2 朝阳煤矿煤样自然发火全过程的实验模拟
最小浮煤厚度主要与煤体放热强度、漏风强度和岩体温度有关。实际条件下，煤体放热强度、漏风强度和岩体温度均为定值，则最小浮煤厚度为确定的极限参数。设煤体升温速度等于零，由煤体升温必要条件式（2.15），可推得最小浮煤厚度的近似计算式为
Hmin??gCgQ(Tc?Ty)?(?gCgQ)2(Tc?Ty)2?8?eq0(Tc)(Tc?Ty) （2.17）
q0(Tc)式中，Tc为煤体温度；Ty为岩体温度；q0（Tc）是煤温为Tc时的煤体放热强度。
若不考虑漏风带走的热量，则
hmin?8?(Tc?Ty)?eq0(Tc) （2.18）
浮煤堆积厚度是煤体热量积聚的先决条件，只有在满足这一条件的基础上，才可以去考虑其它因素对蓄热环境的影响。
2.5.3.2下限氧浓度
氧气供给是煤自燃的另一个物质基础，对于特定的松散煤体，氧气供给越充分，煤与氧的化学吸附和化学反应越快，放热强度越大。在某一温度下其放热强度近似与氧浓度成正比，当氧浓度小于某个值时，煤氧复合产生的热量正好等于散发的热量，煤体升温速度为零，该极限值即为下限氧浓度Cmin。
下限氧浓度既与煤的氧化放热性有关，也与松散煤体堆积厚度、周围散热条件以及煤（岩）体温度有关。在现场实际条件下，煤体堆积厚度、周围散热条件以及煤（岩）体温度基本为定值，故下限氧浓度为可知的极限参数。设煤体升温速度等于零，由煤体升温必要条件式（2.15），可推得下限氧浓度近似计算式为
Cmin?2?(Tc?Ty) （2.19） C08??e(Tc?Ty)[??CQ?]ggq0(Tc)hh2式中,C0为标准状态氧浓度。
2.5.3.3上限漏风强度
松散煤体内漏风强度的大小，影响着煤体散热。对特定松散煤体，当漏风强度足够大时，煤氧复合产生的热量全部通过热传导和风流焓变所带走，该漏风强度值即为上限漏风强度。
上限漏风强度既与煤的放热强度相关，也与煤体和风流的温差相关。若考虑传导散热的存在，则与浮煤厚度也有关系。现场实际条件下，浮煤厚度、煤的氧化放热强度、煤（岩）体温度、风流温度均为定值，故上限漏风强度为可知的极限参数。由于松散煤体内渗漏风流很小，可近似认为风流温度等于岩体温度，设煤体升温速度等于零，由煤体升温必要条件式（2.15），可推得上限漏风强度的近似计算式为
25
2 朝阳煤矿煤样自然发火全过程的实验模拟
Qmax?h?q0(Tc)4?e （2.20）
?2??gCg(Tc?Ty)h?gCg2.5.3.4上限平均粒径
根据煤的粒度与氧化自燃性的研究，可拟合出煤氧反应速度（即耗氧速度）、放热强度与平均粒径的关系分别为
?V0'(T)?a?bln ??V0(T)?'?q0(T)?a?bln??q0(T)d50drefd50dref （b<0） （2.21）
式中，V0(T),V0'(T)分别为某粒度煤自然发火实验时测算的耗氧速度和煤平均粒径为
'(T)分别为某粒度煤自然发火实验时测算的d50时的耗氧速度，mol/(s·cm)；q0(T),q03
放热强度和煤平均粒径为d50时的放热强度；a,b为与煤粒粗糙度、空隙率等有关的常数，由实验确定；dref为松散煤体参考粒径。
由式(2.21)可知，煤的平均粒径越大，其氧化放热性越弱。在某一实际条件下，当煤的平均粒径大于某个值，煤氧化产生的热量等于煤体导热和漏风对流带走的热，煤温不再升高，则称此平均粒径值为上限平均粒径，用dmax表示。假定煤体升温速度等于零，煤体升温必要条件式（2.15）可写为
?div(?gCgQT)?div[?egrad(T)]?[a?bln(dmax)]q0(T)?0 （2.22）
dref推得上限平均粒径的近似计算式
dmax?dref?exp{?a?bdiv(?gCgQT)?div[?egrad(T)]b?q0(T)} （2.23）
在一定松散煤体厚度和漏风条件下，根据式（2.23）可求解出上限平均粒径dmax，只有当松散煤体平均粒径小于dmax时，才可能引起自燃。
2.6煤样自燃特性参数研究 2.6.1耗氧速率与放热强度
根据自然发火实验台所测的各点温度、氧浓度、CO和CO2浓度的分布，代入相应的公式，可测算出朝阳煤矿煤样在不同温度时，煤样在新鲜风流中的耗氧速度、CO和CO2产生率及放热强度见表2.6。
放热强度与煤温的关系曲线见图2.12
表2.6 放热强度测算表
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2 朝阳煤矿煤样自然发火全过程的实验模拟
