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。     

煤低温氧化阶段指标气体产生规律

为得出阿戛煤矿煤炭低温自燃气体产生的规律,更好地为井下防灭火措施提供救灾决策依据,通过模拟实验系统进行了煤的程序升温实验,分析了煤自燃过程中各种气体的产生特征,确定了阿戛煤矿九煤层的煤自燃指标气体。研究结果表明,随煤温的升高,CO表现出较为明显的规律性,能够很好地表征煤的自燃氧化过程,温度达到160℃时,C2H4浓度会突然增大,随着温度升高其浓度增加的幅度逐渐增大,且不受环境的影响,可以将CO,C2H4作为煤炭自燃氧化的主要指标气体,同时,CH4、C2H6、C2H4/C2H6值、ΔCO/ΔO2值、O2可作为煤炭自燃辅助预警指标。     

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。     

乐平树皮煤升温氧化过程中气体解析规律研究

为了防止煤炭自燃.深入了解煤在升温氧化过程中气体的解析规律,利用煤升温氧化系统对乐平树皮煤进行了升温氧化实验研究.结果表明,树皮煤在升温氧化过程中,不同气体的初析温度tm和解析速率各不相同,CO、CO2,CH4、C2H6、C2H4、C3H8、C3H6、i-C4H10和n-C4H10 9种C1～C4气体的tm依次为70℃、20℃、20℃、20℃、100℃、20℃、130℃、100℃和70℃.20～210℃为煤的缓慢氧化阶段,从树皮煤中依次缓慢解析出吸附态的气体CO2、CH4、C2H6、C3H8和CO等;210～290℃为煤的快速氧化阶段,从煤中解析出较大量的9种C1～C4气体产物,气体的浓度以指数速率增加;290～400℃为煤的急速氧化阶段,9种C1～C4气体的浓度以直线关系急剧增加.不同类型的煤在不同的氧化阶段具有不同的氧化特征,可选择不同的气体作为预测煤自燃特性的标志气体.     

纳林河二号井3-1煤层指标气体优选试验

在煤自燃过程中,随氧化进程的不同会依次释放出不同的气体,这些气体的出现及释放量能反映煤氧化自燃的程度。为了准确预报纳林河二号井的自燃发火,利用程序升温试验装置和气相色谱仪研究了3-1煤的自燃氧化特性,以及自燃升温过程中产生氧化气体和碳氢类气体随温度的变化规律,分析了φ(C2H4)/φ(C2H6)、φ(C3H8)/φ(C2H6)等烯烷比和链烷比曲线。结果表明:纳林河二号井3-1煤的自燃临界温度约为60℃,干裂临界温度约为105℃;3-1煤在常温下就能产生CO,且产生量与温度呈指数关系;C2H4出现的温度为65℃,在温度高于120℃后气体产生量呈现单调递增趋势。结合指标气体优选一般原则,确定纳林河二号井3-1煤层自燃指标气体应以C2H4与CO为主,以C3H8、φ(C2H4)/φ(C3H8)为辅。     

水化煤饱和-风干过程的自燃特性实验研究

为了掌握水化煤饱和-风干过程中不同风干时间煤样的自燃特性,对水化煤样进行不同风干时间的实验煤样预处理,形成不同风干时间的水化煤样。通过煤样含水率测试、物理吸附实验和程序升温实验,对不同饱和-风干时间的水化煤样以及原煤样的吸氧量和CO,CO2,CH4,C2H4,C2H6,C3H8气体浓度随煤温的变化规律进行实验研究。研究结果表明:不同风干时间水化煤样随着煤温的逐渐升高,吸氧量呈先减小后增大趋势;不同风干时间的水化煤样的自燃标志性气体析出速率随煤温的升高均呈指数增大的变化趋势;在低温氧化阶段,水化煤样比原煤反应时间提前,且反应速率更快,这表明水化煤样比原煤样更加容易发生自燃,且风干时间为20 min的水化煤危险性更大。     

煤炭自燃特性参数实验测试研究

为了准确、有效预报煤炭自燃,防止煤炭自燃,本文利用程序升温实验装置对许疃煤矿7煤、8煤和10煤3个煤层10个煤样在氧化过程中释放的不同气体随温度的变化规律进行了实验研究。通过实验得出:7煤、8煤和10煤常温下具有氧化性,10煤瓦斯含量最大;实验过程中各煤样释放的气体浓度上升的临界温度CO为40℃左右,C_2H_6为80℃左右,C3H8为150℃左右;实验煤样随着煤温升高依次出现CO、C_2H_6和C_3H_8,各煤样出现3种气体的最低温度不完全相同,但3种气体产生的速率随煤温的升高而增大,产生量与温度之间的关系变化趋势基本相同,都呈指数上升变化。为该矿就可以选择早期预报煤炭自燃的指标气体提供依据。     

