马 砺1,张 朔1,邹 立1,拓龙龙2
(1.西安科技大学 安全科学与工程学院,陕西 西安 710054;2.内蒙古昊盛煤业有限公司 通风队,内蒙古 鄂尔多斯 017212)
摘 要:煤自燃不仅严重威胁着矿井的安全生产,甚至会引发火灾事故造成资源浪费和人员伤亡。煤岩体之间的热传导是引起煤自燃的关键因素之一,因此对煤岩体的传热能力开展研究是很有必要的。煤的导热系数是判定煤岩热传导能力的重要参数。在本研究中,为了分析不同变质程度煤的导热系数,探究温度和含水量对煤样导热系数的影响,在不同环境温度和含水量情况下分别测试了焦煤、长焰煤、褐煤、无烟煤和不黏煤这5种不同变质程度的煤样。采用LFA457型激光导热仪对这几种不同变质程度煤样的导热系数进行了测定。此外,应用Pearson相关系数法分析了不同煤质指标对煤样导热系数的影响规律。试验结果表明:煤样的导热系数与其变质程度呈负相关,即随变质程度的增加而逐渐减小;当温度为-50~10 ℃时,煤样的导热系数随着温度升高而显著升高;在10~50 ℃时,煤样的导热系数呈现出先缓慢增大最后趋于平稳的趋势;煤样的变质程度越低,其含水量对导热系数的影响越大;Pearson相关系数法的分析结果表明煤质指标对煤样导热系数影响的重要程度依次为灰分、固定碳、挥发分和水分。该试验研究有助于了解不同变质程度煤导热系数的影响因素及变化规律,并可进一步为煤火灾害的防治工作提供一定的理论基础。
关键词:煤导热系数;Pearson相关系数法;温度;含水量
中图分类号:TD75;TQ533
文献标志码:A
文章编号:0253-2336(2019)06-0146-05
MA Li1,ZHANG Shuo1,ZOU Li1,TUO Longlong2
(1.School of Safety Science and Engineering, Xi’an University of Science and Technology, Xi’an 710054, China;2.Ventilation Team,Inner Mongolia Haosheng Coal Industry Co., Ltd.,Erdos 017000,China)
Abstract:Coal spontaneous combustion is a serious threat in safe production of coal, which could result in a coal fire, causing waste of resources and serious injuries and fatalities.Heat transfer between coal and rock is one of the key factors causing coal spontaneous combustion.Thus, research on heat transfer between coal and rock is essential to reduce coal spontaneous combustion.The thermal conductivity of coal is a major parameter for determining the thermal ability of coal.In this study, we analyze the thermal conductivity of different ranks of coal and investigate the effect of temperature and moisture content on thermal conductivity.Five coal samples of different ranks,namely coking coal, long flame coal, lignite, anthracite, and non-stick coal,were tested respectively under different ambient temperatures and moisture contents.Meanwhile, the thermal conductivity of these five coal samples was measured by the LFA457 laser thermal conductivity meter.In addition, the Pearson correlation coefficient methodwas applied to explore the effect of different coal compositions on thermal conductivity.The results indicate that the thermal conductivity of coal samples is negatively correlated with thecoal rank.In another word, lower thermal conductivity is associated with higher coal rank.When temperature is -50~10 ℃, the thermal conductivity of coal increases swiftly with the increase of temperature.When temperature is 10~50 ℃, the thermal conductivity of coal increases slowly and then tends to be stable.A lower degree of coal maturity indicates a greater effect of moisture content on thermal conductivity.It is also found that ash has the most significant influence on thermal conductivity of coal, then followed by fixed carbon, volatile matter,and moisture.This experimental study provides an understanding of influence factors and variation laws of thermal conductivity of different ranks of coal, and further provides a theoretical basis for the prevention and control of coal fire disasters.
