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松散煤体中氧气扩散系数的实验研究


第3 2卷 第 2期 
20 0 3年 3月  

中国矿业 大 学学 报 
Ju n l fC iaU nv ri  fM iig& Te h oo y o r a    h n   iest o  nn o y c n lg  

Vo . 2 1 3  NO 2 . 
Ma. 0  r 20 3

>
文章编号 :0 01 6 ( 9 3 0— 1 50  10 —9 4 2 0 )20 4 —3

松散煤体 中氧气 扩散 系数 的实验研 究 
邓  军 , 徐精彩 , 李 莉  
705) 1 0 4  ( 西安科技学 院 安全工程 系, 陕西 西安

摘要 : 根据松散介质中气体扩散的理论分析, 出了松散 煤体 中氧气等效扩散 系数 的理论计算  得
公式. 在静 态扩 散 双 容积 法 的基础 上 , 立 了松散 煤 体 中气体 扩散 系数 的 实验 测 定装 置 , 建 通过 测 

定氧 气在不 同空隙率松散 煤体 中的等效扩散 系数 , 确定了它的理论计算公式中修正 系数的取值  范围, 而得 出其与空隙率的函数关系. 从 最后根据热力学原理 , 推算 出松散煤 自燃过程 中不 同温  度和压力时氧气等效扩散 系数的近似计算公式.  
关键 词 :松散 煤体 ;氧 气 ; 散 系数  扩 中 图分类 号 :  5.  TD 7 21 文献标 识 码 : A 
的 空隙率 .  

松 散煤 体初 始 氧 化 自热 时 , 风 一般 较 小 , 漏 氧  气 主要 由扩 散 供 给[. 空 隙 空 径 大 小 , 1按 ] 扩散 可分  为 两类[ ] 一类是 在较 大空 径 的空 隙 中 , 2 :   氧气 由于  气 体分 子 间碰撞 引起 的扩 散 ( 称为 正常 扩散 或分 子  扩 散 ) 另 一类 是 在 空径 小 于 气 体分 子平 均 自由程  ; 的空 隙 中 , 由于 氧 气 分 子 与 壁 面 碰 撞 引起 的扩 散  ( 之 为 努 森 ( u de ) 散 ) 对 于 松 散 煤 体 ,   称 K n sn 扩 . 由 于 空 隙直径 较大 , 气在煤 体 中 的努森 扩散 和分 子  氧

扩 散 同时 发 生 , 扩散 性 通 常 用 等 效 扩 散 系数 表  其 示. 据文 献 [3 氧气 在松散 煤 体 中的等 效扩 散系 数  2,
主要 与空 隙尺 寸和空 隙类 型有 关 ( 一般 漏风 流速 较  小, 在此 不 考虑 因速 度波 动 引起 的机械 弥散 影 响) .   如 图 1 氧分 子 由 1向 2扩 散 , 扩 散 过 程 中必 须  , 在 通 过 曲折 路 径 , 然该 路 径 的长 度 不 知道 , 一 定  虽 但


图 1 松 散 煤 体 中 氧扩 散 路 径 不 意 图 
F g 1 S h ma i  r wi g o   x g n i .   c e tcd a n   f y e   o d fu in t a k i   r s e   o l i so  r c  n c a h d c a   f

般 , 于 相 同空 隙率 的不 同多 孔 介 质 , 扩  对 其

散 率  也 不 同 , 即公 式 中的修 正 系数 k 取 值 范 围  ;
不 同.  

比  一 。 , 扩散 还 与空 隙率 有关.   长 且 因此 , 松散 煤  体 内  方 向氧 的等效 扩散 系数 在理 论上 可 表示 为 
D e— b o , ' 2  D

为此 , 通过 实验 研究 确定 松 散煤 体 中氧气等 效  扩散 系数 理论 计算 公式 中修 正系 数 的取值 范 围.  

