2 朝阳煤矿煤样自然发火全过程的实验模拟
表2.7 耗氧速度测算 时间测点流 量 3(天) i (m/h) 1.00 2 0.5 7.00 2 0.6 13.00 2 1.5 14.00 2 1.5 15.00 2 1.5 16.00 2 1.5 17.00 2 1.5 18.00 2 1.5 19.00 2 1.5 20.00 2 1.5 21.00 2 1.5 22.00 4 1.5 23.00 4 1.5 24.00 4 1.5 25.00 4 1.5 27.00 4 1.5 29.00 4 1.0 30.00 4 1.0 33.00 4 1.0 34.00 4 1.0 35.00 4 1.0 36.00 4 1.0 37.00 4 1.0 38.00 4 1.0 39.00 4 1.0 41.00 7 1.0 42.00 7 1.0 43.00 7 1.0 45.00 7 1.0 46.00 7 1.0 47.00 7 1.0 48.00 7 1.5 49.00 7 1.5 50.00 7 1.2 51.00 9 1.0 52.00 9 1.0 53.00 9 1.5 54.00 9 1.0 55.00 9 1.5 55.20 10 1.5 55.40 10 1.5 55.80 10 1.5 56.20 10 1.5 56.30 10 1.5 56.40 10 1.5 56.50 10 1.5 56.70 10 1.5 56.80 10 1.5 56.90 10 1.5 57.20 10 1.5 57.40 10 1.5 浓 度(%) CO浓度(ppm) CO2浓度（ppm） 耗煤 温 氧氧速度 CO产生率 CO2产生率 qmin qmax +11+11+11+5+5(℃) 测点i 测点i+1 测点i 测点i+1 测点i 测点i+1 ×10 ×10 ×10 ×10 ×10 31.7 18.23 16.76 7 8 2315 2672 9.06 0.06 2.20 0.14 0.32 40.3 18.42 17.13 8 9 5521 6372 9.38 0.07 6.19 0.30 0.38 51.2 19.26 17.61 3 5 5697 7283 28.94 0.35 27.82 1.26 1.28 53.4 20.61 19.24 5 6 3650 4510 22.23 0.16 13.95 0.68 0.90 55.7 21.45 20.51 8 9 1680 2880 14.48 0.15 18.48 0.69 0.81 58.0 21.17 20.52 15 16 1930 2490 10.08 0.16 8.68 0.40 0.43 60.1 19.78 18.92 17 28 2880 4340 14.36 1.84 24.38 0.75 1.08 62.5 18.98 17.78 31 80 4060 5810 21.10 8.62 30.78 1.04 1.54 64.6 18.08 17.08 57 168 8730 12780 18.39 20.41 74.46 1.44 3.51 66.6 18.82 17.56 65 164 4070 6210 22.39 17.59 38.03 1.15 2.05 68.6 18.27 16.25 106 211 5760 8430 37.86 19.68 50.04 1.80 2.66 70.6 15.69 14.5 183 221 11988 15315 25.49 8.14 71.25 1.66 3.12 71.6 15.52 14.37 244 297 21165 23988 24.88 11.46 61.07 1.51 2.81 72.5 15.27 13.65 186 264 11372 12905 36.24 17.45 34.29 1.56 1.98 74.5 15.16 14.47 192 206 13367 16206 15.05 3.05 61.93 1.21 2.57 78.3 16.81 16.39 205 260 12770 15532 8.18 10.71 53.77 0.88 2.40 81.4 16.65 15.15 86 120 14450 18710 20.34 4.61 57.76 1.34 2.48 84.7 17.37 16.58 102 151 12540 14828 10.03 6.22 29.04 0.66 1.34 90.6 13.98 13.74 176 249 11300 12740 3.73 11.35 22.38 0.36 1.18 91.9 14.67 14.6 222 261 4960 6480 1.03 5.74 22.37 0.28 1.02 92.8 17.99 17.73 78 282 6650 10570 3.14 24.61 47.28 0.61 2.48 93.3 20.4 17.45 137 298 8410 11900 33.65 18.36 39.81 1.54 2.21 94.2 17.92 16.68 134 420 9320 15010 15.45 35.63 70.88 1.27 3.74 96.4 18.53 17.72 202 518 7610 13720 9.63 37.56 72.63 1.09 