《工程科学学报》：单轴应力下烟煤氧化自燃灾变温度（河南理工大学）

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 full￾waveform 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 sulphide￾containing 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 ·

1316 工程科学学报，第43卷，第10期 44 42.495 可改写为： Yo2(T)= (2) 40 (1-0)sL Co 37.464 37.903 式中：s为煤样罐的横截面积，cm2;L为装煤深度，cm. 36 根据公式(2)，得出煤样在不同应力下的升温 耗氧速率，如图4所示 31.087 32.031 6 0 2 4 6 8 Uniaxial stress=0 MPa Uniaxial stress/MPa Uniaxal stress=2 MPa Uniaxial stress=4 MPa 450 Uniaxial stress=6 MPa 国3煤样在不同应力下的表观活化能 Uniaxial stress=8 MPa Fig.3 Apparent activation energy of coal samples under different levels of stress 300 表2不同单轴应力下煤的孔隙率 150 Table 2 Porosity of coal under different levels of uniaxial stress 0 MPa 2 MPa 4 MPa 6 MPa 8 MPa 0 0.476 0.447 0.400 0.392 0.350 0 100 200. 300 400 500 Temperature/℃ 根据图3和表2结果可以看出，当单轴应力 图4耗氧速率随温度变化曲线 为2,4,6和8MPa时，相对于0MPa煤样，平均孔 Fig.4 Oxygen consumption rate curves with temperature 隙率减小了0.029,0.076,0.084,0.126，表观活化能 变化了6.377、6.816,0.944和11.408 kJ'mol,随单 如图4所示，煤样在不同单轴应力作用下的耗 轴应力的增大，煤样表观活化能均高于0MPa,表 氧速率各不相同，总体上随着温度的升高温度呈增 现出先增大后减小再增大的变化；从0MPa到2， 长的趋势：在耗氧速率增加阶段，可以看到单轴应 4,6和8MPa时，平均孔隙率每减小0.01，表观活 力为0和6MPa时的速率较为接近且均高于其他 化能分别变化了2.20,0.90,0.11,0.91 kJmol;当 单轴应力下的煤样，2和4MPa次之，8MPa时的耗 平均孔隙率减小时，4和8MPa煤表观活化能均增 氧速率最低，在温度较高时出现明显增高，在 大且增大的幅度较为接近；但0MPa到6MPa煤 40~90℃之间，各测试煤样的耗氧速率变化不明 样的表观活化能增大幅度较小，表明在6MPa时， 显；90℃后各耗氧速率开始有明显的变化，温度升 煤表观活化能发生突变，煤样平均孔隙率减小的 高至110℃后，各测试煤样的耗氧速率有明显的增 同时产生了新裂隙和自由基，增加的煤氧接触面 加，单轴应力为2和4MPa煤样的耗氧速率最接近， 积和自由基，促进了煤与氧气的氧化反应.当单轴 这时测试煤样被压实，孔隙率减小，煤氧反应较慢 应力为8MPa时，煤样被压实程度高，使得表观活 当单轴应力为6MPa时，煤样较其它应力的 化能明显高于0MPa煤样，相比其他轴压下的煤 作用下产生了新的裂隙，基元反应更剧烈，化学吸 样，降低表观活化能自燃倾向性最明显，煤氧反应 附和化学反应同时进行，消耗了绝大部分的氧气， 最弱，发生自燃的可能性最低 保持较高的化学反应速率，因此耗氧速率与0MPa 3.2耗氧速率分析 煤样较为接近.而单轴应力为8MPa的煤样，由于 由荷载加压煤自燃特性参数测定实验平台的 煤样在高应力被压实，氧气渗透深度较低，300℃ 特性，可将实验煤样认定为在实验过程中均匀受 后压裂的破碎程度高，产生了更多的自由基，加速 热，各点的温度相同；升温氧化阶段的耗氧速率为 基元反应23-2刈进程，化学吸附增强，较长时间的放 单位时间内煤体所消耗的氧气浓度，计算过程从 热使煤体内部热量不断积累，产生较多裂隙，氧化 温度40℃开始，每隔一段温度段记录一次出口处 反应加剧，耗氧速率在短时间内快速增加 的氧气体积分数，将气体视为理想气体，氧气体积 4单轴应力下的突变温度与临界温度 分数为21%，供风流量设置为20mLs,通过计算 可得试验过程供氧量为8.93×10mols;根据文 突变理论2]是一种分析内部结构模糊系统连 献[19-22]，贫氧环境下煤样的耗氧速率(mols) 续发展过程中的连续性行为由于某些变量量变引

