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