( ) 1 

其 中 

1 实验装置   

暑 ,  

( 2 )  

气 体扩 散 系 数 的实 验 测 定 方 法 有多 种 [ ]较  3 ,   常用 的 有蒸发 管法 、 滴蒸 发法 和双 容积 法.西安  液 交 通 大 学 多 相 流实 验 室对 双 容 积 法 进 行 改 进 , 于  1 9 年提 出了不装 搅拌 器 的静 态 扩散 双容 积 法[. 90 5  ] 如 图 2 通 过理 论分 析认 为 , 忽 略浓度 增量 影响  , 在

式 中:   氧气在松散煤 体 中的等 效扩散 系数 , D为  
r sDo为 氧气 在松 散煤 体 中 的分 子扩 散 系数 , n/ ;   一  般取 Do一2 0 r s 为 松散 煤体 的扩 散率 ;l   ×1  n / ; 忌  

为修 正 系 数 , 般 取 k一1 2 2 5  为 松 散 煤 体  一 - .~ .;

收稿 日期 :2 0 —0 0 2 4—0  2 基金项 目:国家 自然科学基金资助项 目( 0 0 0 6 ; 1 1 2 1 ) 国家杰出青年基金资助项 目( 0 2 4 4  5151) 作者简介 : 邓 军( 9 0) 男 , 1 7 一 , 四川省 大竹县人 , 西安科技 学院讲 师, 西安交通大学博 士研究 生, 从事煤 自燃机理及 自 燃危 险性 预测 技  术方面的研究.  

16 4 

中国矿业大学学报 

第3 2卷 

时 , 体 中气体 的体 积分 数 差异 仅 占毛细 管 中体积  球 分数 差 异 的 1 即不 装搅 拌 器仅 使 扩 散量 降 低 不  %,
到1 ,   与扩 散 系 数实 验 数 据 一 般 5 A 0 %左 右 的误 差  范 围相 比 , 忽略 不计. 可  

当体系平衡时, 设气体 的平均体积分数 为  ,   它可 以通 过质量平衡关 系 由初始体积分数  , 和 
仕, 确定 
( 1 V2 仇 一 V1   V2 ,   + ) 仇 + 仇    ( ) 5 

在 静态 扩 散 双 容积 法 的 基 础 上建 立 的 松 散 煤  体 中气体 扩散 系数 的实 验测 定装 置 见 图 3 .  

式 中 

为 气 室 A 的体积 , . m。  

同样 , 以 由任 意 瞬 时 的气 体 体 积 分 数  。 可 和 
仕。 来确 定 
( 1 V2 仇 一 V1 。 V2 。   + )   +   .   ( ) 6 

由 以上 几 式消掉  ,可 得  ,
d仇  

图 2 静态扩散双容积法实验装置结构 原理 
Fi .   Ex e i n a s to   h   o b e c n an r g2 p rme t l e   ft e d u l — o t i e   
m e ho   o   f u i n c fii n s t d f rdif so   oefce t 



 



 

:,  

( ) 7 

式 中  一 
到  。从 而得  ,

三 常数 .  

对 式 ( ) 0到 t 7从 积分 , 应 的体 积 分 数 由  , 相  

黼  



e. . . .
. 

() 8 

仇 1  

从而 , 只要 取 样 测得  ,就 可 以 由式 () 算  , 8计 氧气 在松 散煤体 中的等 效扩 散 系数 D  .  
图 3 松散煤体 中氧气扩散 系数 的实验测定装置 
Fi .   Ex e i n a s tf rt e d fu in g3 p rme t l e  o   h   if so     c e f in   fo y e  n c a h d c a  o fi e to   x g n i   r s e   o l c

3 实验结果与分析 
煤 样取 自兖 矿 ( 团 ) 司兴 隆 庄 矿 3 层 , 集 公  煤  

该 实 验 装 置 采 用 一 根 长 为 4   m, 面 为  6c 断 1 . 2 m  有机 玻璃 管 将两 容 器相 连 , 活塞 控  9 6 5c 的 用 制 其 两端 的开启 . 氧 气 引入 空 气 室 ( 室 ) 氮 气  将 A ,

实验 前在 颚 式破 碎机 上 破碎 , 筛 分 出小 于 0 2 , 并 . 5 
0 2 ~ 0 9 0 9 3 3 5 5 7mm 几 种 不 同粒  . 5 . ,. ~ , ~ ,~   度, 然后 进 行实 验 , 隔 8h左 右用 针 管取 出气 样 , 每     用 S 3 3 色 谱 仪分 析 . 实 验 在 常 温 常压 下 ( P 4 0型 此 £  


引入 氮 室 ( B室) 两气 室均 密 闭 . 节 一 室 压 力 使  , 调 之 平 衡 , 用 针 筒 取 出 A, 并 B两 室 气 体 , S 3 3  用 P 40 气 相色 谱仪 进行 分析 , 测得 两气 室 中 的初始氧 气体 
积 分数 为  和 仕 经 过 一定 时 问 t ; 的扩 散后 , 再测 

2 0℃ , 一1 2 3 0 P ) 行 ( 应地 取 氧气 分  户 . 1 ×1  a 进 相
表 1 实验结果 
T b e1 Ex e i n a  eu t  a l   p rme tlrs ls
粒 径 范 围/ 平 均 粒 径 /    
m m   a n ri  

子 扩散 系数 为 3  /) 实验 结果 见表 1 5m  s. .  

