·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