2 朝阳煤矿煤样自然发火全过程的实验模拟
超过56天后，对应煤温为210℃ (活性温度)，二十小时后煤温即可超过380℃（燃点）。
2）实验台内煤体高温点动态变化的总趋势是由煤体中上部向下部移动，即向进风侧移动。氧化初期，距供风表面一定距离的炉体中上部温度变化率较快；随着煤氧化时间加长，温度变化率较快的点不断向进风侧移动，高温点最终移至供风侧煤体表面，形成明火，现场实际情况下的煤自燃过程也是如此。
采空区和巷道松散煤体内高温点形成初期，均位于距供风表面一定深度的中部，该处漏风强度适中，氧气浓度适宜，最易满足煤自燃条件而形成自热高温点。随着自燃的发展，高温点不断向进风侧发展，因此，工作面采空区的自燃高温点多发生在进风侧。由于煤层自燃火源点逆着风流方向发展，气体顺着风流方向流动，因此，实际条件下煤体发生自燃时，CO等指标气体浓度最高的地点不一定就是高温点，从而为寻找火源点造成困难。
3）实验初期炉内中心轴处温度上升最快，煤温超过100℃后，由于耗氧量增大，最高温度点向孔隙率大、供氧充分的炉边移动。
4）随着煤体温度的升高，在供风量适宜的情况下，煤体升温速度加快。当煤温低于临界温度时，为保证炉体内的氧气供给充分，增加供风量，煤体升温速度会有所下降。而当煤温超过100℃后，加大风量，高温点温度则会迅速上升。
现场大量实例也证明，一旦采空区出现自然发火征兆时，加大工作面风量会使着火时间缩短，而减小风量，自燃趋势会明显地受到抑制。
5）煤温超过140℃后，煤体升温速度加快，超过1℃/h；煤温超过210℃后，煤体升温速度急剧增加，在供风充足的情况下，不超过1天时间，煤温即可超过燃点。
因此，当煤矿井下出现自燃征兆时，采用均压控制向火区的漏风量，能使煤自燃升温速度下降，延长自然发火期，对抑制火势的发展有明显的作用。 2.4.2.2气体数据分析
从煤自然发火实验的测试数据可以看出，随煤自燃氧化放热过程的发展，煤温逐渐上升，与此同时风流的CO浓度、氧气浓度以及煤样的温升速度等参数均发生一系列变化。实验炉内最顶部气体浓度分析汇总表见附表3，实验炉内温度与气体检测原始数据见附表4。
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2 朝阳煤矿煤样自然发火全过程的实验模拟
2100200019001800170016001500140013001200110010009008007006005004003002001000C2H4×10C2H6C3H835404550556065707580859095100105110115120125130135140145150155185255265270275280
图2.9朝阳煤矿煤样实验过程中气体（C2H4、C2H6、C3H8）浓度与煤温的关系曲线
1100010000COCO2÷10CH4900080007000600050004000300020001000035404550556065707580859095100105110115120125130135140145150155185255265270275280
图2.10 朝阳煤矿煤样实验过程中气体（O2、CO2、CH4）浓度与煤温的关系曲线
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2 朝阳煤矿煤样自然发火全过程的实验模拟
从附表3、附表4和图2.9至图2.10可知，在煤自燃过程中，各种气体指标在一些温度段会发生突变。
2.5 理论分析 2.5.1耗氧速度
在实验条件下,松散煤体内的漏风强度恒定，且风流沿纵向z轴方向均匀流动，根据传质学理论，煤体内氧浓度的一维稳态平衡方程为
dC/d???V(T) （2.1）
式中，V(T)为温度T时的耗氧速度，mol/(s.cm3)。
因为
d??dx/Q，Q?Q/S
式中，Q为实验供风量，m3/s；S为炉体断面积，m2。
则
QdC/dx??V(T) （2.2）
煤体的耗氧速度与氧气浓度成正比，则
V(T)?CV0(T) C0 （2.3）
式中，C0为标准氧浓度，21%；V0(T)为标准氧浓度时的煤体耗氧速度，mol/(s.cm3)。
则把式（2.3）代入式（2.2）得
dC??V0(T)?Cdx Q?C0 （2.4）
两边积分得
V0(T)?Q?C0C?ln1 （2.5）
S?(z2?z1)C22.5.2放热强度
2.5.2.1放热强度的热平衡计算法
在本实验条件下，炉体内风速很小，可近似认为通过碎煤的风流温度与煤温相同，仅考虑煤的氧化放热、传导散热和风流的对流散热，忽略其它形式热交换，可得炉内中心轴处的热平衡方程为
?T?T?2T?2T q(T)??e?Ce??Q??g?Cg???e?(2?2) （2.6）
???Z?r?Z其中：?e?n?g?(1?n)?m，ce?ncg?(1?n)cm，?e?n?g?(1?n)?m
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2 朝阳煤矿煤样自然发火全过程的实验模拟