根据图 3 和表 2 结果可以看出，当单轴应力 为 2，4，6 和 8 MPa 时，相对于 0 MPa 煤样，平均孔 隙率减小了 0.029，0.076，0.084，0.126，表观活化能 变化了 6.377、6.816，0.944 和 11.408 kJ·mol−1，随单 轴应力的增大，煤样表观活化能均高于 0 MPa，表 现出先增大后减小再增大的变化；从 0 MPa 到 2， 4，6 和 8 MPa 时，平均孔隙率每减小 0.01，表观活 化能分别变化了 2.20， 0.90， 0.11， 0.91 kJ·mol−1；当 平均孔隙率减小时，4 和 8 MPa 煤表观活化能均增 大且增大的幅度较为接近；但 0 MPa 到 6 MPa 煤 样的表观活化能增大幅度较小，表明在 6 MPa 时， 煤表观活化能发生突变，煤样平均孔隙率减小的 同时产生了新裂隙和自由基，增加的煤氧接触面 积和自由基，促进了煤与氧气的氧化反应. 当单轴 应力为 8 MPa 时，煤样被压实程度高，使得表观活 化能明显高于 0 MPa 煤样，相比其他轴压下的煤 样，降低表观活化能自燃倾向性最明显，煤氧反应 最弱，发生自燃的可能性最低. 3.2    耗氧速率分析 由荷载加压煤自燃特性参数测定实验平台的 特性，可将实验煤样认定为在实验过程中均匀受 热，各点的温度相同；升温氧化阶段的耗氧速率为 单位时间内煤体所消耗的氧气浓度，计算过程从 温度 40 ℃ 开始，每隔一段温度段记录一次出口处 的氧气体积分数，将气体视为理想气体，氧气体积 分数为 21%，供风流量设置为 20 mL·s−1，通过计算 可得试验过程供氧量为 8.93×10−4 mol·s−1；根据文 献 [19−22]，贫氧环境下煤样的耗氧速率（mol·s−1） 可改写为： νO2 (T) = QC0 O2 (1−φ)sL ln   C 0 O2 C L O2   （2） 式中： s 为煤样罐的横截面积，cm L 2 ； 为装煤深度，cm. 根据公式（2），得出煤样在不同应力下的升温 耗氧速率，如图 4 所示. 0 100 200 300 400 500 0 150 300 450 600 Oxygen consumption rate /(10−8·mol·cm−3·s−1 ) Temperature/℃ Uniaxial stress=0 MPa Uniaxial stress=2 MPa Uniaxial stress=4 MPa Uniaxial stress=6 MPa Uniaxial stress=8 MPa 图 4    耗氧速率随温度变化曲线 Fig.4    Oxygen consumption rate curves with temperature 如图 4 所示，煤样在不同单轴应力作用下的耗 氧速率各不相同，总体上随着温度的升高温度呈增 长的趋势；在耗氧速率增加阶段，可以看到单轴应 力为 0 和 6 MPa 时的速率较为接近且均高于其他 单轴应力下的煤样，2 和 4 MPa 次之，8 MPa 时的耗 氧速率最低 ，在温度较高时出现明显增高. 在 40～90 ℃ 之间，各测试煤样的耗氧速率变化不明 显；90 ℃ 后各耗氧速率开始有明显的变化，温度升 高至 110 ℃ 后，各测试煤样的耗氧速率有明显的增 加，单轴应力为 2 和 4 MPa 煤样的耗氧速率最接近， 这时测试煤样被压实，孔隙率减小，煤氧反应较慢. 当单轴应力为 6 MPa 时，煤样较其它应力的 作用下产生了新的裂隙，基元反应更剧烈，化学吸 附和化学反应同时进行，消耗了绝大部分的氧气， 保持较高的化学反应速率，因此耗氧速率与 0 MPa 煤样较为接近. 而单轴应力为 8 MPa 的煤样，由于 煤样在高应力被压实，氧气渗透深度较低，300 ℃ 后压裂的破碎程度高，产生了更多的自由基，加速 基元反应[23−24] 进程，化学吸附增强，较长时间的放 热使煤体内部热量不断积累，产生较多裂隙，氧化 反应加剧，耗氧速率在短时间内快速增加. 4    单轴应力下的突变温度与临界温度 突变理论[25] 是一种分析内部结构模糊系统连 续发展过程中的连续性行为由于某些变量量变引 表 2    不同单轴应力下煤的孔隙率 Table 2    Porosity of coal under different levels of uniaxial stress 0 MPa 2 MPa 4 MPa 6 MPa 8 MPa 0.476 0.447 0.400 0.392 0.350 0 2 4 6 8 32 36 40 44 42.495 32.031 37.903 37.464 Apparent activation energy/(kJ·mol−1 ) Uniaxial stress/MPa 31.087 图 3    煤样在不同应力下的表观活化能 Fig.3    Apparent activation energy of coal samples under different levels of stress · 1316 · 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 1317 起行为突然发生质变、跃迁、中断的方法，研究对 由图5可以看出，平衡曲面分为下叶、中叶和 象的状态与控制空间在数学上是高维状态的超曲 上叶3部分，分别表示低温氧化阶段、突变阶段和 面形式R*m表示，其中n为控制变量的个数，m为 快速氧化阶段.单轴应力下煤样的孔隙率基本保 状态变量的个数.煤自燃过程复杂模糊，存在缓慢 持不变，荷载加压煤氧化升温过程为a一→b→c→d→e. 氧化、剧烈氧化、极具燃烧3个阶段，2个稳定状 其中，a→b→c是位于下叶的低温氧化阶段，煤氧 态阶段（缓慢氧化和快速氧化），因此，通过研究煤 反应缓慢，产生热量少，大部分热量散发到周围环 自燃两个稳定状态之间的突变特征可以用状态转 境中，只积累了少部分热量.当低温氧化阶段到达 换时的温度来描述，可命名为突变温度 上行突变点c,此时产热迅速增加，热量积聚，耗氧 4.1煤自燃突变理论概述 速率和CO浓度迅速增加，因此，c→d段为煤低温 根据突变模型的基本特征，选择Riena-Hugonioc 氧化过渡至快速氧化的突变阶段：位于上叶的 (尖点突变)点突变形态描述煤自燃的过程的特殊 d→段，属于加速氧化过程，这时可认为煤已发生 性，尖点突变形态的相空间由1个状态变量及2个控 自燃. 