趙婧昱，張永利

（1.西安科技大學(xué) 安全科學(xué)與工程學(xué)院，陜西 西安 710054；2.陜西省工業(yè)過程安全與應(yīng)急救援工程技術(shù)研究中心，陜西 西安 710054；3.陜西省煤火災(zāi)害防治重點實驗室，陜西 西安 710054）

煤炭是我國的主體能源[1]，煤炭能源帶給人們便利和經(jīng)濟效益，同時也帶來了潛在的危害。不僅會破壞環(huán)境，而且會對煤礦工作人員的健康和生命帶來威脅，更嚴(yán)重時會引發(fā)礦井災(zāi)害[2-3]。煤自燃過程極其復(fù)雜，煤自燃的宏觀表現(xiàn)之一就是伴隨溫度的逐漸升高發(fā)生燃燒進而釋放熱量，在整個過程中溫度的變化起主要作用。因此，對溫度場的分布進行研究，有利于更好地闡明煤自燃發(fā)生和發(fā)展的過程，并且了解溫度的分布情況對煤自燃程度的判定也有指導(dǎo)作用[4-5]。

在理論與實驗研究方面，Xie 等[6]分析了含氧煤粉對燃燒傳熱的影響，得出其對溫度和傳熱分布有顯著影響。曾強等[7]基于燃燒過程中的放熱和散熱動態(tài)平衡，對煤自燃過程中累積放熱量和累積散熱量提出了計算方法。錢海等[8]研究了給定的熱流密度邊界、溫度值邊界和兩者組合的溫度邊界下層合梁內(nèi)溫度場的分布規(guī)律。曲國娜等[9]在流體動力及傳熱傳質(zhì)理論的基礎(chǔ)上，建立了煤自燃多場合數(shù)學(xué)模型，推導(dǎo)溫度隨風(fēng)速的變化關(guān)系。Wang 等[10]對煤自燃過程中高溫區(qū)動態(tài)演化進行了理論計算，發(fā)現(xiàn)窒息區(qū)和深部采空區(qū)之間的溫差較小，高溫區(qū)域越難以確定。譚波等[11]基于煤自燃極限參數(shù)和熱傳導(dǎo)理論，利用一維數(shù)值計算研究了采空區(qū)中不同參數(shù)的變化規(guī)律。李亞超等[12]搭建了儲煤筒倉實驗臺，分析不同測點距離、熱源強度和熱源相對位置對溫度場的影響規(guī)律。王建喬等[13]通過煤堆自燃實驗，分析了冒煙點溫度分布特征，最終確定了預(yù)警溫度。

在數(shù)值模擬方面，Rúa M 等[14]利用Comsol 軟件模擬煤自燃的傳播過程，發(fā)現(xiàn)溫度、巖體破裂程度等變化都會對煤自燃發(fā)展產(chǎn)生影響。Liu 等[15]、Wang等[16]模擬了煤自燃溫度場、滲流場等多場耦合，并進一步解釋了各場之間的關(guān)聯(lián)。岳小棟等[17]對溫度場進行了數(shù)值模擬，發(fā)現(xiàn)燃燒時長對溫度場分布起關(guān)鍵作用。Wolf 等[18]基于對滲透率的研究，建立了二維模型，得出溫度場和氧濃度場的分布情況。張紅芬等[19]結(jié)合實際工況對巷道頂部松散煤體的自燃進行了數(shù)值模擬研究，發(fā)現(xiàn)進風(fēng)口和巷道的中下部可以作為重點防治區(qū)域。卞曉鍇[20]通過對采空區(qū)溫度場的模擬研究，提出了通過煤體內(nèi)2 點間的溫度差判斷高溫點。

目前，對于煤自燃過程中溫度的變化規(guī)律已經(jīng)取得了研究成果，但是大都集中于水平自然放置狀態(tài)下的實驗裝置進行研究，對于傾斜放置方式下煤自燃溫度變化規(guī)律的研究還較為少見。因此，利用自主研發(fā)的煤自燃發(fā)展演化模擬裝置，研究傾斜放置方式下溫度的分布及變化規(guī)律。