式中，T为煤温，℃；q(T) 为放热强度，J/(s.cm3)；τ为时间，s；Q为供风强度，cm3/(s.cm2)；?e为煤体等效导热系数，J/(cm.s.℃)；Ce为煤体等效比热容，J/(g.℃)；ρe为煤体等效密度，g/cm3；r,Z为实验台径向和纵向坐标，cm；ρm，Cm，ρg，Cg分别为实体煤与空气的密度和比热容；n为孔隙率。
煤自燃过程中的氧化放热强度与氧浓度成正比，则
q0(T)?q(T)?C0/C （2.7） 式中，C为测点实际的氧浓度，%；qo(T)为标准氧浓度时的氧化放热强度。
2.5.2.2化学键能守恒估算法
在自燃过程中，煤与氧发生化学反应，消耗氧气，同时产生CO、CO2等气体，因此，可根据化学键能守恒原理，计算煤样在实验条件下的放热强度。
由式（2.5）可推得炉体内任意点的氧浓度为
C?Ci?e?V0(T)?S?(z?zi)/(Q?C0) （2.8）
式中,Ci、Zi分别为某一已知点的氧浓度和该点到入口的距离。
在自然发火实验台中，氧气浓度沿着风流方向不断减少，CO和CO2浓度不断增加，炉体内某一点处煤体的CO和CO2产生率与氧气浓度成正比，即
0VC0(T)?VCO(T)?C/C0 （2.9）
0式中,Vco(T)为CO产生率，mol/（s.cm3）；VCO(T)为标准氧浓度时的CO产生率。
根据传质学理论，可建立松散煤体内CO浓度的一维稳态平衡方程为
dCco/d??VCO(T). （2.10）
1设高温点氧气和CO浓度分别为C1和CCO，到入口距离为Z1；其后一点CO浓度2为CCO，到入口距离为Z2。则式（2.8）、式（2.9）和式（2.10）联立并积分得
21V0(T)?(Cco?Cco) V(T)? （2.11） ?V0(T)?s?(z2?z1)/(Q?C0)C1?[1?e]0co0式中，Vco为标准氧浓度时的CO产生率，mol/（s.cm3）。
同理可得标准氧浓度时的CO2产生率为
V(T)?0co21V0(T)?(Cco?Cco)22C1?[1?e?V0(T)?s?(z2?z1)/(Q?C0)] （2.12）
.30式中，Vco为标准氧浓度时的CO。 2产生率，mol/（scm）2根据煤氧复合三步化学反应理论，煤的化学吸附热为58.8kJ/mol,氧化生成CO、CO2和H2O的平均热效应分别为319.5kJ/mol、446.7kJ/mol和348.6kJ/mol。
在煤自然发火过程中，可近似认为煤消耗的氧全部转化为CO和CO2，生成两种气体的比例与实际生成率相同，则煤氧化放热强度为
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2 朝阳煤矿煤样自然发火全过程的实验模拟
0VCO(T)0VCO(T)2qmax(T)?V(T)?V0co0CO2(T)?V0(T)??HCO?V(T)?V0co0CO2(T)?V0(T)??HCO2 （2.13）
式中，qmax(T)为煤氧化放热强度的上限。
假设氧的消耗除生成CO和CO2外，剩余部分全发生化学吸附，则可得出氧化放热强度为
0000 qmin(T)??Hr?[V0(T)?Vco(T)?VCO(T)]??HCO?Vco(T)??HCO?VCO(T) （2.14）
222式中，qmin(T)为煤氧化放热强度的下限。
煤的实际放热强度应介于两种估计值之间，即：qmin?qO(T)?qmax。
2.5.3煤自燃极限参数
煤自燃危险性由内因和外因共同决定，煤自燃的内因是煤自身氧化放热性能的强弱，对于特定的煤，其自身的氧化放热性能一定，能否发生自燃，主要取决于外因蓄热环境，即煤放热强度与周围环境散热强度的大小。
煤体升温的必要条件为
? ?e?ce?T?q??e?div(gradT)?(n??g?cg)?div(U?Tg) ?0 （2.15）
??式中，ρ
e
为煤体密度,g/cm3；ce为煤体比热容,J/(g·K)；λ
e
为煤体导热系数，
J/(cm·s·K)；T为煤体温度，K；?T/??为煤体升温速度，K/s；q为煤体放热强度，
?J/(cm3·s)；n为空隙率；ρg,cg,Tg为松散煤体内空气密度,比热容和温度；U为松散煤体内空气流速(cm/s)。
在这里，把能够引起煤自燃的必要条件的极限值称为煤自燃极限参数（此时煤自身氧化放热强度等于周围环境散热强度），主要有：最小浮煤厚度hmin；下限氧浓度Cmin；上限漏风强度Qmax；上限平均粒径dmax。
松散煤体自燃必须具备能够使散热强度小于放热强度的外界条件（即只有同时满足极限值条件内的煤才有可能自燃），即
(h?hmin)?(C?C)?(Q?Qminmax)?(d?dmax) （2.16）
3
2
式中，C为松散煤体内氧浓度，%；Q为松散煤体内漏风强度，cm/(cm·s)；h为煤体厚度，m；d为松散煤体平均粒径，cm。
2.5.3.1最小浮煤厚度
浮煤堆积量是煤自燃的物质基础，对特定的煤体，其周围的散热环境是确定的。煤体升温需足够的放热量，而放热量的大小则取决于浮煤量的大小，即浮煤堆积厚度。当浮煤厚度小于某一值时，浮煤散失的热量将等于浮煤产生的热量，该浮煤厚度值即为最小浮煤厚度。
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