不同变质程度煤自燃特性及低温氧化动力学分析

为了研究不同变质程度煤在低温氧化自燃过程中的特性,以及煤样变质程度对煤自燃过程的影响,利用程序升温试验系统研究了不同变质程度煤在低温氧化阶段气体与特征温度变化规律。通过计算其耗氧速率、放热强度,分析了耗氧速率、放热强度与温度之间的对应关系。同时分析了煤样变质程度对CO、CO₂气体及耗氧速率、放热强度的影响规律。根据程序升温的试验条件和阿伦尼乌斯公式建立了CO与温度的计算模型,分析了该方程的线性回归直线斜率,计算了不同变质程度煤低温氧化活化能,分析并印证了煤样变质程度与活化能之间的关系。根据不同煤质工业分析指标试验结果,进一步阐述了各煤种主要煤质工业分析指标的差别,分析了主要指标与煤程序升温试验自燃氧化参数的相关性,同时分析了主要工业分析指标对各特征参数的影响。结果表明:煤在低温氧化自燃过程所产出的CO和CO₂气体释放量、耗氧速率及放热强度均随温度升高而呈指数级增长;随煤样变质程度增加,CO和CO₂气体、耗氧速率、放热强度变化较小;煤的变质程度越高,特征温度和活化能越大;煤样自燃的可能性越小,危险性越小;结合煤样工业分析与活化能发现,水分、灰分、挥发分含量与活化能呈负相关。     

不同粒径易自燃煤常温氧化实验研究*

为探究易自燃煤在常温条件下的氧化特性,自行设计煤常温封闭氧化实验装置,采用实验研究与回归分析2种方法,分析易自燃煤发生氧化反应的气体变化过程,探究3种粒径煤样在20 ℃有限空间内的耗氧与产气特征。结果表明:易自燃煤样在16 d常温封闭氧化过程中,容器内O2体积浓度呈指数衰减、CO和CO2体积浓度呈指数增长的变化规律;在0.06~0.83 mm范围内,粒径越大,易自燃煤耗氧速率越大,CO和CO2产生速率则先增大后减小;介于中间的粒径为0.13~0.25 mm易自燃煤氧化反应最强烈,更容易发生氧化。研究结果对揭示生产环境温度下煤粒粒径对煤自燃的影响有一定的意义。     

不同煤层煤氧化自燃性实验分析

为研究不同煤层煤自然发火特征的异同性及规律，以淮南矿区1号、3号、6号、13号煤层为研究对象，通过自然发火实验，对不同煤层煤的自然发火期周期、煤样70℃时放热强度和R70值进行分析。研究结果表明:4个不同煤层煤样自燃性由强到弱依次为:3煤>6煤>1煤>13煤；变质程度相近的4个煤层，3煤自然发火期最短，这与煤体中硫分和水分含量高有关；13煤变质程度较高，且前期放热强度、耗氧速率增长缓慢，其自燃性较弱；4个不同煤层煤的耗氧速率、CO，CO2产生率，以及C2H4/C2H6值随煤温升高具有相似的变化规律；煤中CH4气体大量解吸出现于煤温60℃之前，煤中灰分在80~120℃开始逐渐吸热融化，解析和融化均会抑制煤氧接触并且减小煤氧反应放热总量。     

煤氧化阻化过程中的热特性研究

化学阻燃剂通过化学作用破坏或降低煤分子中活化能较低易被氧化的活性基团,使煤自燃链式反应中断难以达到自燃。为研究煤氧化阻化过程中的热特性变化,通过煤的热重实验,从微观角度研究了次磷酸盐在煤自燃氧化过程中对其表面官能团的影响,分析了阻化剂添加前后的热特性曲线和特征温度,研究了不同升温速率及不同粒径下阻化煤样的热特性变化规律。结果显示:随升温速率的增大和煤样粒径的减小,热特性曲线及特征温度均出现向后推移,特征温度出现不同程度的升高。     