煤层自然发火指标气体分析

通过对煤样进行热解实验,研究了神华金烽公司唐公沟矿煤层自然发火特性,测定了煤样在不同热解温度下CO、CO2、CH4、C2H4、C2H6和C3H8等气体的浓度,确定了这些气体的检出温度。在实验研究的基础上,结合指标气体优选原则,分析了自然发火指标气体随温度变化的规律性,选出了适合本矿煤层自然发火预测预报的指标气体,对提高煤炭自燃早期预测预报的准确度和矿井防火有重要指导意义。     

煤炭自燃倾向性试验研究及指标气体优选

通过对新鲜煤样和氧化煤样的热解实验,研究萍乡矿业集团某煤矿煤自燃发火特性,测定实验煤样在不同热解温度下O2,N2,CO,CO2等及其他碳氢化合物的浓度,具体分析了O2,CO,CO2,CH4,C3H6浓度随温度变化特性。在实验和研究的基础上,结合指标气体选择的一般原则,讨论了用于萍乡矿业集团某煤矿预测、预报煤炭自燃发火的指标气体,对提高煤炭早期自燃预测、预报的准确度和防止矿井火灾有重要指导意义。     

受限升温煤体空间气体变化规律试验研究

为探讨升温煤体受限空间气体的变化规律,设计加工升温煤体引爆瓦斯试验平台,针对不同初始CH4体积分数开展受限空间煤体升温试验。利用Matlab计算试验数据,绘制O2,N2,CO,CH4,C2H4,C2H2的体积分数变化规律曲线。基于可燃性气体爆炸极限理论和计算公式,计算可燃性气体体积分数与混合气的爆炸上下限值,并绘制其关系图。结果显示,当温度为190~400℃时,受限空间气体将失去爆炸性。分析现场煤自燃引爆瓦斯的条件和形式,提出防治煤自燃引爆瓦斯的重点是防止煤柱、断层和高冒煤自燃升温到更高温度,尤其是要防止该区域提前氧化升温,同时要保持工作面风流稳定。     

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。     

水分对堆积状态褐煤自燃特性影响研究

为研究水分对低阶煤在堆积状态下自然发火特性的影响,基于Frank-Kamenetskii理论,采用开放式恒温加热试验法,分析不同水分含量(4％～23％)白音华褐煤的升温过程及临界自燃着火温度.进一步研究不同煤样粒径(0.5～5 mm)和煤堆体积(1.25 ～10 ×105 mm3)条件下,水分对堆积褐煤自燃特性的影响....     

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。     

基于Logistic回归分析的煤自燃多级预警方法研究*

为实现煤自燃过程的精细分级与自燃隐患的精确预警,保障井下煤自燃防治工作有效开展和煤炭资源安全开采。以甘肃王家山矿202工作面煤样为测试对象,采用煤自然发火试验与程序升温试验手段模拟煤体自然发火过程。测定煤自燃指标气体等特性参数数据,分析相关指标气体特征,将煤自燃过程划分为稳定、波动和剧烈反应3大区间。通过处理指标数据以比值、Logistic函数拟合的方式重构数据曲线（R2接近0.99）,结合“潜伏、氧化、自热、临界、热解、裂变、燃烧”7阶段精细划分理论与方法,确定煤自燃各反应阶段内的风险等级及指标阈值:预警初值（O2与CO关联数据点）;低风险阶段（φ(CO)/φ(O2),0.1~4）;较大风险阶段（C2H4>0.000 6%）;重大风险阶段（φ(C2H4)/φ(C2H6)>600）;灾变阶段（浓烟）,最终构建了7阶段煤自燃隐患预警体系。研究结果表明:该预警体系能够通过井下气样监测数据快速确定隐患区域内的风险等级,并结合指标Logistic拟合曲线推断隐患发展趋势,对现场煤自燃准确预警与精准防控具有重要的实际指导意义。     

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。     

煤中掺比伴生硫化物的自燃特性分析

为了深入探究矿井下伴生硫化物对煤自燃及着火燃烧特性的影响，向原煤中添加不同量的含硫物配制4种不同含硫量的煤样，通过TG实验、DSC测试和XRD分析，研究伴生硫化物对煤自燃及着火燃烧特性的影响规律；基于Coats-Redfern法计算煤中掺加不同伴生硫化物时煤燃烧阶段的活化能。研究结果表明:随着煤中掺比伴生硫化物的增多，煤的特征温度相应减小，而吸氧量、可燃和稳燃指数相应增大，原煤中混入伴生硫化物后更易自燃；随着煤中掺比伴生硫化物的增多，煤燃烧阶段的活化能降低，煤更易着火燃烧；伴生硫化物的主要成分为水绿矾、叶绿矾，这些物质在常温下遇水和氧气能够发生化学循环反应，反应放热促使了煤更易自燃；伴生硫化物在温度高于200℃以后整体表现为放热，在温度为565℃时达到放热峰值，这使得煤燃烧阶段的活化能降低，煤更易燃烧。