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