初始氧化温度对浸水长焰煤二次氧化特性的影响机制

为揭示不同初始氧化温度下浸水长焰煤的氧化自燃特性，利用红外光谱和热分析实验手段以及MS数值模拟方法研究其氧化自燃规律，并采用线性拟合的方法阐述自由基变化特性。结合分子键能的变化，分析浸水条件下二次氧化的煤氧链式反应过程。研究结果表明:经过120 ℃预氧化后，浸水风干长焰煤的还原性官能团甲基、亚甲基、羟基均高于原煤，而羰基、羧基低于原煤；与原煤相比，浸水风干后的煤预氧化温度在120 ℃时最大升温速率最高（0.036 9 ℃/s），表现出更强的自燃倾向性；MS模拟优化得出煤中各官能团在预氧化120 ℃时键能变化较大，结合热分析实验，确立预氧化后浸水风干煤体氧化自燃特性机制。     

煤氧复合热效应的影响因素分析

煤的氧化放热是引起煤自燃的主要原因。煤氧复合热效应与耗氧速率和表面反应热有关。通过分析得出 ,q(z,n,CO2 ,T,d5 0 ) =h(Z) .g(n) .f (CO2 ) .I(T) .Ψ (d5 0 )。其中主要影响因素为煤结构、温度、氧浓度及粒度。根据威斯化学结构模型、本田化学结构模型及煤分子中包含的 7种表面活性结构 ,推出煤自燃表面分子结构模型 ,并分析其表面活性结构的种类、数量、活泼性 ,它们随煤体不同而千差万别 ;表面活性结构随温度变化的氧化活泼性及反应过程不同 ,造成煤表面氧化反应热 H不同。外在主要影响因素—煤的温度、氧浓度、粒度不同造成了耗氧速率 VO2 不同 ,使煤的放热强度不同。对此 ,通过 XK型煤自然发火实验台及 XKS程序升温实验台进行了实验分析     

煤自燃发火潜伏期不同温度下耗氧特性的研究

为了探究地层温度的升高对采空区自燃倾向性的影响,对处于自燃潜伏期的煤展开耗氧特性和CO释放特性的研究。通过对长平矿3#煤分别进行20~60℃的封闭耗氧实验,得到了自燃潜伏期不同温度下煤的氧浓度以及CO浓度随时间变化的曲线。对氧浓度变化曲线和CO浓度变化曲线进行拟合分析得到了不同温度下煤的氧气消耗和CO生成速度,同时得到了氧浓度衰减系数和CO浓度增长系数。封闭耗氧实验结果表明:从20~60℃氧气消耗速度逐渐增大并且氧浓度衰减系数呈指数增长,CO浓度增长系数也逐渐增大并且同样呈指数增长,煤的窒熄带氧浓度临界值从20~60℃逐渐由16.8%降低到12.4%。为探究不同温度下采空区煤的自燃发火危险性,将封闭耗氧实验结果的参数应用到采空区CFD数值模拟仿真中,模拟得到随着温度升高采空区窒熄带临界氧浓度位置由200 m增长到380 m。结果表明:常温下不易自燃的煤在较高的环境温度下表现出了较强的氧气消耗和CO释放能力,并且采空区自然氧化带随着温度的升高动态变宽,增大了采空区的自燃发火危险性。     

煤自燃预测气体及活化能变化研究

为了研究煤在低温阶段的自燃活化能及气体产生规律,基于耗氧量与煤温间的计算模型,利用煤氧化动力学测试系统,分析了3种不同自燃性煤的低温氧化表征。结果表明:1)随着煤自燃倾向性增强,煤的耗氧量和耗氧速率逐渐增大,且其耗氧速率急剧增大的拐点温度逐渐升高;2)不同自燃性煤活化能变化规律存在显著差异,利用阶段耗氧量拐点计算出铜川和大同煤样温度分别为203℃、228℃时,活化能快速减小,开始进入自发氧化阶段;晋城煤样活化能经历先减小后增大的过程,其中过渡温度段91~135℃时,活化能最小;同时拟合出活化能(E)与指前因子(A)关系式满足动力补偿效应,验证了机理函数的合理性;3)依据复合气体CO_2/CO、CH_4/C_2H_6、C_2H_4/C_2H_6、C_3H_8/C_2H_6随温度的变化趋势,结合煤低温氧化特性,可预测煤样的氧化进程和煤体温度。     

