及導熱系數(shù)進行擬合，如圖4所示，擬合參數(shù)見表3，表4和表5.擬合度越高，表明式(4)、(5)和(6)適用于揭示熱物理參數(shù)與溫度之間的關系。

圖4 熱物性參數(shù)的擬合曲線Fig.4 Fitting curve of thermophysical parameters

煤樣a0a1a2a3R2A0.122-4.12E-47.13E-71.28E-90.987B0.123-3.71E-44.44E-71.84E-90.990C0.113-2.56E-4-1.61E-72.70E-90.994D0.104-1.56E-4-6.86E-73.51E-90.991E0.097-1.90E-4-2.92E-72.37E-90.993

表4 比熱容的擬合參數(shù)

表5 導熱系數(shù)的擬合參數(shù)

f1(x)=a0+a1x+a2x2+a3x3

(4)

f2(x)=b0+b1x+b2x2+b3x3+b4x4

(5)

f3(x)=c0+c1x+c2x2+c3x3

(6)

式中x為溫度，T；f(x)為熱物性參數(shù)；a0,a1,a2以及a3和b0,b1,b2,b3以及b4和c0,c1,c2和c3為擬合參數(shù)；M為截距；R2為擬合度。

2.3 敏感性分析

依據(jù)式(4)、(5)和(6)得到的熱物性參數(shù)與溫度之間的關系，對其求取一階微分得到每個數(shù)據(jù)采集點的變化率，如圖5所示。

從圖5(a)可看出，隨著溫度的升高，在30～210 ℃之間，煤樣的熱擴散系數(shù)的變化率逐漸減小，當溫度超過210 ℃后，熱擴散系數(shù)變化率增大。在相同溫度下，煤樣的熱擴散系數(shù)變化率隨著預氧化溫度的升高而逐漸減少。這是由于隨著預氧化溫度的升高，煤中的聲子數(shù)逐漸增多，并逐漸趨于飽和狀態(tài)，導致其對溫度的敏感性降低。從圖5(b)可看出，煤樣的比熱容變化率隨著溫度的升高逐漸降低，表明煤樣的比熱容隨著溫度升高逐漸趨于平穩(wěn)。在相同溫度下，煤樣D的比熱容變化率與其它煤樣相比，煤樣D的比熱容變化率最大。這可能是由于當預氧化溫度在150 ℃以下時，煤樣吸收氧氣以產(chǎn)生不穩(wěn)定的碳氧化物。不穩(wěn)定的碳氧化物越多，比熱容越敏感。從圖5(c)可看出，在30～150 ℃之間，隨著溫度的升高，導熱系數(shù)的變化率逐漸減小，當溫度超過150 ℃后，導熱系數(shù)的變化率逐漸增大，表明導熱系數(shù)呈現(xiàn)出先緩慢增加后快速增大。在相同溫度下，隨著預氧化溫度的增大，導熱系數(shù)的變化率逐漸減小。此外，比熱容的變化率與熱擴散系數(shù)以及導熱系數(shù)的變化率相比，比熱容的變化率最大，表明比熱容對溫度更敏感。

3 結(jié) 論

1)在30～210 ℃之間，隨著溫度的升高，煤樣熱擴散系數(shù)逐漸減小，比熱容逐漸增大，導熱系數(shù)逐漸增大。當溫度超過210 ℃，煤樣的熱擴散系數(shù)逐漸增大，比熱容增大趨勢趨于平穩(wěn)，導熱系數(shù)快速增大。

2)在相同溫度下，隨著預氧化溫度的增加，熱擴散系數(shù)呈現(xiàn)出先增大后減小的變化趨勢，并且原煤的比熱容和導熱系數(shù)均大于預氧化煤的比熱容和導熱系數(shù)，導熱系數(shù)逐漸減小，并且比熱容對溫度的敏感性最大。

3)在30～210 ℃之間，隨著溫度的升高，煤樣的熱擴散系數(shù)變化率減小，當溫度超過210 ℃，其變化率增大，并且在30～150 ℃之間，隨著溫度的升高，導熱系數(shù)的變化率減小，當溫度超過150 ℃后，其變化率增大，在30～300 ℃之間，隨著溫度的升高，比熱容變化率逐漸減小。