通风速率对云南褐煤垂直正向阴燃传播影响的实验研究

为解决煤矿火灾中褐煤阴燃（smoldering）难以检测和扑灭的问题，研究人员通过TG-DSC热分析和定制阴燃装置，系统研究了通风速率（20-95 ml/min）对褐煤氧化动力学及垂直传播特性的影响。发现最佳通风速率为65 ml/min，此时热释放率达-5.2 mW/mg，临界传播风速为0.0297-0.052 m/s，并建立数学模型us=0.0016uA-3.2939×10-5，揭示风速每增加0.01 m/s传播速率提升3.9-5.7 cm/h。该研究为矿井通风系统防火设计提供了理论依据。

　　

煤炭作为我国主要能源，其开采安全始终面临煤矿火灾的严峻挑战。其中，阴燃（smoldering）作为一种隐蔽的低氧燃烧现象，因难以察觉且具有自持传播特性，成为矿井火灾防控的难点。阴燃不仅会持续消耗煤炭资源，释放H₂S、CO等有毒气体，还可能引发瓦斯爆炸，对矿工生命和生态环境构成双重威胁。尽管前人研究了材料理化性质、环境参数对阴燃的影响，但针对褐煤在强制通风条件下的垂直传播机制仍缺乏系统认知。

山西某高校的研究团队在《Process Safety and Environmental Protection》发表论文，通过热重-差示扫描量热（TG-DSC）分析和自主设计的阴燃实验装置，揭示了通风速率对云南褐煤氧化动力学及垂直传播规律的影响。研究发现，通风速率通过调控热损失与氧供给的平衡，显著改变阴燃传播行为。当通风速率达65 ml/min时，褐煤氧化反应最剧烈，特征温度较其他组降低7.3-20.8°C，热释放率峰值达-5.2 mW/mg。在垂直传播实验中，临界维持风速为0.0297-0.052 m/s，风速从7 L/min增至24.5 L/min时峰值温度上升615.74°C，但超过28 L/min后因对流散热增强导致温度骤降535.42°C。研究创新性地建立了包含傅里叶热损失计算的垂直传播数学模型，理论公式u_s=0.00109u_A-2.0405×10^-5与实验数据u_s=0.0016u_A-3.2939×10^-5高度吻合，证实风速每增加0.01 m/s，传播速率提升3.9-5.7 cm/h。

关键技术方法包括：1）采用NETZSCH STA 449F3同步热分析仪进行六组不同通风速率（20-95 ml/min）的TG-DSC测试；2）设计可调控通风的圆柱形反应器（直径10 cm×高30 cm）进行垂直阴燃实验；3）基于傅里叶热传导定律建立控制体积模型，量化强制通风下的热损失效应。

研究结果具体表现为：
热分析：TG-DTG曲线显示褐煤氧化分三阶段：水分蒸发（30-150°C）、挥发分析出（150-400°C）和固定碳燃烧（400-600°C），通风速率显著影响第二阶段动力学参数。
TG-DTG：65 ml/min组表现出最快的失重速率（0.28%/min）和最大放热强度，证实中等通风强度最有利于氧化链式反应。
数学模型：理论模型揭示强制通风会引发反应区显著热损失，当风速超过自持极限时，对流散热成为抑制阴燃的主因。

结论部分强调，该研究首次量化了通风速率对褐煤阴燃垂直传播的阈值效应，发现14-24.5 L/min区间内峰值温度升温速率与通风速率呈线性关系（13.66°C/h·(L/min)^-1）。通风主要主导热解阶段，对焦炭氧化阶段影响微弱，这一发现为矿井通风系统的"窗口期"防控策略提供了科学依据。研究成果不仅丰富了多孔介质燃烧理论，更对煤矿火灾的主动阻燃技术开发具有指导价值，例如可通过调控局部通风速率将阴燃控制在非传播阈值以下。