制变量构成的三维空间，尖点突变的势函数如下式： 4.2突变温度表征参数 V(x)=x+px2+qx (3) 突变势函数的状态变量需反应出自燃发展的 式中：x为状态变量：p和q为控制变量 程度，在煤自燃过程中，C0指标气体浓度与耗氧 从数学角度需先求其函数的极值后，可判断 速率是评价煤自燃的关键参数.因而，选取两个状 函数的系统是否处于平衡状态.令V()的一阶导 态变量作为指示煤自燃过程的状态变量.控制变 数为0，即：V(x)=0,得到系统平衡状态时，全部突 量对煤自燃发展产生影响，且两个控制变量需要 变点集构成的平衡曲面： 相互独立，结合本实验单轴应力对煤体本身的影 4r3+2px+q=0 (4) 响，选取一个内部因素孔隙率和一个外部因素温 求得奇点的稳定性用势函数的二阶导数确定， 度作为控制变量，得到两组突变温度.根据煤自燃 求势函数的二阶导数，令其为0，得到： 的突变过程，得到煤自燃发展C0表征的突变方程2 V'()=12.x2+2q=0 (5) 为式(7)，耗氧速率表征的突变方程式(8)： (X-Xo)3+(a1+a2)(X-Xo)+(b1e-b2/Tco+b3)=0 联立式(4)和式(5)可得到非孤立奇点集方程： (7) 8a3+27p=0 (6) (X-Xo)3+(c1+c2)(X-Xo)+die-I(THY-dz/dsP =0 得到平衡曲面和分支曲线图，分叉曲线是平衡 (8) 曲面上所有突变点在控制平面的投影，如图5所示. 式中：X为状态变量；Xo为常数；a,a2,b,b2,b3,c1, Up lobe c2,d,d2,d山为常数，由实验数据确定；Tco为CO表 征的突变温度，TY为耗氧速率表征的突变温度，K Rapid oxidation 其中，为确定突变模型的常数项，采用LM算 Equilibrium surface 法P叨的数值拟合软件实现，进行拟合求参.LM算 Middle lobe 法介于梯度法与牛顿法之间的优化方法，可以高 Eremacausis 效率的处理冗余参数问题，提供了收敛的正则化 方法.基本步骤为：在最优化算法求函数的极小 Bottom lobe 值，函数在每一次迭代中，都要求目标函数值是下 降的；即：在初始点假设一个可以信赖的最大位移 Control surface S,以初始点为中心，S为半径形成一个区域，在此 0 区域内通过寻找目标函数的二次函数的最优点， =0 求解得到真正的位移，得到位移后，重新计算目标 a'(d)e' 函数值，如果其使目标函数值的下降满足了一定 >0B 条件，那么就说明这个位移是可靠的，则继续按此 规则迭代计算下去；如果其不能使目标函数值的 困5煤自燃进程突变模型示意图 Fig.5 Schematic diagram of the catastrophe model for coal combustion 下降满足一定的条件，则应减小信赖域的范围，再 process 重新求解.从图1中选取温度和CO体积分数，图4

起行为突然发生质变、跃迁、中断的方法，研究对 象的状态与控制空间在数学上是高维状态的超曲 面形式 R n+m 表示，其中 n 为控制变量的个数，m 为 状态变量的个数. 煤自燃过程复杂模糊，存在缓慢 氧化、剧烈氧化、极具燃烧 3 个阶段，2 个稳定状 态阶段（缓慢氧化和快速氧化），因此，通过研究煤 自燃两个稳定状态之间的突变特征可以用状态转 换时的温度来描述，可命名为突变温度. 4.1    煤自燃突变理论概述 根据突变模型的基本特征，选择 Riena-Hugonioc （尖点突变）点突变形态描述煤自燃的过程的特殊 性，尖点突变形态的相空间由 1 个状态变量及 2 个控 制变量构成的三维空间，尖点突变的势函数如下式： V (x) = x 4 + px2 +qx （3） 式中：x为状态变量； p 和 q 为控制变量. V (x) V ′ (x) 从数学角度需先求其函数的极值后，可判断 函数的系统是否处于平衡状态. 令 的一阶导 数为 0，即： =0，得到系统平衡状态时，全部突 变点集构成的平衡曲面： 4x 3 +2px+q = 0 （4） 求得奇点的稳定性用势函数的二阶导数确定， 求势函数的二阶导数，令其为 0，得到： V ′′ (x) = 12x 2 +2q = 0 （5） 联立式（4）和式（5）可得到非孤立奇点集方程： 8a 3 +27p = 0 （6） 得到平衡曲面和分支曲线图，分叉曲线是平衡 曲面上所有突变点在控制平面的投影，如图 5 所示. x Equilibrium surface q p Eremacausis Bottom lobe Control surface Up lobe Rapid oxidation Middle lobe a b c d e a′ b′ c′(d′) e′ Δ>0 Δ=0 Δ<0 图 5    煤自燃进程突变模型示意图 Fig.5    Schematic diagram of the catastrophe model for coal combustion process 由图 5 可以看出，平衡曲面分为下叶、中叶和 上叶 3 部分，分别表示低温氧化阶段、突变阶段和 快速氧化阶段. 单轴应力下煤样的孔隙率基本保 持不变，荷载加压煤氧化升温过程为 a→b→c→d→e. 其中，a→b→c 是位于下叶的低温氧化阶段，煤氧 反应缓慢，产生热量少，大部分热量散发到周围环 境中，只积累了少部分热量. 当低温氧化阶段到达 上行突变点 c，此时产热迅速增加，热量积聚，耗氧 速率和 CO 浓度迅速增加，因此，c→d 段为煤低温 氧化过渡至快速氧化的突变阶段 ；位于上叶的 d→e 段，属于加速氧化过程，这时可认为煤已发生 自燃. 4.2    突变温度表征参数 突变势函数的状态变量需反应出自燃发展的 程度，在煤自燃过程中，CO 指标气体浓度与耗氧 速率是评价煤自燃的关键参数. 