一種水分潤濕煤體促進(jìn)煤自燃的含水率范圍確定方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明屬于煤礦井下煤自燃災(zāi)害防治技術(shù)領(lǐng)域，特別是涉及一種水分潤濕煤體產(chǎn) 生潤濕熱促進(jìn)煤自燃的含水率范圍的確定方法，主要用于指導(dǎo)煤礦預(yù)防煤自燃災(zāi)害的技術(shù) 工作。
【背景技術(shù)】
[0002] 煤自燃一直是威脅礦井安全生產(chǎn)的主要災(zāi)害之一。煤自燃的影響因素眾多，一般 包含內(nèi)部因素和外部因素。煤本身的自燃特性屬于內(nèi)部因素，包括煤的變質(zhì)程度、內(nèi)在水 分、煤巖成分和含硫量等。煤能否自然發(fā)火，除內(nèi)部因素影響外，還受周圍環(huán)境等外部因素 的影響與作用，包括地質(zhì)條件、開采技術(shù)和通風(fēng)條件等。研究發(fā)現(xiàn)我國一些礦井開采變質(zhì)程 度較高、含硫低，煤層傾角與厚度不大的煤層，也會出現(xiàn)自然發(fā)火現(xiàn)象。通過分析不難得出， 煤層的埋藏深度大與散熱條件差、礦井涌水量大等是主要原因。
[0003] 關(guān)于外在水分對煤自燃的影響一直以來都是國內(nèi)外學(xué)者研究的重點，目前得出的 主要結(jié)論是水分對煤自燃存在著抑制與促進(jìn)并存的復(fù)雜作用。水分對煤自燃的抑制作用主 要體現(xiàn)在：大量的水分能夠吸熱降溫并且隔氧。水分對煤自燃的促進(jìn)作用主要體現(xiàn)在：① 潤濕熱與水蒸汽凝結(jié)放出的氣化潛熱促進(jìn)煤自燃；②參與自由基的形成；③煤中水分蒸發(fā) 后有利于更多的氧進(jìn)入煤體內(nèi)部；④在含硫煤中水分對黃鐵礦的氧化起著重要作用。其中 潤濕熱對煤的作用是最為直接與最先發(fā)生的。研究促進(jìn)煤自燃的含水率最常用的研究方法 是利用程序升溫、熱重、絕熱氧化等實驗手段，對已提前潤濕的不同含水率煤樣進(jìn)行實驗， 研究其自燃特性的變化，得出煤最易氧化自燃的含水率。這些方法大部分都是針對已提前 濕潤的煤在自燃特性方面發(fā)生的變化開展的，忽略了煤在濕潤過程中潤濕熱的產(chǎn)生和蓄熱 環(huán)境對煤自燃的影響，造成實驗結(jié)果缺乏理論依據(jù)，所得結(jié)論不能反映水分潤濕煤的過程 等問題。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004] 針對現(xiàn)有技術(shù)存在的問題，本發(fā)明提供一種理論基礎(chǔ)較為充分的水分潤濕煤體促 進(jìn)煤自燃的含水率范圍確定方法。由于采用直接測定的方法確定潤濕熱的產(chǎn)生過程對煤自 燃的促進(jìn)作用很難實現(xiàn)，因此本發(fā)明采用通過實驗室實驗并建立模型進(jìn)行計算的方法間接 求出促進(jìn)煤自燃的含水率范圍。
[0005] 為了實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用如下技術(shù)方案，一種水分潤濕煤體促進(jìn)煤自燃的 含水率范圍確定方法，包括如下步驟：
[0006] 步驟一：建立水分對煤自燃影響的熱平衡模型，所述熱平衡模型如下：
[0008] 式中：Φ-相應(yīng)溫度環(huán)境條件下水分的蒸發(fā)率，％ ;
[0009] W^-煤飽和含水時單位比表面積的潤濕熱，J/m2;
[0010] Sm-被潤濕煤的比表面積，m2/g;
[0011] β(T)-所在溫度下水的汽化潛熱，可查表求得，kj/kg;
[0012] δ-煤體的飽和含水率，％ ;
[0013] 當(dāng)煤被潤濕到飽和含水率，同時亦存在水分不停蒸發(fā)帶走熱量的過程時，會產(chǎn)生 一個對煤自燃起促進(jìn)作用的煤的含水率區(qū)間，該含水率區(qū)間的上限是煤體的飽和含水率， 下限是蒸發(fā)使飽和含水煤的含水量下降到熱平衡點的含水率，其表達(dá)式為：
[0014] δ(1-φ(δ)) ^Lw^δ
[0015] 式中：δ-煤體的飽和含水率，％ ;
[0016]Lw-煤的含水率，％;
[0017] 步驟二：實驗室利用實驗的方法測定被潤濕煤的比表面積S"和煤飽和含水時單位 比表面積的潤濕熱
[0018] 步驟三：根據(jù)煤樣元素分析結(jié)果，近似計算煤體的飽和含水率δ;
[0019] 步驟四：將步驟二中確定的被潤濕煤的比表面積S"和煤飽和含水時單位比表面積 的潤濕熱t(yī)、步驟三中確定的煤體的飽和含水率δ以及查表求得的所在溫度下水的汽化潛 熱，代入熱平衡模型和含水率區(qū)間表達(dá)式中，求出相應(yīng)條件下水分潤濕煤體促進(jìn)煤自燃的 含水率范圍。
[0020] 步驟一中所述的建立水分對煤自燃影響的熱平衡模型，其具體步驟如下：