3.82 97.3 18.14 16.37 50 612 12040 14690 22.12 70.22 33.11 0.99 3.19 98.2 18.89 18.2 270 386 11530 13730 8.02 13.48 25.56 0.54 1.38 97.9 16.99 16.5 812 1189 11300 14690 6.30 48.50 43.61 0.63 2.96 97.2 14.6 13.58 816 1081 5720 7000 15.60 40.53 19.58 0.67 1.88 99.2 12.67 10.93 1466 2073 3940 5010 31.82 111.01 19.57 1.07 3.76 99.8 12.41 9.99 1707 2372 8230 12010 46.73 128.40 72.99 2.16 6.36 100.6 13.74 12.05 1645 2124 3540 4880 28.27 80.13 22.42 1.05 3.06 101.5 12.63 12.39 1741 2182 9550 11520 6.20 113.91 50.89 0.59 4.89 102.3 13.85 11.79 1939 2265 4560 5890 52.03 82.34 33.59 1.96 3.69 104.9 12.71 10.73 2132 2369 7510 8020 43.78 52.40 11.28 1.48 2.02 106 15.86 14.55 1250 1432 5940 8149 18.57 25.80 31.32 0.93 1.98 109.9 16.96 16.1 1304 1441 7070 15600 11.21 17.86 111.19 1.63 4.83 113.4 17.55 16.34 1536 1614 8690 15400 23.08 14.88 128.01 2.23 5.48 117.7 16.85 14.71 1521 1726 8600 14250 29.26 28.03 147.25 2.41 6.88 123.3 16.24 15.09 688 995 13100 20810 23.73 63.35 159.11 2.52 7.91 128.4 17.39 2.08 1254 2727 12330 20300 686.16 660.17 357.20 25.61 34.60 130.5 17.89 2.19 1249 2741 12500 20260 678.67 644.95 335.45 25.13 33.33 134.8 17.71 2.12 1270 2751 12660 20330 685.90 651.58 337.45 25.38 33.61 142.9 16.64 4.31 896 1699 14980 22430 436.50 284.27 263.74 16.96 19.99 144.9 13.1 4 818 1639 14730 22090 383.33 345.84 310.03 15.63 23.03 148.8 13.19 4.05 825 1595 14880 22850 381.53 321.42 332.69 15.88 23.28 154.3 12.27 3.96 840 1605 14870 22740 365.43 336.40 346.08 15.48 24.09 260.2 9.12 2.07 855 1608 14570 21160 479.17 511.79 447.90 20.10 33.15 268.9 17.29 6.13 1546 2440 12760 17450 335.06 268.41 140.81 12.21 14.23 274.6 18.55 5.89 2150 3315 12200 16910 370.69 341.12 137.91 13.22 16.16 278.8 15.72 3.58 4130 5964 13300 23290 478.09 722.25 393.42 19.04 36.35 281.1 12.97 3.49 5128 9565 12760 34040 424.18 1985.31 952.16 21.44 89.68 -3
-1
-3
-1
注：耗氧速度，CO和CO2产生率的单位是 mol.cm.s，qmin、qmax的单位是J.cm.s
30
2 朝阳煤矿煤样自然发火全过程的实验模拟
表2.8 测算参数汇总表 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 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 煤 温 (℃) 31.7 40.3 51.2 53.4 55.7 58.0 60.1 62.5 64.6 66.6 68.6 70.6 71.6 72.5 74.5 78.3 81.4 84.7 90.6 91.9 92.8 93.3 94.2 96.4 97.3 98.2 97.9 97.2 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 