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 ·