Key words:thermal conductivity of coal;Pearson correlation coefficient method;temperature;moisture content
马 砺,张 朔,邹 立,等.不同变质程度煤导热系数试验分析[J].煤炭科学技术,2019,47(6):146-150.doi:10.13199/j.cnki.cst.2019.06.022
MA Li,ZHANG Shuo,ZOU Li,et al.Experimental analysis of thermal conductivity of different ranks of coal[J].Coal Science and Technology,2019,47(6):146-150.doi:10.13199/j.cnki.cst.2019.06.022
收稿日期:2018-12-29
责任编辑:王晓珍
基金项目:国家自然科学基金面上资助项目(51574193)
作者简介:马 砺(1978—),男,四川隆昌人,教授,博士。 E-mail:mal@xust.edu.cn
我国每年因煤火灾害损失煤炭资源上万吨,由此引发的环境污染和生态破坏,对我国造成的经济损失达20亿元,因此研究煤岩体的热传导规律对减少煤火灾害具有指导意义[1]。
煤的导热系数是判定煤岩热传导的重要基础参数之一[2],煤导热系数及其影响因素引起了许多学者的关注,主要研究方法多以灰色系统理论为主[3],而Pearson关联分析法在煤导热系数与相关因素的分析鲜有提及。其中,周西华等[4]建立了多水平多影响因素的二次回归响应曲线模型,得到了如下结论:在一定的范围内,一次项影响因素为密度>固定碳>水分;二次项影响因素为固定碳和密度>水分和密度>水分和固定碳;岳高伟等[5]通过试验得到导热系数随温度的升高而升高的结论。杨建蒙等[6]采用Fluent模拟方法得到通过温度场分布图,通过试验测量数据得到了精准的导热系数。陈清华等[7]提出平面热源法准确测定了松散煤体的导热系数。Wen等[8]发现导热系数和温度成正比,与热扩散系数成反比。
大多数含水煤层普遍存在自燃现象,讨论不同含水情况下煤的导热系数的变化规律,对于掌握煤体的传热、传质具有重要的意义[9]。唐明云等[10]依据平行热线的国际标准原理,设计出松散煤体导热系数的测量装置,并采用含水量不同的煤样进行多次试验,得到结论:随着含水量的增加,煤体的导热系数增加,趋势逐渐平稳。褚廷湘等[11]建立了含水煤体简化模型,采用有限元数值模拟得到导热系数随含水量的增大而增大,趋势随着温度的升高而逐渐变缓。
灰色关联法利用其灰色关联模型对各项指标的最优值进行确定,部分指标最优值难以确定,使得现有的灰色关联模型存在的不足之处难以解决某些方面的实际问题[12]。因此,笔者采用Pearson法分析灰分(Aad)、挥发分(Vad)、固定碳(FCad)、水分(Mad)等不同煤质指标对煤导热系数的影响规律。
取淮南张集焦煤、硫磺沟长焰煤、新疆淮东褐煤、辛庄无烟煤和石拉乌苏不黏煤5种不同变质程度的煤样作为试验样本,使其满足标准GB/T 212—2008《煤的工业分析方法》要求[13],表1展示了5种煤样的工业分析参数。
表1 煤样工业分析数据
Table1 Coal sample industry analysis data
将淮南张集焦煤、硫磺沟长焰煤、新疆淮东褐煤、辛庄无烟煤和石拉乌苏不黏煤5种煤样打磨成直径12.7 mm、厚度为1.8 mm的样片,每个煤种4个共24个,从中各取2个测其原煤样导热系数。为改变煤样含水率各取1个样片置于65 ℃恒温干燥箱中进行干燥处理,12 h后取出待其质量无变化后标记为干燥样片;再各取1个样片放入水容器内浸泡12 h后取出,待其质量无变化后标记为饱和水样片。
将LFA457型激光导热仪进行试验前校准,稳定后将处理过的5种煤样放入载片台上。该装置根据激光闪光法的原理测量煤样的热性能参数,即当激光照射到煤体下表面时,下表面温度升高与上表面形成差异,红外检测器检测煤体上表面的中心温度的变化,以获得煤体的热扩散系数和比热容,利用热扩散系数和比热容计算导热系数[14]。
试样正面受高强度的短时能量脉冲辐射并吸收使背面温度逐渐升高,记录煤样背面温度及其变化,通过下式计算导热系数[15]:
α=0.138 79L2/t1/2
(1)
λ=αCpρ
(2)
式中:α为热扩散系数,m2/s;L为试样厚度,m;t1/2为能量脉冲辐射开始到试样背面温度升到最高时所需的1/2时间,s;λ为导热系数,W/(m·K);Cp为煤样的比热容,J/(kg·K);ρ为煤样的体积密度,kg/m3。