弱粘煤低温氧化活性基团与热效应的研究*

为研究煤氧化过程中活性基团的演变规律及热效应的变化特征,利用原位红外实验装置,实时测量煤升温过程中官能团的动态变化,数据处理得到弱粘煤红外波谱图,利用差减法对特征温度点下的红外光谱图进行处理,得到煤样的差示光谱,计算特征温度点下的红外结构参数;采用差示扫描量热仪,测量煤氧化过程中热流的变化,得到弱粘煤的热流曲线图,并对热流曲线进行阶段划分和氧化动力学计算。结果表明:弱粘煤中芳环数量比较少,环周围侧链较长,内部结构疏松,内部毛细管比较发达,内表面积较大,更容易发生自燃;整个氧化过程中羟基最为活跃,含氧官能团次之,其次是脂肪烃;红外参数计算结果HAL,I2整体呈减小趋势,I1,I3整体呈增大趋势;弱粘煤放热阶段的活化能值为25.12～61.26 kJ/mol,并随着升温速率的增大而减小,与此阶段放热量随升温速率的增大而增大相对应。     

Study of coal oxidation behaviour in re-opened sealed heating

Possible changes in the oxidation behaviour of coal in the spontaneous combustion site of re-opened sealed heating were studied. Two samples of bituminous coal and three types of coal pre-treatment procedures were applied to simulate in situ conditions at the “spon-com” site: i) pre-oxidation of coal, ii) pre-heating of coal under inert gas, and iii) immersion of pre-heated coal in liquid water. Pre-treated samples were then examined for the production rate of the indication gases evolved during oxidation and for oxidation heat effects. Two main conclusions were drawn with respect to oxidation of the coal in re-opened sealed heating: i) carbon monoxide and unsaturated hydrocarbons maintain their relevance as spontaneous combustion indication gases, however, increased production of both carbon oxides can be expected; ii) coal in the extinguished spontaneous combustion site gains increased susceptibility to the self-heating process.     

综放采空区瓦斯与煤自燃多场耦合模拟研究

为了分析瓦斯与煤自燃多场耦合致灾特性,结合瓦斯抽采引起的采空区混合气体流动、气体组分渗流与采空区渗透率变化、固气两相热量传输等多物理过程,建立了基于综放采空区高位钻孔瓦斯抽采的热-流-化多场耦合数学模型,采用COMSOL软件模拟了综放采空区高位钻孔抽采瓦斯诱导煤自燃过程,阐明了瓦斯与煤自燃多场耦合致灾机理,得到了寸草塔二矿31102综放采空区氧化带范围与高温范围,并探讨了抽采强度对综放采空区氧浓度场与温度场的影响。研究结果表明:高位钻孔抽采瓦斯有效地降低了回风巷瓦斯浓度,保证了31102综放工作面安全高效回采。增大综放采空区高位钻孔抽采瓦斯强度不能保证煤自燃安全性,二者存在矛盾,在得到高效抽采瓦斯的同时,会造成进风侧氧化带宽度增加,采空区氧化带边界向深处蔓延,扩大煤自燃高温区域,漏风携氧充分的参与煤氧复合反应,采空区最高温度逐渐上升,煤自燃风险增大。     

煤自燃灾害气体指标的阶段特征试验研究

为分析煤自燃早期气体指标变化特征规律,更好地解决煤矿现场灭火救灾决策问题,通过煤自燃程序升温试验,首先得到煤样气氛中O2,CO,CO2,CH4,C2H4和C2H6气体的体积分数随温度的变化规律。根据煤体温度,将煤自燃前期划分为5个阶段(潜伏、储热、蒸发、活跃和乏氧)。分析3种不同变质程度的煤样的气体指标在各阶段的变化特征。建立煤自燃气体指标与特征温度阶段区间的对应关系。结果表明:在自燃潜伏阶段,煤的变质程度越低,早期越易产生CO,越难产生CH4;在储热阶段,煤的变质程度越低,早期越易且越快产生C2H6;在蒸发阶段,煤内外在水分脱附,低变质煤的C2H4也随之产生;在活跃阶段,各种气体体积分数均有剧烈增高的趋势,较高变质煤的C2H4也随之产生;在乏氧阶段,O2体积分数低于15%,与O2体积分数相关指标(CO/ΔO2,CO/CO2等)趋势有所改变。     