1 實驗方法

1.1 實驗煤樣

實驗在常溫、常壓下完成。實驗所使用的煤樣是韓家灣煤樣、將煤樣從工作面采取后使用布袋密封，運送至實驗室后使用鄂式破碎機完成破碎，依據(jù)GB/T 477—2008 國標(biāo)規(guī)定，篩選出粒徑為7～10 mm的樣品以供使用。進行實驗時，實驗室內(nèi)部的溫度分別為10 ℃，濕度分別為62%。韓家灣煤樣實驗臺放置方式為傾斜45°，該實驗無外部氣源，通過實驗臺內(nèi)煤燃燒所產(chǎn)生的熱量造成實驗臺內(nèi)外溫度差異進而吸入空氣。煤樣的工業(yè)分析結(jié)果見表1，煤樣的元素分析結(jié)果見表2。

表1 煤樣的工業(yè)分析結(jié)果Table 1 Industrial analysis results of coal samples

表2 煤樣的元素分析結(jié)果Table 2 Elemental analysis results of coal samples %

由表1 和表2 可知，韓家灣煤中水分含量較高，為9.83%，灰分含量為12.99%，揮發(fā)分和固定碳分別為28.02%和56.10%。通過煤樣的元素分析結(jié)構(gòu)發(fā)現(xiàn)，煤樣中的C 元素占主體，其次為O 元素，然后為H 元素，最后為S 元素，說明煤樣屬于低硫煤。

1.2 實驗裝置

采用的實驗裝置是自行研制的煤自燃發(fā)展演化模擬臺，實驗系統(tǒng)如圖1。

圖1 實驗系統(tǒng)Fig.1 Experimental system

實驗系統(tǒng)由實驗爐體、溫度監(jiān)測裝置、液壓裝置、氣體分析裝置和污染處理裝置5 部分組成。其中，實驗爐體為長方體，長寬高分別為60 cm×60 cm×73 cm，用來盛放實驗樣品的爐體內(nèi)部尺寸為30 cm×30 cm×60 cm。爐體四周沿壁上設(shè)有直徑為1.6 cm 的測孔，用來布置溫度采集和氣體采集裝置。溫度采集裝置選用WRNK-19（K）型鎧裝熱電偶，測量范圍為0～1 200 ℃，與溫度監(jiān)測裝置相連接，在整個實驗過程中記錄溫度的變化情況，溫度監(jiān)測平臺設(shè)有20 個耐高溫溫度儀表，溫度數(shù)據(jù)記錄時間間隔可精確至1 s。氣體采集裝置使用耐高溫采集管引出，并用氣體采樣器保存供氣象色譜儀進行測試分析。

為了全面研究實驗過程中高溫區(qū)域在空間方位上的蔓延規(guī)律，在爐體每層采用十字交叉均勻地布置3 個測點，進行溫度和氣體數(shù)據(jù)的采集。測點布置圖如圖2，在爐體每層分別布置3 個測點，共5 層，總計15 個測點。測點位置見表3。

圖2 測點布置圖Fig.2 Point arrangement diagrams

表3 測點位置Table 3 Location of the measurement points

由表3 可以看出，距離右側(cè)爐壁的距離情況有5、15、25 cm 3 類。其中，1#、6#、7#、12#和13#測點所處位置到達右側(cè)爐壁的距離均為5 cm（圖3 中紅色測點）；2#、5#、8#、11#和14#測點位于爐體內(nèi)的中心位置，到達左側(cè)和右側(cè)爐壁的距離均為15 cm（圖3 中藍色測點）；3#、4#、9#、10#和13#測點到達右側(cè)爐壁的距離均為25 cm（圖3 中綠色測點）。實驗前，將溫度和氣體采集裝置按照每個測點的布置方式，插入煤體內(nèi)部。由于右側(cè)測點布置方式的不同，使得各個熱電偶和采氣裝置插入煤體的深度不同，從而能夠?qū)崿F(xiàn)均勻地、全方位地監(jiān)測爐體三維空間內(nèi)溫度分布及變化。