定 A, B两气 室 中的氧气 体 积分 数 , 别记 为  , 分 和  仕。重复 测 定 若 干时 刻 的气 体体 积 分 数 , 一 组 实  . 得
测值 .  

0 5 5 . 7  0 5 5 . 7 

0 4 4 . 4  0 4 4 . 0 

4 0  85 0 4  0   57 0 4 0  03 0 3  0   59 0 4 0  60 0 4 0  01 0 3 0  93 0 4  0  85 0 46 0 0  0 

0. 42 3 2    0 2 85 . 2    0. 01 6 2   
0 79 6 .1     0 29 8 .2     0 2 03 . 0    0 96 3 .1     0 2    . 42 2 0 2 00 . 3    0 2 59 . 0   0 1    . 89 6

2 松散煤体等效 扩散 系数的计算方法 
假定 松散 煤体 中的气体 扩 散过 程为 准静 态 , 则 
D 
Q Z 

0 5 5 . 7  0 5 5 . 7  l 9  _ 5 1 9  . 5

0 3 3 . 7  0 3 9 . 1  0 4 3 . 2  0 3 2 . 9  0. 6   3 2
0. 40 4  

一 D 

L 

,  

() 3 

1 9  . 5 3 6 5 . 7  3 6 5 . 7  3 6 5 . 7 

式中

L为试 管 中松散 煤体 的有 效 长度 ,   m.
根 据质量 守 恒定律 得 
一  

0. 03 4   0. 7   3 4 0. 3   3 6 0. 6   4 3 0. 1   4 6 0. 9   4 1 0. 1   4 3

41 2 0   0 
37 9 0   0  5 0  07 0 46 4 0  0  5  0   52 0 4 0   68 0

3 6 5 . 2 
4  

0 2 33 . 5   0 2 20 . 3   0 2 61 . 7   0. 33 8 2   

一 

,  

() 4 

4  

6  

式中: s为试 管 中松散 煤 体 的 横截 面 积 , ; 为时  m t
问 ,; 为 气室 B的体积 , . S   m。  
① 李祟山.煤炭 自燃过程的扩散动力学研究.煤炭 高校青 年科学基 金项 目研究报 告,9 8 19  

6  

第 2期 



军等 :松散煤体 中氧气扩散 系数 的实 验研 究 

17 4 

松 散煤 体 扩散 率 与 空 隙关 系 的 实 验结 果 如 图  4 由 图 4可 知 , 验测 定 值 主要 分 布在 一 . 实  
如  
一  

0   0   0   0   0   0   0   0  

和 

D D ‘.   。      拿
加 博   0  

因此 , 同温度 和压 力条 件 下氧气 在松 散煤 体  不

两 条 直线 问的 区 域 , 氧气 等 效 扩 散 系 数  故

中的等 效 扩散 系数 

计算 公式 中修 正系数 的取值 范 围确定 为 k一1 3   . ~  14 取平 均 值 k一13 . .,   . 5 即松 散 煤 体 的扩 散率 一 
0 7 n. . 40  

D o4 o ‘. Ⅲ   .        -7  D 拿
5 结 论 
1 )根 据 实验 测 定 结 果 , 气 在松 散煤 体 中 的  氧
等 效 扩散 系数 与空 隙率 的关 系为 
D  一 0 4 n o . .7 07 D   

因此 , 散煤体 中氧气等 效 扩散 系数 的计算 公  松
式 为 
D  一 0 4 7 D o .7 0 n
, .  