时间 (天) 1.00 7.00 13.00 14.00 15.00 16.00 17.00 18.00 19.00 20.00 21.00 22.00 23.00 24.00 25.00 27.00 29.00 30.00 33.00 34.00 35.00 36.00 37.00 38.00 39.00 测点 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 4 4 4 4 4 4 4 4 4 4 4 4 4 4 流量3m/h 0.5 0.6 1.5 1.5 1.5 1.5 1.5 1.5 1.5 1.5 1.5 1.5 1.5 1.5 1.5 1.5 1.0 1.0 1.0 1.0 1.0 1.0 1.0 1.0 1.0 ΔT/Δτ ℃/h 0.0597 0.0757 0.0917 0.0958 0.0958 0.0875 0.1000 0.0875 0.0833 0.0833 0.0833 0.0417 0.0375 0.0833 0.0792 0.0646 0.1375 0.0819 0.0542 0.0375 0.0208 0.0375 0.0917 0.0375 0.0188 各有关测点的温度℃ Ti+1,0 Ti-1,0 19 17.9 24.3 24.3 34 34.9 35.7 36.7 37.8 38.9 39.9 41 42.3 43.4 44.6 45.8 47.5 55.3 50.4 51.4 52.6 53.5 55.3 55.9 57.6 58 62 61.7 64.4 64 66.5 65.9 68.8 68 70.8 69.9 77.9 76.5 79.3 77.8 77.8 76.3 83.1 81.7 84.1 82.8 85 83.8 85.7 84.4 [O2] (%) 18.23 18.12 19.26 20.61 21.45 21.17 19.78 18.98 18.08 18.82 18.27 15.69 15.52 15.27 15.16 16.81 16.65 17.37 13.98 14.67 17.99 20.4 17.92 18.53 18.14 q(T)×10 3J/(s.cm) 3.20 3.86 6.00 5.77 5.31 5.23 11.32 10.98 14.09 12.15 13.14 9.95 10.59 11.46 10.90 9.63 10.52 9.38 11.44 10.91 10.13 10.01 11.62 10.01 9.18 5Ti,0 30.1 24.5 42.5 44.2 46 47.9 50.2 52.6 48.6 58.3 61.1 64 67 72.7 75.3 77.8 80.3 82.6 90.6 91.9 90.8 95.5 96.4 97.3 97.8 Ti,1 31.6 40.3 51.2 53.3 55.7 58 60.1 62.4 64.6 66.6 68.6 70.6 71.6 74.5 76.2 78.3 79.9 81.4 86.5 87.7 87 92.2 93.4 93.9 94.5 q0(T)×10 3J/(s.cm) 3.69 4.47 6.54 5.88 5.20 5.19 12.02 12.15 16.36 13.56 15.10 13.32 14.33 15.77 15.10 12.03 13.27 11.34 17.19 15.61 11.83 10.30 13.62 11.34 10.63 5 27
2 朝阳煤矿煤样自然发火全过程的实验模拟 续表2.6 放热强度测算表 时间 (天) 41.00 42.00 43.00 45.00 46.00 47.00 48.00 49.00 50.00 51.00 52.00 53.00 54.00 55.00 55.20 55.40 55.80 56.20 56.30 56.40 56.50 56.70 56.80 56.90 57．20 57．40 测点 7 7 7 7 7 7 7 7 7 9 9 9 9 9 10 10 10 10 10 10 10 10 10 10 10 10 流量3m/h 1.0 1.0 1.0 1.0 1.0 1.0 1.5 1.5 1.2 1.0 1.0 1.5 1.0 1.5 1.5 1.5 1.5 1.5 1.5 1.5 1.5 1.5 1.5 1.5 1.5 1.5 ΔT/Δτ ℃/h 0.0083 0.0125 0.0104 0.0250 0.0333 0.0375 0.0333 0.0597 0.1083 0.0458 0.1625 0.1458 0.1792 0.2333 1.0625 0.4375 0.4479 0.8437 0.8333 1.6250 2.2917 22.062 