2 實驗結(jié)果與討論

2.1 溫度分布規(guī)律

在整個實驗中，煤樣爐體內(nèi)全部測點的溫度隨時間的延長呈現(xiàn)一定的規(guī)律，從第1 層～第5 層測點溫度隨時間變化曲線如圖3～圖7。

圖3 第1 層測點溫度隨時間變化曲線Fig.3 Temperature change curves of measuring points in the first layer with time

圖4 第2 層測點溫度隨時間變化曲線Fig.4 Temperature change curves of the measuring points in the second layer with time

圖5 第3 層測點溫度隨時間變化曲線Fig.5 Temperature change curves of the measuring points in the third layer with time

從圖3～圖7 可以發(fā)現(xiàn)，通過橫向?qū)Ρ?，每層?個測點變化情況相似，縱向?qū)Ρ龋? 層的變化情況相似，后2 層的變化情況相似。實驗初期，各測點的溫度較低，隨著時間的增加，各測點溫度不斷上升至燃點溫度后由于熱量的積聚繼續(xù)升高，達到峰值之后緩慢下降至室溫。具體來看，可以分為升溫和降溫階段。

圖7 第5 層號測點溫度隨時間變化曲線Fig.7 Temperature change curves of the measuring points in the fifth layer with time

從第1 層～第5 層的升溫階段分別為0～5 h、0～18 h、0～29 h、0～36 h 和0～68 h，經(jīng)歷的時長逐漸增大。進一步對比實驗前20 h 的變化情況，可以得到，各層煤樣達到燃點溫度的實驗時間存在差異。從第1 層～第5 層分別是2#、5#、7#、10#、13#測點先達到燃點溫度，對應(yīng)的時間依次為2.5、5、6、6、8 h。可以發(fā)現(xiàn)煤樣上部2 層的時間差異不大，下部3 層的時間差異較大，隨著層數(shù)深度的加深，到達燃點溫度的時間逐步增大，這說明上部煤體先發(fā)生燃燒，經(jīng)過熱量積累和蔓延，逐漸向下部延伸。

圖6 第4 層測點溫度隨時間變化曲線Fig.6 Temperature change curves of the measuring points in the fourth layer with time

煤樣在整個升溫階段的峰值溫度情況不同，第1 峰值溫度從上部至下部為700、500、600、800、600℃，對應(yīng)的時間分別為5、18、29、36、68 h，經(jīng)歷的時長逐漸增加，可見溫度是逐級向下部蔓延發(fā)展的。而縱觀下部2 層的第2 峰值溫度，各不相同，第4 層的溫度范圍為400～500 ℃，第5 層的則為500～600℃。第4 層10#、11#、第5 層13#、14#測點達到峰值對應(yīng)的時間依次為263、164、251、212 h。進一步分析發(fā)現(xiàn)峰值溫度對應(yīng)時間越延后的測點，其對應(yīng)的升溫速率越快，降溫速率越慢。這是由于升溫速率較大時此區(qū)域先發(fā)生燃燒，形成高溫區(qū)域，不斷發(fā)生反應(yīng)，熱量積聚，從而使得后期降溫較慢，時長較長。實驗過程中出現(xiàn)第2 峰值溫度，這可能是由于上部表面燃燒結(jié)束后，燃燒的灰燼在重力作用下發(fā)生垮落，覆蓋在下方煤體表面，存在的余溫使得煤體熱量積聚較高，故下部煤體燃燒時間較長，且溫度下降緩慢，存在“復(fù)燃”現(xiàn)象。

降溫階段為68～470 h，時長為402 h。進一步分析得出煤樣在到達第2 峰值溫度后溫度開始逐漸下降，直至降至室溫環(huán)境，結(jié)束實驗。在100 h 時第1層測點的溫度降低到室溫，上部煤樣燃燒基本結(jié)束。當(dāng)時間為300 h 時，第2 層和第3 層煤樣的溫度逐漸趨于常溫，下部煤體在實驗進行至400 h 后燃燒基本結(jié)束。整個實驗過程的時間相比于溫莊煤樣的較長，長達470 h。