( ) 9 

2 )煤 自燃 过 程 中 , 同温 度 和 压 力条 件 下 氧  不

气在 松 散煤 体 中 的等效 扩 散 系 数 与空 隙率 的 关 系 
为 

D o D ‘.   . o    -7   拿 4
" 

图 4 松散煤体扩散率与空隙率 的关系 
Fi .   Th   ea i n h p b t e   h   i u i n g4 e r lt s i   e we n t ed f s   o f o c e f i n   fo y e   n   h   o o i   fc a h d c a  o fi e to   x g n a d t e p r st o   r s e   o l c y

参考 文献 :  
[- 邓 -] 1 军, 徐精 彩 , 文 虎 , 综 放面巷道 松散煤体 氧  等.

气 浓 度 分 布 规 律 研 究 [] 西 安 科 技 学 院 学 报 ,9 9  J. 19 ,

4 讨

论 

1 ( 刊 )58 9增 ,-.  

[ ] 李汝辉.传质学基础I .北京 :北京航空学 院出版  2 - M]

实验 测定 了常温 常压下 松 散煤体 的 扩散 系数 ,   但 在煤 氧化 放热 自然 升温过 程 中 , 体温 度不 断变  煤 化, 因此 , 同温 度 下扩 散 系 数 的确 定 是 一个 非 常  不 重 要 的 问题. 据 热力 学 , 满 足分 子 扩 散 的条 件  根 在 下 , 于 氧 气 等 气 相 物 质 , 已知 温 度 t, 力 P  对 当 。压 。

社 ,1 8 . 9 3 

[ ] 张永祥 ,陈鸿汉.多孔 介质溶质运移 动力 学I .北  3 - M]
京 :地震 出 版 社 , 0 0 20.  

[ ] 彭海涛.R2 / 5 4  2R1 2非共沸混合工质水平单管外 凝结 
换热实 验研 究 I . 安 : 安 交 通 大学 能 动学 院, - 西 D] 西  
1 4  99 .

下 的扩 散 系数 D。温度 t, ,  压力 P下 的 氧气 分子 扩  散 系数 可按 式 (0 估计 [  1) 5 ]

[ ] 贝尔 5 

J .多 孔介质流体动力学I .李 竞生 , - M] 陈崇希 

译 . 京 :中 国建 筑 工 业 出版 社 ,1 8 . 北 93  

Ex e i e t lRe e r h o   fu in Co fiin   p rm n a  s a c   n Dif so   e fce t o  fOxy e  n Cr s e   a  g n i  a h d Co l
DENG u J n,XU ig c i Jn -a ,LILi    
( a e y En i e rn   p rme t S f t   g n ei g De a t n .Xi n Un v r i   fS in e a d Te h oo y,Xi n,S a x  1 0 4 ’   ie s y o   ce c  n   c n lg a t ’ a h n i   5 ,Ch n ) 70 ia 

Absr t tac :Th o g   h  he r tc la aysso  hedi u i n c e fce to   xy e  n c a he   o ,t a c a i n r u h t e t o e ia  n l i  ft   f so  o fiin   fo g n i   r s d c alisc lulto   f f r u a wa  o t i e . Ba e   n h  d u e c n ane me h d, a e p rm e a s t e tng h  d fu i n o m l  s b an d s d o  t e o bl— o t i r to n  x e i nt l e t si  t e if so   c e fce t wa  s t p a d he c r e t c efce t n t e f r o fiin   s e u   n  t   o r c   o fiin  i   h   o mul wa   e e mi e  b  ts i g t   if so   a s d t r n d y e tn   he d fu i n

c fiin   f o y e   n c a h d c a  t   i e e t p r st s An   h   ea in h p b t e   h   i u i n e c o f e t o   x g n i   r s e   o lwi df r n   o o i e . h f i d t e r lt s i  e we n t e d f so   o f c f ii ta d t e p r s y wa   a n d e c n o f e   n   h   o o i   sg i e .Fi al ,t e f r u a o  a c l t g t e df u in c f i e tu d r t e t nl y h  o m l  fc lu a i  h   i s   o f i n   n e  h   n f o e c
c nd to s o   if r ntt mp r t r   n   r s ur  n t   o e s o   o ls o t n o s c m b s in wa   v n  o ii n   f dfe e  e e a u e a d p e s e i  hepr c s   fc a  p n a e u   o u to   sgie . Ke   r s:c a he   o l x e y wo d r s d c a ;o yg n;dfuso   o fiin   if in c fce t e

( 责任编辑

付 国彬 )  


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