电厂烟气对采空区防火效果实验研究

为考察电厂烟气对采空区防灭火效果的影响,采用吸附实验装置和热重分析仪开展了不同气体氛围下煤吸附O2的实验研究,研究了不同气氛下煤的着火活化能。结果表明:将惰性气体N2和烟气注入井下,均可有效地减小常温常压下煤对氧气的吸附量,即具有抑制煤自燃氧化反应的作用。其中,烟气对减小煤吸附氧气量的效果优于N2,使同忻矿和高海矿煤样吸附氧气量分别减少了27%和35%。TG实验数据表明,煤样在烟气氛围下燃烧时低温氧化阶段的增重率略小于在空气氛围下燃烧时的增重率,而其着火点大于在空气氛围下燃烧时的着火点。同时,发现煤样在烟气中燃烧时的着火活化能大于在空气中燃烧时的着火活化能,说明煤在烟气氛围下燃烧时对O2的吸附量变小,活化能增大,增加了煤自燃的困难程度。     

空气湿度对煤自燃特性影响的试验研究

为研究空气湿度对煤自燃特性的影响,运用程序升温试验台,在不同环境湿度条件下,对黄陵2号矿4#煤层煤样进行程序升温,分析不同温度下的气体成分,计算煤样在不同温度和湿度条件下的耗氧速率、CO和CO_2产生率,以及煤氧化的表观活化能。结果表明:与在干燥的空气中氧化相比,煤在加湿空气中的耗氧速率、CO和CO_2产生率升高,活化能降低,表明加湿有利于煤自燃;随空气湿度增加,煤体的耗氧速率、cO和CO_2产生率先升高后降低,活化能先降低后增加,表明存在一个最容易使煤氧化自燃的临界空气湿度;黄陵2号矿4#煤层煤样的临界相对湿度为25%左右。     

不同自燃倾向性煤的指标气体产生规律实验研究

为研究不同自燃倾向性煤的自燃指标气体变化规律，提高对煤早期自燃预测预报的准确度，采用程序升温实验系统，得到内蒙古褐煤、神东长焰煤、河南气煤及枣庄焦煤4种不同变质程度煤的氧化时间随温度的变化关系，以及指标气体浓度在煤氧化过程中的变化规律。结果表明:自燃倾向性最高的褐煤应以CO和乙烯作为煤自燃早期预报的首选指标气体；易自燃的长焰煤应采用乙烯和烯烷比为主、以CO为辅的煤自燃判定指标；自燃倾向性较低的气煤应以乙烯和烯烷比作为煤自燃预报指标；CO是自燃倾向性最低的焦煤的最佳自燃预报指标气体。     

高瓦斯易自燃工作面高抽巷瓦斯抽采与采空区遗煤自燃相互影响研究

为了实现瓦斯与煤自燃两大灾害的联合防治,首先对布置高抽巷条件下瓦斯与遗煤自燃多因素相互影响关系进行了理论分析和归纳总结。结合淮南潘二煤矿11223高瓦斯易自燃工作面,建立了带有高抽巷的物理模型,利用UDF编译了本煤层与邻近层瓦斯涌出源项、采空区三维孔隙率和低温条件下煤氧化反应氧气消耗速率。在此基础上,分析了高抽巷布置参数和抽采参数以及工作面风量对高抽巷瓦斯抽采效果和采空区自燃带分布相互影响的规律。结果表明,当工作面风量为2 000 m3/min,高抽巷布置在顶板上方40 m时,高抽巷瓦斯抽采浓度和纯量分别达32.3%和29.07 m3/min,占总瓦斯涌出量的69.71%,同时能满足实际防火的要求。研究结果可为类似条件下高抽巷最佳施工与抽采参数提供借鉴。     