基于前人對高溫區(qū)域判定的研究成果[21]，將每層測點中溫度率先到達燃點溫度的測點作為高溫區(qū)域的關(guān)鍵點，關(guān)鍵點附近的區(qū)域即為高溫區(qū)域。通過上述的分析可以看出，煤樣從第1 層～第5 層的2#、5#、7#、10#、13#測點與同層的其他測點相比，都率先到達燃點溫度，因此，選擇將這5 個測點附近的區(qū)域作為煤樣的高溫區(qū)域。

2.2 關(guān)鍵點溫度時間隨層數(shù)變化規(guī)律

基于上述分析得出，煤樣在自燃過程中的峰值溫度和燃點溫度存在差異，對煤樣關(guān)鍵點達到燃點溫度和峰值溫度時間隨層數(shù)加深進行擬合，達到燃點溫度時間隨層數(shù)加深變化曲線如圖8，達到峰值溫度時間隨層數(shù)加深變化曲線如圖9。

圖8 達到燃點溫度時間隨層數(shù)加深變化曲線Fig.8 Curve of the point temperature difference changes with the deepening of layers

圖9 達到峰值溫度時間隨層數(shù)加深變化曲線Fig.9 Peak temperature time difference changes with the deepening of layers

分析可知，煤樣上部3 層只有1 個峰值溫度，后2 層存在第2 峰值溫度。考慮到2 點做擬合，數(shù)據(jù)量少的情況，對煤樣的第1 峰值溫度進行了擬合，第2峰值溫度不進行擬合，做詳細的描述分析。由圖8 可知，隨著爐體層數(shù)的加深，煤樣達到燃點溫度時間呈現(xiàn)線性變化，符合函數(shù)y=1.9+1.2x，式中：y 為煤樣達到燃點溫度時間；x 為層數(shù)；擬合度均大于0.9。燃點溫度時間隨著深度的加深逐漸增大，這說明燃燒難易程度逐漸增大，上部第1 層煤體發(fā)生燃燒蓄熱環(huán)境良好，逐漸向鄰近第2 層蔓延，在傳熱和孔隙相互作用下直至蔓延至爐體最下部發(fā)生燃燒。

由圖9 可知，曲線呈現(xiàn)多項式變化趨勢，峰值溫度時間差對應(yīng)層數(shù)加深呈現(xiàn)先增大后減小的變化規(guī)律，說明反應(yīng)速率隨著層數(shù)加深由易到難。隨著深度的增加，第1 層～第5 層的峰值溫度分別為706、451、603、761、621 ℃，整體為先減小后增大。這說明下部煤體發(fā)生氧化反應(yīng)的程度越來越低，推測是由于深部處于貧氧環(huán)境中，且燃燒主要是鄰近層的傳熱作用所引起的。煤樣的第4 層和第5 層的第2 峰值溫度分別為500、450 ℃，隨層數(shù)的加深，溫度越低，時間周期越延后，這是由于溫度最后蔓延至下部煤體，而上部燃燒反應(yīng)結(jié)束后，灰燼會覆蓋在鄰近下層，逐級積累夾帶的熱量會積聚傳播，從而引發(fā)下部煤體二次氧化發(fā)生復(fù)燃，表現(xiàn)出第2 峰值溫度。

2.3 關(guān)鍵點火風(fēng)壓隨溫度變化規(guī)律

火風(fēng)壓是指在礦井發(fā)生煤自燃或者火災(zāi)時，在高溫環(huán)境下，釋放氣體的同時會伴隨有熱煙氣，而熱煙氣在流過有標(biāo)高差值的巷道時，就會產(chǎn)生附加的風(fēng)壓，也即火風(fēng)壓。此風(fēng)壓的存在會對礦井內(nèi)的風(fēng)流和傳熱過程帶來影響，因此研究隨溫度變化火風(fēng)壓的分布情況可以更加清楚地分析溫度蔓延的原因?；痫L(fēng)壓的計算如下：