因而，选取两个状 态变量作为指示煤自燃过程的状态变量. 控制变 量对煤自燃发展产生影响，且两个控制变量需要 相互独立，结合本实验单轴应力对煤体本身的影 响，选取一个内部因素孔隙率和一个外部因素温 度作为控制变量，得到两组突变温度. 根据煤自燃 的突变过程，得到煤自燃发展 CO 表征的突变方程[26] 为式（7），耗氧速率表征的突变方程式（8）： (X − X0) 3 +(a1φ+a2) (X − X0)+(b1e −b2/TCO +b3) = 0 （7） (X − X0) 3 +(c1φ+c2) (X − X0)+d1e −[(THY−d2)/d3] 2 = 0 （8） X X0 a1 a2 b1 b2 b3 c1 c2 d1 d2 d3 TCO THY 式中： 为状态变量； 为常数； ， ， ， ， ， ， ， ， ， 为常数，由实验数据确定； 为 CO 表 征的突变温度， 为耗氧速率表征的突变温度，K. 其中，为确定突变模型的常数项，采用 LM 算 法[27] 的数值拟合软件实现，进行拟合求参. LM 算 法介于梯度法与牛顿法之间的优化方法，可以高 效率的处理冗余参数问题，提供了收敛的正则化 方法. 基本步骤为：在最优化算法求函数的极小 值，函数在每一次迭代中，都要求目标函数值是下 降的；即：在初始点假设一个可以信赖的最大位移 S，以初始点为中心，S 为半径形成一个区域，在此 区域内通过寻找目标函数的二次函数的最优点， 求解得到真正的位移，得到位移后，重新计算目标 函数值，如果其使目标函数值的下降满足了一定 条件，那么就说明这个位移是可靠的，则继续按此 规则迭代计算下去；如果其不能使目标函数值的 下降满足一定的条件，则应减小信赖域的范围，再 重新求解. 从图 1 中选取温度和 CO 体积分数，图 4 徐永亮等： 单轴应力下烟煤氧化‒自燃灾变温度 · 1317 ·

1318 工程科学学报，第43卷，第10期 中选取耗氧速率，从表2中选取平均孔隙率，通过 2MPa到4MPa时突变温度及表观活化能均增大 数值拟合软件求得煤自燃突变模型参数，确定的 且增大幅度很接近；但单轴应力为8MPa时，表观 拟合方程如下式： 活化能和突变温度较其它轴压增大幅度很大，说 (X-1.928×104)+(0.08388V-126(X-1.928×104)- 明当轴压为8MPa时，煤的表观活化能出现了突 变，突变温度发生大幅改变，单轴应力在很高时突 0.7431e-0.392/T-0.6555=0 (9) 变温度仍然存在，也就是说荷载受高压煤样仍具 由CO浓度煤自燃进程的分支曲线可根据式(8) 备自燃的潜在危险 得出，如下式： 表3不同单轴应力下的突变温度 40.08388V-126}3+270.7431e-0.39217-0.6555=0 Table 3 Catastrophic temperature under different levels of uniaxial stress (10) Uniaxial stresses/MPa Tao/℃ Tiv/℃ 式(9)确定的分叉集可由图5控制平面上的分 叉曲线表示.由图可以看出单轴应力下的煤自燃 0 83.3 99.1 3 92.1 121.0 进程中存在2个突变点，上行、下行温度突变点 4 90.0 117.3 下行突变点为煤自燃发生后采取控制措施，温度 6 85.1 92.0 降低到一定程度时CO浓度和耗氧速率会在短时 8 131.1 137.0 间内迅速降低的温度点，介于灭火措施在实际的 有效性，对下行突变温度不做研究 4.3 临界温度表征参数 根据式(9)，代入不同单轴应力下煤样的孔隙 低温自燃过程中，煤自燃反应速率随煤温的 率值，可以计算出各单轴应力下煤样的上行突变 变化关系可由Arrhenius公式得到： 温度值，见表3.Tco和Ty的数值存在差异，但总 体上与图3不同单轴应力下表观活化能影响煤自 k=Ae~号 (11) 燃发展的变化规律相同，呈现出随轴压增大，温度 其中：k为煤氧化学反应速率常数；A为指前因子，s 先增大后减小再增大的趋势.相对于0MPa的情 以CO浓度和耗氧速率分别表征程序升温过 况，2,4,6和8MPa时的煤样Tco分别增加了8.8， 程煤样的反应速率（分别记为k1、2),得到lnk与 6.7,1.8和47.8℃，TY分别变化了21.9,18.2，-7.1 -之间的线性关系，通过分析斜率的变化可以得 和37.9℃表观活化能分别增加了6.377,6.816.0.944 到临界温度PTo、Ty,如图6以单轴应力为4MPa 和11.408 kJmol厂；当单轴应力从0MPa到6MPa, 时的煤样为例： (a) 6 (b) 1.5 Slope1=7883.71 Slope2=3319.3 -0.0030 -0.0025-0.0020-0.0015 -0.025-0.020-0.015-0.010-0.005 -T/K- -K- 图6轴压4MPa时1nk1(a)和lnk2(b)与(-1/T)关系图 Fig.6 Diagram of relationship of Ink (a)and Ink2 (b)with(-1/T)under axial pressure of 4 MPa 通过分析lnk与(1/T之间的线性关系，得到 582℃，T相差了10,10,0和682℃，煤样在不 临界温度ToTY,如表4所示 同单轴应力下计算得临界温度在总体趋势上与突 根据临界温度，相对于0MPa的煤样，单轴应 变温度一致，但温度值均小于突变温度.其中，0 力为2,4,6和8MPa时，Tco相差为20,10,0和 和6MPa时的突变温度一致，均小于2和4MPa煤