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 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 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 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 5qmin +5×10 0.14 0.30 1.26 0.68 0.69 0.40 0.75 1.04 1.44 1.15 1.80 1.66 1.51 1.56 1.21 0.88 1.34 0.66 0.36 0.28 0.61 1.54 1.27 1.09 0.99 0.54 0.63 0.67 1.07 2.16 1.05 0.59 1.96 1.48 0.93 1.63 2.23 2.41 2.52 25.61 25.13 25.38 16.96 15.63 15.88 15.48 20.10 12.21 13.22 19.04 21.44 qmax +5×10 0.32 0.38 1.28 0.90 0.81 0.43 1.08 1.54 3.51 2.05 2.66 3.12 2.81 1.98 2.57 2.40 2.48 1.34 1.18 1.02 2.48 2.21 3.74 3.82 3.19 1.38 2.96 1.88 3.76 6.36 3.06 4.89 3.69 2.02 1.98 4.83 5.48 6.88 7.91 34.60 33.33 33.61 19.99 23.03 23.28 24.09 33.15 14.23 16.16 36.35 89.68 耗氧速度 +11×10 9.06 9.38 28.94 22.23 14.48 10.08 14.36 21.10 18.39 22.39 37.86 25.49 24.88 36.24 15.05 8.18 20.34 10.03 3.73 1.03 3.14 33.65 15.45 9.63 22.12 8.02 6.30 15.60 31.82 46.73 28.27 6.20 52.03 43.78 18.57 11.21 23.08 29.26 23.73 686.16 678.67 685.90 436.50 383.33 381.53 365.43 479.17 335.06 370.69 478.09 424.18 CO产生率 +11×10 0.06 0.07 0.35 0.16 0.15 0.16 1.84 8.62 20.41 17.59 19.68 8.14 11.46 17.45 3.05 10.71 4.61 6.22 11.35 5.74 24.61 18.36 35.63 37.56 70.22 13.48 48.50 40.53 111.01 128.40 80.13 113.91 82.34 52.40 25.80 17.86 14.88 28.03 63.35 660.17 644.95 651.58 284.27 345.84 321.42 336.40 511.79 268.41 341.12 722.25 1985.31 CO2产生率 +11×10 2.20 6.19 27.82 13.95 18.48 8.68 24.38 30.78 74.46 38.03 50.04 71.25 61.07 34.29 61.93 53.77 57.76 29.04 22.38 22.37 47.28 39.81 70.88 72.63 33.11 25.56 43.61 19.58 19.57 72.99 22.42 50.89 33.59 11.28 31.32 111.19 128.01 147.25 159.11 357.20 335.45 337.45 263.74 310.03 332.69 346.08 447.90 140.81 137.91 393.42 952.16 注：耗氧速度，CO和CO2产生率的单位是 mol.cm-3.s-1，qmin、qmax的单位是J.cm-3.s-1
31
2 朝阳煤矿煤样自然发火全过程的实验模拟
表2.9 不同浮煤厚度与不同煤温时的下限氧浓度(%)
浮煤厚度（m） 温度q0(T)×105 3(℃) J/(s.cm) 0.6m 0.7m 0.8m 1.0m 1.2m 1.4m 1.6m 1.8m 2.0m 30 40 50 60 70 80 90 100 110 120 130 140 150 160 170 6.46 7.66 9.09 10.79 12.80 15.18 18.02 21.37 25.36 30.09 35.70 42.36 50.26 59.63 70.75 8.83 14.88 18.81 21.14 22.27 22.52 22.15 21.33 20.23 18.94 17.56 16.15 14.74 13.38 12.08 6.49 10.93 13.82 15.53 16.36 16.55 16.27 15.67 14.86 13.92 12.90 11.86 10.83 9.83 8.88 4.97 8.37 10.58 11.89 12.53 12.67 12.46 12.00 