[0021] 設(shè)有單位體積的散體煤，煤堆上部有水分可以滲入，能夠潤濕煤體；煤堆左側(cè)通入 風(fēng)流，并從右側(cè)出，產(chǎn)生的熱量能夠被風(fēng)流的流動換熱和水分蒸發(fā)帶走，煤堆與周圍環(huán)境之 間是絕熱壁面；忽略水分促進(jìn)自由基形成和蒸發(fā)后增加內(nèi)表面積的作用，并且沒有濕空氣 凝結(jié)釋放汽化潛熱的過程；由于低溫階段煤本身氧化較為緩慢，其造成的升溫也忽略不計， 根據(jù)熱力學(xué)第一定律建立熱平衡方程如下：
[0022] qr=qa+qw+qd ⑴
[0023] 式中：qr單位時間水分潤濕煤體產(chǎn)生的熱量，kj/min;
[0024] qa-單位時間漏風(fēng)帶走煤堆的熱量，kj/min;
[0025] qw-單位時間水分蒸發(fā)帶走的熱量，kj/min;
[0026] qd-單位時間煤堆熱量的變化值，kj/min;
[0027] (1)式進(jìn)行移項得：
[0028] qd=qr-qa~qw ⑵
[0029] 從熱量積聚使煤升溫的角度得出水分潤濕煤體對煤自燃促進(jìn)或阻礙作用的表達(dá) 式：
[0030]
[0031 ] 單位時間水分潤濕煤體產(chǎn)生的熱量表示為：
[0033] 式中：W^-煤飽和含水時單位比表面積的潤濕熱，J/m2;
[0034] S^-被潤濕煤的比表面積，m2/g;
[0035] Μ，水分潤濕煤的質(zhì)量，kg;
[0036] t-潤濕煤體所用的時間，min;
[0037] 單位時間漏風(fēng)帶走煤堆的熱量qa表示為：
[0039] 式中：Pail-空氣的平均密度，kg/m3,可取L29kg/m3;
[0040] Ca_ 空氣的平均比熱容，kX/(kg.°C)，可取 1. 007kX/(kg.°C);
[0041] T-空氣流出煤堆的溫度，與煤堆的溫度相同，°C;
[0042] T。-空氣流入煤堆前的溫度，。C;
[0043] Q。-流入煤堆的空氣總量，m3;
[0044] t-潤濕煤體所用的時間，min;
[0045] 單位時間水分蒸發(fā)帶走的熱量qw表示為：
[0047] 式中：β(T)-所在溫度下水的汽化潛熱，可查表求得，kj/kg;
[0048] ΔW-水分的蒸發(fā)量，kg;
[0049] t-潤濕煤體所用的時間，min;
[0050] 單位時間煤堆熱量的變化值qd表示為：
[0052] 式中：(；_煤的平均比熱容，kX/(kg.°C);
[0053] Cw_水的平均比熱容，kX/(kg.°C);
[0054] Mw_潤濕煤堆中含水的質(zhì)量，kg;
[0055] T-空氣流出煤堆的溫度，與煤堆的溫度相同，°C;
[0056] t-潤濕煤體所用的時間，min;
[0057] Μ^-水分潤濕煤的質(zhì)量，kg;
[0058] 將上述公式（4)、（5)、（6)和（7)代入公式（2)中，構(gòu)成總的平衡關(guān)系式為：
[0059]
[0060] 整個煤體被水分潤濕并產(chǎn)生溫度變化的過程是由多個不同溫度的微小時間范圍 的穩(wěn)定狀態(tài)組成；假設(shè)在其中一個微小的時間范圍內(nèi)有dT/dt= 0,即在此微小的時間范圍 內(nèi)，單位時間煤堆熱量的變化值qd= 0,此時式（8)變?yōu)椋?br>[0062] 設(shè)煤體的飽和含水率為δ，則有：
[0064] 式中：δ-煤體的飽和含水率，％ ;
[0065] Mw_潤濕煤堆中含水的質(zhì)量，kg;
[0066] Μ^-水分潤濕煤的質(zhì)量，kg;
[0067] 對式（10)進(jìn)行移項變形得：
[0069] 而水分的蒸發(fā)量與潤濕煤堆中含水的質(zhì)量有如下關(guān)系：
[0070] Aff=φΜκ (12)
[0071] 式中：Φ-相應(yīng)溫度環(huán)境條件下水分的蒸發(fā)率，％ ;
[0072] ΔW-水分的蒸發(fā)量，kg;
[0073] Mw_潤濕煤堆中含水的質(zhì)量，kg;
[0074] 將式（11)和式（12)代入式（9)得：
[0080]由于等式右側(cè)為單位時間漏風(fēng)帶走煤堆的熱量項，而能夠適宜煤氧化自燃的漏風(fēng) 流速十分微小，因此帶走的熱量也十分微小，這里近似忽略不計，則式（15)化簡為：
[0082]由此可知，在煤體溫度不變的條件下，煤體的飽和含水率和相應(yīng)溫度環(huán)境條件下 水分的蒸發(fā)率應(yīng)滿足以下關(guān)系：
[0086] 步驟二中所述的實驗室利用實驗的方法測定被潤濕煤的比表面積S"是用比表面 儀采用BET氮氣吸附法測定煤樣的比表面積。
[0087] 步驟二中所述的實驗室利用實驗的方法測定煤飽和含水時單位比表面積的潤濕 熱t(yī)是使用去離子水微熱量儀測定潤濕熱。
[0088] 步驟三中所述的根據(jù)煤樣元素分析結(jié)果