中选取耗氧速率，从表 2 中选取平均孔隙率，通过 数值拟合软件求得煤自燃突变模型参数，确定的 拟合方程如下式： ( X −1.928×104 )3 +(0.08388V −126) ( X −1.928×104 ) − 0.7431e−0.3921/T −0.6555 = 0 （9） 由 CO 浓度煤自燃进程的分支曲线可根据式（8） 得出，如下式： 4(0.08388V −126) 3 +27[ 0.7431e−0.3921/T −0.6555]2 = 0 （10） 式（9）确定的分叉集可由图 5 控制平面上的分 叉曲线表示. 由图可以看出单轴应力下的煤自燃 进程中存在 2 个突变点，上行、下行温度突变点. 下行突变点为煤自燃发生后采取控制措施，温度 降低到一定程度时 CO 浓度和耗氧速率会在短时 间内迅速降低的温度点，介于灭火措施在实际的 有效性，对下行突变温度不做研究. TCO THY TCO THY 根据式（9），代入不同单轴应力下煤样的孔隙 率值，可以计算出各单轴应力下煤样的上行突变 温度值，见表 3. 和 的数值存在差异，但总 体上与图 3 不同单轴应力下表观活化能影响煤自 燃发展的变化规律相同，呈现出随轴压增大，温度 先增大后减小再增大的趋势. 相对于 0 MPa 的情 况 ，2，4，6 和 8 MPa 时的煤样 分别增加了 8.8， 6.7，1.8 和 47.8 ℃ ， 分别变化了 21.9，18.2，−7.1 和 37.9 ℃ 表观活化能分别增加了 6.377，6.816，0.944 和 11.408 kJ·mol−1；当单轴应力从 0 MPa 到 6 MPa， 2 MPa 到 4 MPa 时突变温度及表观活化能均增大 且增大幅度很接近；但单轴应力为 8 MPa 时，表观 活化能和突变温度较其它轴压增大幅度很大，说 明当轴压为 8 MPa 时，煤的表观活化能出现了突 变，突变温度发生大幅改变，单轴应力在很高时突 变温度仍然存在，也就是说荷载受高压煤样仍具 备自燃的潜在危险. 表 3 不同单轴应力下的突变温度 Table  3    Catastrophic  temperature  under  different  levels  of  uniaxial stress Uniaxial stresses /MPa TCO/℃ THY/℃ 0 83.3 99.1 2 92.1 121.0 4 90.0 117.3 6 85.1 92.0 8 131.1 137.0 4.3    临界温度表征参数 低温自燃过程中，煤自燃反应速率随煤温的 变化关系可由 Arrhenius 公式得到： k = Ae − Ea RT （11） 其中： k 为煤氧化学反应速率常数； A 为指前因子，s −1 . k1 k2 k − 1 T T ′ CO T ′ HY 以 CO 浓度和耗氧速率分别表征程序升温过 程煤样的反应速率（分别记为 、 ），得到 ln 与 之间的线性关系，通过分析斜率的变化可以得 到临界温度[21] 、 ，如图 6 以单轴应力为 4 MPa 时的煤样为例： −0.0030 −0.0025 −0.0020 −0.0015 −3.0 −1.5 0 1.5 Slope 1=7883.71 lnk1 −T −1/K−1 (a) lnk2 −T −1/K−1 −0.025 −0.020 −0.015 −0.010 −0.005 0 0 2 4 6 Slope 2=3319.3 (b) 图 6    轴压 4 MPa 时 ln k1（a）和 ln k2（b）与（−1/T）关系图 Fig.6    Diagram of relationship of ln k1 (a) and ln k2 (b) with (−1/T) under axial pressure of 4 MPa k T ′ CO T ′ HY 通过分析 ln 与−(1/T) 之间的线性关系，得到 临界温度 、 ，如表 4 所示. T ′ CO 根据临界温度，相对于 0 MPa 的煤样，单轴应 力 为 2， 4， 6 和 8  MPa 时 ， 相 差 为 20， 10， 0 和 T ′ HY 58.2 ℃ ， 相差了 10，10，0 和 68.2 ℃，煤样在不 同单轴应力下计算得临界温度在总体趋势上与突 变温度一致，但温度值均小于突变温度. 其中，0 和 6 MPa 时的突变温度一致，均小于 2 和 4 MPa 煤 · 1318 · 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 1319 表4不同单轴应力下煤样临界温度 速度缓慢；当单轴应力为6MPa时，煤破坏严重， Table 4 Critical temperature of coal sample under different levels of 出现大量裂隙，煤样充分吸收氧气，供氧速率增 uniaxial stresses 大，产生大量的自由基，使其突变温度，临界温度 Uniaxial stresses/MPa TcolC THY/C 和表观活化能较低.上述分析进一步说明突变和 0 70.0 60.0 临界温度可以作为煤自燃倾向评价的标准.结合 90.0 70.0 表3和表4，根据各临界和突变温度值，可以得到 4 80.0 70.0 5种测试煤样的煤自燃倾向性由小到达的排序为： 6 70.0 60.0 8MPa<2MPa<4MPa<6MPa<0MPa,即原煤样最容 8 128.2 128.2 易自燃，8MPa煤样最不容易自燃. 