基于分段拟合的煤自燃指标气体优选研究*

为更加精确地得出煤自燃的临界温度并找出煤自燃各个阶段最优的指标气体,以此提高煤层自燃预测预报的准确性,选取西北某矿2号煤和3号煤典型煤样开展程序升温-气相色谱实验,采用分段直线拟合的方法,得出煤自燃过程中的耗氧速率突变点温度和氧化产物生成量激增点温度,在此基础上采用灰色关联度分析法对煤干裂温度之后的指标气体进行优选。结果表明:2号煤和3号煤的自燃临界温度分别为73.0 ℃和72.1 ℃,干裂温度分别为112.6 ℃和109.8 ℃;CO适用于2种煤样全温度下的预测预报;φ(C2H4)/φ(C2H6)和C2H4是2号煤干裂温度之后较优的预测预报指标气体;φ(C2H4)/φ(C2H6),C2H4和C2H6是3号煤干裂温度之后较优的预测预报指标气体。     

Sources of underground CO: Crushing and ambient temperature oxidation of coal

As a harmful gas in underground coal mine, CO seriously threatened the safety of miners. Currently, the spontaneous combustion of residual coal in goaf is generally considered as the main source of underground CO. CO gas is also widely used as an indicator gas in fire prediction in mines. However, high concentrations of CO are also detected in some mines without spontaneous combustion of coal. Therefore, in the paper, with four ranks of coal, we studied other two potential CO sources: crushing and oxidation at ambient temperature. The more completely crushed coal produces more CO. The concentration of generated CO is inversely proportional to moisture content in coal. Therefore, the addition of water can inhibit the generation process of CO during the crushing process of coal. Lignite with low metamorphic grade can be oxidized to produce CO at ambient temperature (25 °C), and anthracite with high coal rank can be only oxidized to produce CO at 60 °C. Infrared spectra indicated that the coal with rich aliphatic hydrocarbons and oxygen-containing functional groups are more susceptible to oxidation at room temperature. Moreover, the smaller particle size of coal is more beneficial to the oxidation at ambient temperature to generate CO. CO generation during coal oxidation is also closely related to the ventilation rate.     

煤自燃特性及自然发火预测预报指标体系研究

以梁宝寺矿3号煤层为背景,采用色谱吸氧法和氧化动力法对其自燃倾向性进行了对比分析。同时,通过煤氧化升温热解实验对其升温过程中各气体随温度的变化规律进行了分析,以实验所得和灰色关联分析所得定性和定量相结合的方式,优选出了不同温度阶段煤自然发火预测预报所对应的第一、第二和第三预测指标,建立了煤自然发火预测预报体系,为有效抑制该矿及同类矿井火灾的发生具有重要意义。     

The relationship between oxygen consumption rate and temperature during coal spontaneous combustion

Spontaneous combustion is a major natural disaster in coal production. In the process of exploring coal self-ignition, a series of hypotheses have been put forward, most scholars agree that the current coal-oxygen compound theory. Oxygen consumption rate reflects the status of coal spontaneous combustion, and it is also one of the parameters necessary for numerical simulation of coal spontaneous combustion. In this paper, a coal heating and oxidation experiment was designed, Experimental device consists of heating and oxidation furnace, gas chromatograph, temperature control and data acquisition systems and other equipment components. Three coal samples whose weight each is 5 g were selected for the study. By experiment, oxygen concentration at the inlet and outlet of temperature oxidation furnace was measured. Oxygen consumption rate is calculated in the heating process of coal according to air flow. In the Cartesian coordinate system, the temperature as abscissa and the oxygen consumption rate for the longitudinal coordinates, drawing the relationship between oxygen consumption rate and temperature plot. And then regression analysis was used to analyze the relationship between oxygen consumption rate and coal temperature during the heating and oxidation process of coal. The results show that the oxygen consumption rate and temperature of coal were linear relationships both before and after the critical temperature when the coal temperature is less than 180 °C. Before the critical temperature oxygen consumption rate is low, however it increases rapidly when coal temperature reaches a critical temperature. The result is important for the prevention and treatment of spontaneous combustion of coal.