式中：hf為火風(fēng)壓，mmH2O（1 mmH2O=9.806 65 Pa）；ρ0為大氣環(huán)境密度，取1.2 kg/m3；g 為重力加速度，取9.8 m/s2；△Z 為巷道內(nèi)2 處的標(biāo)高差，m；△T為巷道內(nèi)2 處的溫度差，℃；Ts為起始溫度，K。

高溫區(qū)域的火風(fēng)壓變化曲線如圖10。由火風(fēng)壓的計算公式可以看出，溫度差、標(biāo)高差與火風(fēng)壓呈正比例變化。由圖10 可以看出，實驗過程中的變化情況符合此規(guī)律。且隨著反應(yīng)的逐漸進行，各高溫區(qū)域的火風(fēng)壓均呈現(xiàn)先減小后增大的變化規(guī)律，發(fā)生轉(zhuǎn)變的時間和變化的幅度存在差異。

圖10 高溫區(qū)域的火風(fēng)壓變化曲線Fig.10 Change curves of air pressure in high temperature area

具體來看，上部3 層的變化更為接近。第1 層2號測點在實驗初期溫度由700 ℃降至100 ℃時，火風(fēng)壓也從0.15 減少為0 左右，此時標(biāo)高差值也較小。伴隨著實驗的繼續(xù)進行，距離爐體表層的標(biāo)高差開始逐漸累積增加，從0.05 增為0.3，在此過程中火風(fēng)壓增大至0.4 左右。由此看來，火風(fēng)壓是由溫度和標(biāo)高差所共同作用的，當(dāng)其中任一者占據(jù)主導(dǎo)地位時都會引起火風(fēng)壓的變化。第2 層5#測點在實驗前50 h，高溫區(qū)域溫度為400 ℃左右，火風(fēng)壓為0.25，當(dāng)溫度達到100 ℃時火風(fēng)壓開始逐漸增大，此時的標(biāo)高差也逐級增大，這說明在后期降溫階段，標(biāo)高差對火風(fēng)壓的影響較大，標(biāo)高差值越大，說明爐體上部煤樣燃燒越充分，垮落程度越大。而火風(fēng)壓值越大，爐體內(nèi)部與外界環(huán)境的壓力存在差值，就會使得氣體流入實驗爐體，進而提供良好的供氧條件，使得高溫區(qū)域向下繼續(xù)蔓延。7#測點在溫度為350 ℃時，火風(fēng)壓開始逐漸增大，隨著反應(yīng)的繼續(xù)進行，爐體內(nèi)部標(biāo)高差逐漸增大，火風(fēng)壓快速增大，此時這個時間點與前文研究的復(fù)燃時間所對應(yīng)，也就是說復(fù)燃現(xiàn)象的出現(xiàn)除了重力作用的影響，火風(fēng)壓的增大也會使?fàn)t體內(nèi)的風(fēng)流大小和方向發(fā)生轉(zhuǎn)變，從而引發(fā)高溫區(qū)域燃燒和蔓延。

下部2 層測點高溫區(qū)域火風(fēng)壓的變化相似，第4 層10#測點從實驗初期進行至350 ℃過程中，由于溫度逐漸降低，引發(fā)火風(fēng)壓逐漸減小，在實驗進行至100～250 h 時，溫度維持在350～400 ℃左右，火風(fēng)壓值較小，維持穩(wěn)定。隨著實驗繼續(xù)進行，溫度又有所回升，此時標(biāo)高差值不斷增大，兩者共同作用使得火風(fēng)壓不斷增大，供氧量逐漸增加，發(fā)生二次氧化燃燒，高溫區(qū)域繼續(xù)向鄰近層的深部蔓延。第5 層的13#測點在150 h 時此區(qū)域內(nèi)溫度達到350 ℃，火風(fēng)壓為0.1 左右，隨著反應(yīng)繼續(xù)進行，150～250 h 時溫度持續(xù)在300 ℃左右，標(biāo)高差為0.02 m，火風(fēng)壓較為穩(wěn)定。后期溫度繼續(xù)降低，但標(biāo)高差快速增大，使得火風(fēng)壓值也逐級增大，直至達到0.65 mmH2O。