5单轴应力对突变与临界温度的影响 样的突变温度，8MPa相比各单轴应力下煤样的突 变温度有大幅度的增高 5.1突变和临界温度随单轴应力的变化 综上所述，突变温度和临界温度越低，煤表观 在表2的基础上，更深入的了解单轴应力下煤 活化能越小，氧化作用由缓慢过渡到剧烈越容易 样突变和临界温度特征参数的变化，运用函数确 当单轴应力为2和4MPa时，煤样的平均孔隙率 定性关系和非确定性的相关关系，将突变和临界 减小，气体与煤孔隙接触面积减小，氧气在煤裂隙 温度特征参数与单轴应力参数进行数学公式拟合 中流动速度很慢，煤吸附氧的能力很弱，氧化反应 如图7所示 140 (a) ■Tco -Fitting curve 。TY (b) Fitting curve Tco 一Fitting curve 120 -Fitting curve 1=97.844+33.19x-11.55x2+x3 ◆Tm =69.454+29.094r-10.91x2+1.02x 120 R=-0.66 100 R=0.92 ■ 100 80 =82.648+16.346r-6.45x2+0.643r3 =58.74+22.725r-9.125x2+0.918x3 R=0.92 40 R=0.87 60 4 6 4 Uniaxial stress/MPa Uniaxial stress/MPa 图7突变温度(a)和临界温度(b)随单轴应力的变化 Fig.7 Changes in catastrophic temperature(a)and critical temperature(b)with uniaxial stress 结果表明，突变温度和临界温度随轴压均呈 根据拟合关系式，结合各参数之间的变化趋 三阶函数变化.变化关系式如式(12)~(15)所示. 势，煤突变和临界温度的极大值和极小值出现在 y=82.648+16.346x-6.45x2+0.643x (12) 距临界轴压±0.5MPa处，分别为1.8和5.5MPa.当 y=97.844+33.19x-11.55x2+x3 (13) 单轴应力小于1.8MPa时，随单轴应力的增加，煤 样被压实，平均孔隙率减少，气体流动减慢，表观 y=69.454+29.094x-10.91x2+1.02x (14) 活化能增大，煤固体分子之间热扩散能力弱，突变 y=58.74+22.725x-9.125x2+0.918x3 (15) 和临界温度增大；当轴压在1.8~5.5MPa时，随单 由图7可以发现，各单轴应力与突变和临界温 轴应力增大，煤在被压实的基础上逐渐出现新的 度之间的关系变化趋势基本一致，可较为清楚的 裂隙，逐渐产生自由基，接触热阻减小，煤与气体 观察到Tco和TCo拟合程度较高，由耗氧速率表征 接触面积增大，气体渗流速度加快，氧化反应速率 的突变和临界温度较低.说明单轴应力下各煤样 增强，突变和临界温度开始减小；当轴压大于5.5MPa 煤自燃发展与CO相关度较高.这一相关性主要 时，压裂煤的裂隙被压实，煤固体分子间振动频率 因为：受单轴应力破坏的煤，物化性质发生改变， 减慢，气体渗流速度减慢，接触热阻增大，煤氧反 同时煤分子侧链多，富含大量含氧官能团与煤固 应速率缓慢，耗氧量和气体浓度较小，突变和临界 体分子之间反应比较活泼. 温度增大

样的突变温度，8 MPa 相比各单轴应力下煤样的突 变温度有大幅度的增高. 综上所述，突变温度和临界温度越低，煤表观 活化能越小，氧化作用由缓慢过渡到剧烈越容易. 当单轴应力为 2 和 4 MPa 时，煤样的平均孔隙率 减小，气体与煤孔隙接触面积减小，氧气在煤裂隙 中流动速度很慢，煤吸附氧的能力很弱，氧化反应 速度缓慢；当单轴应力为 6 MPa 时，煤破坏严重， 出现大量裂隙，煤样充分吸收氧气，供氧速率增 大，产生大量的自由基，使其突变温度，临界温度 和表观活化能较低. 上述分析进一步说明突变和 临界温度可以作为煤自燃倾向评价的标准. 结合 表 3 和表 4，根据各临界和突变温度值，可以得到 5 种测试煤样的煤自燃倾向性由小到达的排序为： 8 MPa<2 MPa<4 MPa<6 MPa<0 MPa，即原煤样最容 易自燃，8 MPa 煤样最不容易自燃. 5    单轴应力对突变与临界温度的影响 5.1    突变和临界温度随单轴应力的变化 在表 2 的基础上，更深入的了解单轴应力下煤 样突变和临界温度特征参数的变化，运用函数确 定性关系和非确定性的相关关系，将突变和临界 温度特征参数与单轴应力参数进行数学公式拟合 如图 7 所示. 0 2 4 6 8 60 80 100 120 140 Temperature/ ℃ Uniaxial stress/MPa y=82.648+16.346x−6.45x 2+0.643x 3 R=0.92 y=97.844+33.19x−11.55x 2+x 3 R=0.66 (a) T CO T HY Fitting curve Fitting curve 0 2 4 6 8 Uniaxial stress/MPa 40 60 80 100 120 T ′ CO T ′ HY Fitting curve Fitting curve Temperature/ ℃ y=69.454+29.094x−10.91x 2+1.02x 3 R=0.92 y=58.74+22.725x−9.125x 2+0.918x 3 R=0.87 (b) 图 7    突变温度（a）和临界温度（b）随单轴应力的变化 Fig.7    Changes in catastrophic temperature (a) and critical temperature (b) with uniaxial stress 结果表明，突变温度和临界温度随轴压均呈 三阶函数变化，变化关系式如式（12）～（15）所示. y = 82.648+16.346x−6.45x 2 +0.643x 3 （12） y = 97.844+33.19x−11.55x 2 + x 3 （13） y = 69.454+29.094x−10.91x 2 +1.02x 3 （14） y = 58.74+22.725x−9.125x 2 +0.918x 3 （15） TCO T ′ CO 由图 7 可以发现，各单轴应力与突变和临界温 度之间的关系变化趋势基本一致，可较为清楚的 观察到 和 拟合程度较高，由耗氧速率表征 的突变和临界温度较低. 