3.6250 2.3750 0.5833 0.4792 Ti,0 98.2 97.9 98.5 99.2 99.8 100.6 101.5 102.3 104.9 106 109.9 113.4 117.7 123.3 128.4 130.5 134.8 142.9 144.9 148.8 154.3 260.2 268.9 274.6 278.8 281.1 各有关测点的温度℃ Ti+1,0 Ti-1,0 85.3 83.4 85 83 85.9 84.2 86.8 85.4 87.3 86 88 86.5 87.5 85.5 86.7 84.7 87.3 85.9 89.6 88.7 90.1 88.6 91.6 88.5 93.3 89 95.5 89.1 96.5 89.1 96.8 90.1 97.6 90.6 98.4 90.7 98.5 90.8 97.9 90.8 96.3 90.6 93.2 90.2 92.5 90.8 92.6 91.3 93.1 92.6 94.1 93.6 Ti,1 91.8 92.4 93.7 95.5 96.3 97 93.5 93.6 96.2 101 101.8 103.1 104.2 106.4 106.8 107.1 108.4 109 117.3 123.1 133.8 216.9 223.5 228.6 230.8 233.7 [O2] (%) 18.89 16.99 14.6 12.67 12.41 13.74 12.63 13.85 12.71 15.86 16.96 17.55 16.85 16.24 17.39 17.89 17.71 16.64 13.1 13.79 12.27 9.12 17.29 18.55 15.72 12.97 q(T)×10 3J/(s.cm) 12.01 11.39 10.51 9.91 10.05 10.38 14.83 18.41 19.58 13.45 21.99 24.56 29.97 36.87 72.79 52.57 81.35 76.28 104.88 127.07 904.23 248.08 206.12 145.01 141.32 81.35 5q0(T)×10 3J/(s.cm) 13.35 14.08 15.11 16.43 17.01 15.87 24.65 27.92 32.35 17.81 27.23 29.39 37.35 47.67 87.89 61.71 102.66 122.28 159.72 217.48 2082.12 301.32 233.34 193.71 228.81 102.66 5 400380放热强度(×10-5J.cm-3.s-1)3603403203002802602402202001801601401201008060402002030405060708090100110120130140150160实测曲线拟合曲线煤温(℃) 图2.12 放热强度随煤温变化关系
从图2.12可以看出，煤温在62~76 ℃以下时，耗氧速度、放热强度、CO和CO2产生率等特性参数值增加缓慢；煤温超过该温度后，这些特性参数值开始明显增加；煤温超过90~100℃后，放热强度急剧增加。
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2 朝阳煤矿煤样自然发火全过程的实验模拟 700耗氧速度(×10-11mol.ml.s-1)6506005505004504003503002502001501005002030405060708090100110120130140150160实测曲线拟合曲线煤温(℃) 图2.23 耗氧速度随煤温变化关系
从图2.23可以看出，煤温在临界温度以下时，煤样耗氧速度增加缓慢；煤温超 过该温度后，耗氧速度的增加明显加快；煤温超过干裂温度后，耗氧速度急剧增加。
2.6.2 煤自燃的极限参数
根据实验结果所测算出的放热强度和耗氧速度，代入相应的煤自燃极限参数测算公式，假设浮煤空隙率为0.22，则松散煤体导热系数λe为1.22×10-3 J/(cm.s.℃)，漏风强度取实验室漏风强度0.04cm3/cm2.s，岩层温度取25℃。表6.4给出计算出的煤厚度0.7～2m、煤温30～170℃时的下限氧浓度值。表6.5给出在浮煤厚度0.6～2m、煤温30～170℃时的上限漏风强度值。表6.6给出漏风强度为0.01～0.4cm3/(cm2.s)（漏风强度为零时，表示忽略漏风带走的热量）时的最小浮煤厚度。
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