實驗前期，溫度對火風(fēng)壓的影響占主要地位，火風(fēng)壓逐漸減小，外部環(huán)境壓力較大，環(huán)境風(fēng)流使表層煤樣散熱的同時流動夾帶著的氧氣也為鄰近層的燃燒提供氧氣，使燃燒得以蔓延傳播。實驗后期標(biāo)高差對火風(fēng)壓的大小起主導(dǎo)作用，火風(fēng)壓逐漸增大，在高溫區(qū)域附近形成熱負壓，促使高溫區(qū)域的發(fā)展蔓延。

2.4 關(guān)鍵點溫度空間蔓延規(guī)律

通過分析可以看出，煤樣從第1 層至第5 層的2#、5#、7#、10#、13#測點與同層的其他測點相比，都率先到達燃點溫度，因此，選擇將這5 個測點附近的區(qū)域作為溫莊煤樣的高溫區(qū)域。將這些測點進行連接得到高溫區(qū)域的模糊蔓延路徑，煤樣高溫區(qū)域蔓延路徑如圖11。

圖11 煤樣高溫區(qū)域蔓延路徑Fig.11 Coal sample high temperature area spreading path

由圖11 可以看出，高溫區(qū)域沿著2#、5#、7#、10#和13#測點的方向向下蔓延，主要集中于中部及東南側(cè)方向。2#測點位于迎風(fēng)口的斜坡面處，環(huán)境風(fēng)流中的氧氣提供了良好的燃燒條件，在2.5 h 達到燃點溫度，形成高溫區(qū)域。環(huán)境風(fēng)流引發(fā)的散熱和燃燒引起的蓄熱不斷競爭發(fā)展，當(dāng)蓄熱量大于散熱量時，燃燒區(qū)域進一步擴大，向下部蔓延。且由于實驗臺傾斜放置，在重力和傳熱作用的影響下，5 h 時高溫區(qū)域蔓延至2#測點豎直方位的下一層的5#測點處。由研究得知，高溫條件會使煤樣發(fā)生破裂，孔隙增生且寬度變寬，氧氣通過孔隙深入煤體，煤氧反應(yīng)程度增強，形成高溫區(qū)域。6 h 后高溫區(qū)域蔓延至7#測點。與此同時，位于爐體東南側(cè)的10#測點位置附近也出現(xiàn)了高溫區(qū)域。在韓家灣煤樣實驗臺放置角度的影響下，不同區(qū)域上部燃燒垮落覆蓋的厚度不同，10#和13#測點位于傾斜面上，覆蓋高度不斷累加，標(biāo)高差值越來越大，火風(fēng)壓逐漸增大，促進高溫區(qū)域蔓延。最終實驗進行至8 h 時，高溫區(qū)域到達距離爐膛右壁5 cm 處的13#測點處。

3 結(jié) 語

1）高溫區(qū)域蔓延呈非線性變化，主要沿著爐體中部及東南側(cè)的方向蔓延。高溫區(qū)域關(guān)鍵點達到燃點溫度時間差隨層數(shù)加深呈線性變化，符合一次函數(shù)變化趨勢，達到峰值溫度時間差隨層數(shù)加深呈非線性變化，符合多項式變化趨勢。

2）在實驗前期，溫度對火風(fēng)壓的影響占據(jù)主要地位，實驗后期則是標(biāo)高差對火風(fēng)壓的大小起主導(dǎo)作用。第1 層煤樣溫度變化主要受熱傳導(dǎo)作用影響，第2 層和第3 層煤樣溫度變化除受到熱傳導(dǎo)作用外，還受到燃燒所產(chǎn)生的裂隙影響，第4 層和第5層還受到火風(fēng)壓的作用，導(dǎo)致溫度隨層數(shù)加深逐漸降低。