说明单轴应力下各煤样 煤自燃发展与 CO 相关度较高. 这一相关性主要 因为：受单轴应力破坏的煤，物化性质发生改变， 同时煤分子侧链多，富含大量含氧官能团与煤固 体分子之间反应比较活泼. 根据拟合关系式，结合各参数之间的变化趋 势，煤突变和临界温度的极大值和极小值出现在 距临界轴压±0.5 MPa 处，分别为 1.8 和 5.5 MPa. 当 单轴应力小于 1.8 MPa 时，随单轴应力的增加，煤 样被压实，平均孔隙率减少，气体流动减慢，表观 活化能增大，煤固体分子之间热扩散能力弱，突变 和临界温度增大；当轴压在 1.8～5.5 MPa 时，随单 轴应力增大，煤在被压实的基础上逐渐出现新的 裂隙，逐渐产生自由基，接触热阻减小，煤与气体 接触面积增大，气体渗流速度加快，氧化反应速率 增强，突变和临界温度开始减小；当轴压大于 5.5 MPa 时，压裂煤的裂隙被压实，煤固体分子间振动频率 减慢，气体渗流速度减慢，接触热阻增大，煤氧反 应速率缓慢，耗氧量和气体浓度较小，突变和临界 温度增大. 表 4    不同单轴应力下煤样临界温度 Table 4    Critical  temperature  of  coal  sample  under  different  levels  of uniaxial stresses Uniaxial stresses /MPa T ′ CO/℃ T ′ HY/℃ 0 70.0 60.0 2 90.0 70.0 4 80.0 70.0 6 70.0 60.0 8 128.2 128.2 徐永亮等： 单轴应力下烟煤氧化‒自燃灾变温度 · 1319 ·

·1320 工程科学学报，第43卷，第10期 由耗氧速率表征的突变和临界温度拟合出 V(x0(),x(k)= R值较低，但实验还是可以较为清楚地看出两者之 minmin xo (k)-xi(k)+maxmax xo (k)-xi(k) 间的影响规律，说明还需有待增大样本，提高精度 Lxo (k)-xi(k)+max max lxo (k)-xi(k) 后进一步进行总结和规律的研究 (16) 5.2突变和临界温度特征参数间关系 两种温度均是煤自燃从缓慢氧化过渡到快速 为=1∑”V(oW,x) (17) n k=1 氧化的临界点，可以用来对不同单轴应力下的煤 式中：为0()和x(k)的关联度；0为参考序列； 自燃倾向性进行评价.表3,4可以明显看出温度 x为比较序列；为分辨系数，0.5；n为被评价的个 变化趋势一致，但突变温度值平均高于临界温 数.介于篇幅有限不再给出详细计算过程.根据 度，为更准确的把握煤自燃发展过程中缓慢氧化 表3和表4中所列数据求出各轴压参数与特征参 过渡到快速氧化的临界点，采用灰色关联度的方 数的灰色关联度如表5所示 法以确定单轴应力对温度特征参数的影响程度， 选择出准确的过渡温度点，更好的控制煤自燃的 表5单轴应力与特征参数的灰色关联度 发生 Table 5 Grey relational grades of characteristic and axial compression parameters 根据图7，将5种轴压下的煤样编号为：1、 Uniaxial stresses /MPa TCo THY 2、3、4、5,对于同类特征参数，不同轴压下的煤 Tco THY Average value 2 0.860.670.770.54 0.71 样突变和临界温度各异，表明煤样受到应力作用 4 0.810.840.830.59 0.77 后物化性质发生变化，致使煤自燃发展过程中由 6 0.770.600.660.52 0.64 缓慢氧化过渡到快速氧化的温度点产生差异；不 8 0.950.890.790.62 0.82 同的特征参数分别从CO释放速率、CH4释放速 率和耗氧速率表现煤自燃两个氧化阶段的过渡状 4个表征参数在对煤自燃突变和临界温度的 况，其中Tco,TY,TCo和Ty4个参数比较接近且 特征上具有一致性，为便于分析统计对4组灰色 变化趋势一致，可视为有效参数：经计算，乙烯气 关联度数值取均值.对4组数据进行分析：煤样在 体由于浓度低，释放速率较慢，与上述4个参数相 受到单轴应力为8MPa时与各温度特征参数灰色 比差别较大，无法相互印证，视为无效参数 关联度最大，2和4MPa次之，6MPa轴压与特征 53轴压与突变温度参数灰色关联度分析 参数的关联度最小.表明应力的存在会直接的影 分析得到这4个参数虽从不同的方向反应出 响到煤自燃突变温度的特征参数，相比于其他应 煤自燃的突变点，但特征参数随单轴应力变化的 力条件，8MPa时的影响程度最大，表明单轴应力 趋势相同，样本容量较小；为得到系统中应力与突 的改变对突变和临界温度具有较大的影响 临温度之间关联性的量度，故采用灰色关联分析 根据表5单轴应力与温度特征参数的灰色关 法对4个参数的结果共同分析问题，根据不同时 联度，由CO表征的关联度要高于由耗氧速率表征 间序列对应点之间的距离来测度系统因素的变化 的温度值，证明了单轴应力对CO表征的突变和临 趋势和因素之间的密切程度.以轴压与突变温度 界温度的影响较大，使用CO参数作为特征参数更 间关联度的大小可直接反应影响程度，更加的科 为合理；当Tco和Tco做比较，Tco总体上高于To 学和准确：对参数和轴压之间的复杂关系进行灰 综合程序升温试验得到的图2，由斜率变化表示的 色关联分析，以得到轴压与表征参数之间的灰色 临界温度受试验时测取温度的时间，点影响，在主 关联度 观影响下，不能准确的得到煤自燃发展过程中由 通过查阅文别，参照文献方法进行计算与分 缓慢氧化到快速氧化过渡的温度点，造成临界温 析，在确定参考数列时，对不同数列相互取参，确 度表征的过渡温度点的偏差较大 定出各指标的最优值构成参考数列，可以在计算 6结论 时消除一定的误差，使结果的可信度较高：在计算 过程中轴压与特征温度的物理意义、数据量纲和 (1)针对不同埋藏深度煤层自燃防治的需求， 数量级不同，故本文量纲一的方法为均值化法，其 需准确掌握应力对煤自燃非线性发展过程缓慢到 基本计算公式如式(16)和式(17)： 快速氧化的转折温度点，本文采用荷载加压煤自