11.38 10.66 9.88 9.09 8.30 7.53 6.80 3.18 5.36 6.78 7.61 8.02 8.11 7.98 7.68 7.29 6.82 6.33 5.82 5.31 4.82 4.35 2.21 3.72 4.71 5.29 5.57 5.64 5.54 5.34 5.06 4.74 4.39 4.04 3.69 3.35 3.02 1.62 2.74 3.46 3.89 4.10 4.14 4.07 3.92 3.72 3.48 3.23 2.97 2.71 2.46 2.22 1.24 2.10 2.65 2.98 3.14 3.17 3.12 3.01 2.85 2.67 2.47 2.27 2.08 1.88 1.70 0.98 1.66 2.09 2.35 2.48 2.51 2.47 2.38 2.25 2.11 1.96 1.80 1.64 1.49 1.35 0.80 1.34 1.70 1.91 2.01 2.03 2.00 1.92 1.82 1.71 1.58 1.46 1.33 1.21 1.09 从表2.9中看出，随着浮煤厚度增加，下限氧浓度值下降，即浮煤堆积越多，散热条件越差，维持煤体氧化升温所需的氧气量越少；当浮煤厚度为0.6m，煤温80℃时，下限氧浓度值超过21%，则在实际条件下，浮煤肯定不会自燃，即朝阳煤矿的浮煤厚度若小于0.6m，则煤温不会超过其临界温度而发生自燃。
表2.10 不同浮煤厚度和不同温度时的上限漏风强度（10-2cm3.cm-2.s-1）
浮煤厚度（m） 温度q0(T)×105 3(℃) J/(s.cm) 0.6m 0.7m 0.8m 1.0m 1.2m 1.4m 1.6m 1.8m 30 40 50 60 70 80 90 100 110 120 130 140 150 160 170 6.46 7.66 9.09 10.79 12.80 15.18 18.02 21.37 25.36 30.09 35.70 42.36 50.26 59.63 70.75 8.66 2.59 0.74 -0.03 -0.35 -0.42 -0.32 -0.09 0.25 0.69 1.24 1.89 2.67 3.58 4.64 12.05 15.21 21.12 26.73 32.15 37.46 4.96 7.11 11.00 14.58 17.98 21.27 2.80 4.64 7.92 10.88 13.66 16.33 1.90 3.61 6.63 9.33 11.86 14.27 1.53 3.19 6.10 8.70 11.12 13.43 1.45 3.10 5.99 8.57 10.97 13.25 1.57 3.23 6.16 8.77 11.20 13.52 1.83 3.54 6.54 9.22 11.73 14.12 2.23 3.99 7.10 9.90 12.52 15.02 2.74 4.58 7.83 10.78 13.55 16.20 3.38 5.30 8.75 11.87 14.82 17.66 4.15 6.18 9.84 13.19 16.36 19.41 5.06 7.22 11.14 14.74 18.17 21.49 6.12 8.43 12.65 16.56 20.29 23.91 7.35 9.84 14.42 18.68 22.76 26.73 42.70 24.48 18.93 16.61 15.66 15.46 15.76 16.44 17.46 18.78 20.42 22.40 24.73 27.46 30.63 2.0m 47.89 27.64 21.47 18.90 17.84 17.62 17.95 18.71 19.84 21.31 23.13 25.33 27.92 30.95 34.47 从表2.10中得知，随着浮煤厚度增加，上限漏风强度增大，即在实际情况下，浮煤厚度越大，产生的热量越多，热量越不容易通过顶底板散失，上限漏风强度越大；浮煤厚度小于0.6m时，上限漏风强度将为负值，此时煤氧化产生的热量通过热传导就全部散失，浮煤不会自然升温，也表明了浮煤厚度小于0.6m，煤温不会超过其临界温度而发生自燃。
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2 朝阳煤矿煤样自然发火全过程的实验模拟
表2.11 不同温度和不同漏风强度时的极限浮煤厚度(m)
温度 q0(T)×10 0.005 0.01 0.015 0.02 0.03 0.04 0.05 0.06 0.09 0.2 332cm3/(cm2.s) cm3/(cm2.s) cm3/(cm2.s) cm3/(cm2.s) cm3/(cm2.s) cm3/(cm2.s) cm3/(cm2.s) cm3/(cm2.s) cm3/(cm2.s) (℃) J/(s.cm) cm/(cm.s) 30 40 50 60 70 80 90 100 110 120 130 140 150 160 170 6.46 7.66 9.09 10.79 12.80 15.18 18.02 21.37 25.36 30.09 35.70 42.36 50.26 59.63 70.75 0.40 0.52 0.59 0.63 0.64 