煤的变质程度是指在温度、压力、时间的作用下,煤的化学性质及其物理性质变化的程度[16],选取的5种煤样的变质程度从高到低依次为无烟煤、焦煤、不黏煤、长焰煤、褐煤。5种煤样导热系数从大到小依次为新疆淮东褐煤、淮南张集焦煤、石拉乌苏不黏煤、硫磺沟长焰煤、辛庄无烟煤。由此可得,煤的变质程度越高,其导热系数越小。这是因为由于煤的变质程度或煤化程度越高,煤的自燃倾向性越低[17],煤中的含氧官能团越少,孔隙度减小,分子结构越紧密,所以越不易自燃[18]。
选取-50—+50 ℃温度区间下5种煤样的导热系数随温度的变化规律,得到如图1所示的分布情况。
图1 5种煤样导热系数随温度的变化
Fig.1 The thermal conductivity of five coal samples changes with temperature
由图1可知,除不黏煤呈现波动式上升以外,其余淮南张集焦煤、硫磺沟长焰煤、新疆淮东褐煤、辛庄无烟煤均呈现-50~10 ℃时导热系数随着温度的升高而显著升高的趋势,前后上升幅度为0.02 W/(m·K)左右,10~50 ℃后煤的导热系数缓慢上升并趋于平稳。
在-50~0 ℃段,产生少量固态水,由于固态水的导热系数比煤体本身导热系数要高,随着温度升高,导热系数上升较为明显。当升温到0 ℃以上时,固态水转化为液态水,并进一步转化为气态水,由于水蒸气的扩散所引起的对流以及水蒸气的导热系数比煤体孔隙间的空气的导热系数大,所以导热系数表现为缓慢上升,当其中的气态水趋于饱和时,运移速度减缓,使得导热系数最终渐趋平稳[19]。
通过对5种不同变质程度的煤层的原煤样与其干燥煤样、饱和水煤样导热系数的对比,探究含水量对导热系数的影响,如图2所示。
图2 5种变质程度煤样含水量对导热系数的影响
Fig.2 Effect of water content of five kinds of metamorphic coal samples on thermal conductivity
由图2可知,5种煤样含水量对导热系数的影响程度为:焦煤干燥煤样>饱和水>原煤样;长焰煤干燥煤样>原煤样>饱和水煤样;无烟煤原煤样和干燥煤样>饱和水煤样;褐煤饱和水煤样>原煤样>干燥煤样;不黏煤原煤样>干燥煤样>饱和水煤样。长焰煤和无烟煤中含水量越低的煤样导热系数越大;褐煤含水量越高其导热系数越大;焦煤含水量最低的导热系数最高,其次为含水量最高的煤样、原煤样;不黏煤原煤样导热系数最高,其次为干燥煤样,最后是饱和水煤样。无论是干燥(含水量为0)还是饱和水的煤样,导热系数都随着温度的升高而升高,不同变质程度的煤含水量对导热系数的影响不同,具体表现为煤的变质程度越低,其含水量对导热系数的影响越大。
这是因为变质或煤化程度越高,含氧官能团越少,导致了煤表面的亲水基团减少,煤的亲水性降低,导热性能越差,使含水量的影响随着煤的变质程度的降低而变大,但由于长时间水浸泡,5种变质程度煤的煤体结构被破坏,而产生更多的表面活性基团,变现为不同变质程度的煤的含水量对导热系数的影响不同[9,18]。
相关性程度采用Pearson乘积矩阵相关系数R表征,R是一个范围在[-1.0,1.0]的指数,可以很好地反映2个数据集合之间的线性相关程度,计算公式如下[20]。
(3)
式中:n为样本量;X为第1个数据集合;Y为第2个数据集合。
选取淮南张集焦煤、硫磺沟长焰煤、新疆淮东褐煤、新庄无烟煤、石拉乌苏不黏煤的原煤样,在-50~50 ℃,每10 ℃选取1个点,导热系数见表2。通过使用Pearson法计算所得的结果见表3。
表2 5种不同变质程度原煤样温度与导热系数的关系
Table 2 Temperature and thermal conductivity of
five different metamorphic coal samples
表3 5种不同变质程度原煤样的Pearson相关系数
Table 3 Pearson correlation coefficient of five different metamorphic coal samples
根据Pearson相关系数法可知,相关系数的绝对值越接近于1,则代表该影响因素影响能力越高[21],水分、灰分、挥发分、固定碳中,影响煤的导热系数的主要因素依次为灰分Aad、固定碳FCad、挥发分Mad、水分Vad。
1)导热系数与变质程度成负相关,即煤的变质程度越高导热系数越小;煤样的变质程度越低,含水量对其导热系数影响越大。
2)通过对5种不同变质程度的煤样进行工业分析和导热系数测定,发现对于饱和水煤样和干燥煤样而言,温度在-50~10 ℃时导热系数随着温度的升高而明显升高,10~50 ℃时煤的导热系数趋于平缓。
3)根据Pearson相关系数的计算结果可知:影响导热系数的因素排序依次为灰分、挥发分、固定碳、水分;所以灰分、挥发分为煤导热系数的主要影响因素,固定碳和水分次之。
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