由耗氧速率表征的突变和临界温度拟合出 R 值较低，但实验还是可以较为清楚地看出两者之 间的影响规律，说明还需有待增大样本，提高精度 后进一步进行总结和规律的研究. 5.2    突变和临界温度特征参数间关系 两种温度均是煤自燃从缓慢氧化过渡到快速 氧化的临界点，可以用来对不同单轴应力下的煤 自燃倾向性进行评价. 表 3，4 可以明显看出温度 变化趋势一致，但突变温度值平均高于临界温 度，为更准确的把握煤自燃发展过程中缓慢氧化 过渡到快速氧化的临界点，采用灰色关联度的方 法以确定单轴应力对温度特征参数的影响程度， 选择出准确的过渡温度点，更好的控制煤自燃的 发生. TCO THY T ′ CO T ′ HY 根据图 7，将 5 种轴压下的煤样编号为 ： 1 #、 2 #、3 #、4 #、5 # ，对于同类特征参数，不同轴压下的煤 样突变和临界温度各异，表明煤样受到应力作用 后物化性质发生变化，致使煤自燃发展过程中由 缓慢氧化过渡到快速氧化的温度点产生差异；不 同的特征参数分别从 CO 释放速率、C2H4 释放速 率和耗氧速率表现煤自燃两个氧化阶段的过渡状 况，其中 ， ， 和 4 个参数比较接近且 变化趋势一致，可视为有效参数；经计算，乙烯气 体由于浓度低，释放速率较慢，与上述 4 个参数相 比差别较大，无法相互印证，视为无效参数. 5.3    轴压与突变温度参数灰色关联度分析 分析得到这 4 个参数虽从不同的方向反应出 煤自燃的突变点，但特征参数随单轴应力变化的 趋势相同，样本容量较小；为得到系统中应力与突 临温度之间关联性的量度，故采用灰色关联分析 法对 4 个参数的结果共同分析问题，根据不同时 间序列对应点之间的距离来测度系统因素的变化 趋势和因素之间的密切程度. 以轴压与突变温度 间关联度的大小可直接反应影响程度，更加的科 学和准确；对参数和轴压之间的复杂关系进行灰 色关联分析，以得到轴压与表征参数之间的灰色 关联度. 通过查阅文[28] ，参照文献方法进行计算与分 析，在确定参考数列时，对不同数列相互取参，确 定出各指标的最优值构成参考数列，可以在计算 时消除一定的误差，使结果的可信度较高；在计算 过程中轴压与特征温度的物理意义、数据量纲和 数量级不同，故本文量纲一的方法为均值化法，其 基本计算公式如式（16）和式（17）： V (x0 (k), xi(k)) = min i min k      x0 (k)− xi(k)      +ξmax i max k      x0 (k)− xi(k)      |x0 (k)− xi(k)|+ξmax i max k |x0 (k)− xi(k)| （16） γi = 1 η ∑η k=1 V (x0 (k), xi(k)) （17） γi x0 (k) xi(k) x0 xi ξ η 式中 ： 为 和 的关联度 ； 为参考序列 ； 为比较序列； 为分辨系数，0.5； 为被评价的个 数. 介于篇幅有限不再给出详细计算过程. 根据 表 3 和表 4 中所列数据求出各轴压参数与特征参 数的灰色关联度如表 5 所示. 表 5 单轴应力与特征参数的灰色关联度 Table 5   Grey relational grades of characteristic and axial compression parameters Uniaxial stresses /MPa TCO THY T ′ CO T ′ HY Average value 2 0.86 0.67 0.77 0.54 0.71 4 0.81 0.84 0.83 0.59 0.77 6 0.77 0.60 0.66 0.52 0.64 8 0.95 0.89 0.79 0.62 0.82 4 个表征参数在对煤自燃突变和临界温度的 特征上具有一致性，为便于分析统计对 4 组灰色 关联度数值取均值. 对 4 组数据进行分析：煤样在 受到单轴应力为 8 MPa 时与各温度特征参数灰色 关联度最大，2 和 4 MPa 次之，6 MPa 轴压与特征 参数的关联度最小. 表明应力的存在会直接的影 响到煤自燃突变温度的特征参数，相比于其他应 力条件，8 MPa 时的影响程度最大，表明单轴应力 的改变对突变和临界温度具有较大的影响. TCO T ′ CO TCO T ′ CO 根据表 5 单轴应力与温度特征参数的灰色关 联度，由 CO 表征的关联度要高于由耗氧速率表征 的温度值，证明了单轴应力对 CO 表征的突变和临 界温度的影响较大，使用 CO 参数作为特征参数更 为合理；当 和 做比较， 总体上高于 ， 综合程序升温试验得到的图 2，由斜率变化表示的 临界温度受试验时测取温度的时间点影响，在主 观影响下，不能准确的得到煤自燃发展过程中由 缓慢氧化到快速氧化过渡的温度点，造成临界温 度表征的过渡温度点的偏差较大. 6    结论 （1）针对不同埋藏深度煤层自燃防治的需求， 需准确掌握应力对煤自燃非线性发展过程缓慢到 快速氧化的转折温度点，本文采用荷载加压煤自 · 1320 · 工程科学学报，第 43 卷，第 10 期