0.65 0.64 0.63 0.61 0.59 0.57 0.54 0.52 0.49 0.47 0.41 0.54 0.61 0.65 0.67 0.67 0.67 0.65 0.63 0.61 0.59 0.56 0.54 0.51 0.48 0.42 0.56 0.63 0.67 0.69 0.70 0.69 0.68 0.66 0.63 0.61 0.58 0.55 0.52 0.50 0.43 0.57 0.65 0.70 0.72 0.72 0.72 0.70 0.68 0.66 0.63 0.60 0.57 0.54 0.51 0.45 0.61 0.70 0.75 0.77 0.77 0.77 0.75 0.73 0.70 0.67 0.64 0.60 0.57 0.54 0.47 0.64 0.74 0.79 0.82 0.83 0.82 0.80 0.77 0.74 0.71 0.67 0.64 0.60 0.56 0.49 0.67 0.78 0.84 0.87 0.88 0.87 0.85 0.82 0.79 0.75 0.71 0.67 0.63 0.59 0.51 0.71 0.82 0.89 0.92 0.93 0.92 0.90 0.86 0.83 0.79 0.75 0.70 0.66 0.62 0.57 0.81 0.95 1.03 1.07 1.08 1.07 1.04 1.00 0.96 0.91 0.86 0.80 0.75 0.70 0.79 1.18 1.42 1.56 1.63 1.65 1.62 1.58 1.51 1.43 1.35 1.26 1.17 1.09 1.01 5从表2.11得知，随着漏风强度增大，漏风强度越大，风流带走的热量越多，就要求浮煤量越多（即浮煤厚度越大），极限浮煤厚度越大；极限浮煤厚度极大值在80℃左右，只要浮煤厚度小于此温度的极限浮煤厚度，浮煤就不会自燃。
从以上分析图表中可以看出：煤温超过75-90℃后，煤体氧化放热强度、CO产生率、耗氧速度和升温速度均加快，故推断该煤层临界温度75-90℃；当煤温超过105-120℃时，煤体氧化放热强度、CO产生率、耗氧速度和升温速度急剧增加，故推断该煤层干裂温度为105-120℃。
根据以上分析图表可以看出：当煤温上升超过干裂温度时，CO产生量剧增，氧浓度剧降，耗氧速度和升温速度迅速增加。煤在20℃起始温度时的实验最短自然发火期为61天。
2.7结论
根据朝阳煤矿煤样（平均粒度为10.25mm）的实验测试和理论分析得知: 1) 在起始温度为20℃时的实验最短自然发火期为61天；
2) 临界温度为75～90℃，干裂温度为105～120℃；当煤温达到临界温度时，离出现明火大约还有16～20天；
3) 随煤温升高，煤体氧化放热强度、CO产生率、耗氧速度和升温速度增加。煤温小于临界温度时，增加缓慢；超过临界温度后，增速加快；超过干裂温度后，急剧增加；
4) 随煤温升高，高温点向进风侧移动，即火源点逆着风流移动，到达煤体表面时就会出现明火；
5) 下限氧浓度最大值在80℃左右，只要氧浓度低于此温度的下限氧浓度，浮煤
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2 朝阳煤矿煤样自然发火全过程的实验模拟
就不会自燃。浮煤厚度小于0.6m时，下限氧浓度值大于21%，浮煤肯定不会自燃。 浮煤厚度增加，下限氧浓度值迅速降低，不同浮煤厚度时的下限氧浓度值见表2.12。
表2.12 不同浮煤厚度时的下限氧浓度和上限漏风强度
浮煤厚度(m) 0.6 0.7 0.8 1.0 1.2 1.4 1.6 1.8 2.0 下限氧浓度(%) 22.52 16.55 12.67 8.11 5.64 4.14 3.17 2.51 2.03 上限漏风强度 -0.42 1.45 3.10 5.99 8.57 10.97 13.25 15.46 17.62 注:表中上限漏风强度的单位为 (10cm.cm.s)
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6)上限漏风强度最小值在80℃左右，只要漏风强度高于此温度的上限漏风强度，浮煤就不会自燃。浮煤厚度小于0.6m时，上限漏风强度为负值，此时煤氧化产生的热量通过热传导就全部散失，浮煤不会自然升温，相反温度会下降。浮煤厚度越大，产生的热量越多，热量越不容易通过顶底板散失，上限漏风强度越大，不同浮煤厚度时的上限漏风强度见表2.12。
7)极限浮煤厚度最大值在80℃左右，只要浮煤厚度小于此温度的极限浮煤厚度，浮煤就不会自燃。漏风强度越大，风流带走的热量越多，就要求浮煤厚度越大，极限浮煤厚度越大。不同漏风强度时的极限浮煤厚度见表1.13。
表2.13 不同漏风强度时的极限浮煤厚度
漏风强度(10cm.cm.s) 0.5 -23-2-11 1.5 2 3 4 5 6 9 20 极限浮煤厚度(m) 0.65 0.67 0.70 0.72 0.77 0.83 0.88 0.93 1.08 1.65 8）通过气体分析可知，气体指标能够反应出朝阳煤矿的特征温度及煤分子在自然升温过程中的变化情况，因此，可通过气体指标对煤的自燃程度进行预报。
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