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。     

空气相对湿度对煤自燃特性的影响研究

为研究空气相对湿度对煤自燃特性的影响,运用自制空气湿度控制装置和程序升温试验台,通入湿度不同的空气,对砚石台矿煤样进行程序升温,测定不同温度下所产生气体的浓度,分析耗氧速率、CO和CO2产生率、放热强度以及自燃极限参数的变化规律。试验结果表明:低温氧化前期,煤体的耗氧速率、放热强度和CO产生率与空气相对湿度成正比。随着反应的进行,85%或32%的湿度均会对耗氧速率、放热强度和CO产生率产生一定的抑制作用;CO2产生率随空气相对湿度的增大先升高后降低,最小浮煤厚度和下限氧浓度随空气相对湿度的增大先减小后增大,上限漏风强度先增大后减小。增大空气相对湿度对煤低温氧化前期有促进作用,其自燃环境条件更易被满足,自燃危险性升高。     

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。     

不同变质程度煤燃烧特性参数试验研究

为获得不同煤种火区瓦斯爆炸数值模拟基础参数,用热重试验方法确定不同变质程度煤燃烧阶段温度范围,通过管式炉程序升温和气相色谱仪分析气体成分,得到了煤燃烧耗氧速率、气体生成速率和放热强度与温度之间的关系。结果表明:褐煤、气煤、焦煤、贫煤燃烧阶段温度分别为247~433℃,279~542℃,313~574℃,365~594℃;随着温度升高,耗氧速率、CO,CO_2生成速率、放热强度与温度之间均符合高斯(Gauss Amp)曲线模型;随着变质程度增加,耗氧速率与CO生成速率升高,CO_2生成速率与放热强度降低;耗氧速率与放热强度呈线性增加关系,煤的变质程度越高,变化趋势越平缓。     

遗煤二次氧化过程中自燃极限参数变化规律试验

为研究煤体一次和二次氧化过程中自燃极限参数的变化规律,运用程序升温试验台,对弱黏煤、1/3焦煤、贫煤进行一次氧化升温,经绝氧降温后进行二次氧化升温,对比分析3种烟煤两次氧化过程中的耗氧速率、放热强度、自燃极限参数变化规律。结果表明:对于同一种煤,二次氧化时的耗氧速率、放热强度、自燃极限参数曲线在某一温度范围内与一次氧化时的对应曲线发生交叉;对于不同变质程度的煤,交叉温度范围不同,变质程度越低,交叉温度范围越高;煤的变质程度越低,二次氧化时的自燃极限参数极值变化率越大。     

不同自燃倾向性煤自燃氧化特性试验研究

为了研究不同自燃倾向性煤自燃特性变化规律,利用煤氧化动力学测定系统,测试了三种不同自燃性煤的氧化特征。结果表明:(1)单一气体生成量、耗氧量及耗氧速率均随着煤自燃性的增强而增大,且CO生成量和耗氧速率急剧上升的拐点温度与出现C_2H_4气体的温度相同。(2)CO、CO_2和C_2H_4产生率具有明显的阶段性,且前两种气体最大产生率所对应的温度相同;当不同自燃性煤的温度超过80℃时,两组指标CO/ΔO_2和CO/CO_2均迅速增大,表明其氧化反应加快。(3)在TG-DSC试验中,煤的氧化燃烧过程可分为5个阶段,对应于4种特征温度。其中过渡稳定阶段指煤的质量保持稳定,是失重到增重的过渡态,且不同自燃性煤每个阶段持续时间及阶段性特征温度存在显著差异。     

水浸干燥作用对煤自燃特性及预测指标影响研究

为研究水浸干燥作用对煤自燃特性的影响,采用真空干燥法与自然风干法分别处理水浸过的煤样,通过程序升温试验测试原煤样与处理后的2种煤样在氧化过程中产生的CO体积分数和C_2H_4体积分数,根据CO体积分数增长速率突变点和C_2H_4产生温度分别计算3种煤样自燃特征温度,分析水浸干燥作用对据煤样自燃特征温度的影响;通过氧化放热公式计算3种煤样的耗氧速率和放热强度,分析水浸干燥作用对煤样氧化放热性能的影响;最后分析水浸干燥作用对格雷哈姆系数R_2、R_3和链烷比预测煤自燃特征温度准确性的影响。结果表明:水浸干燥作用改变煤的自燃特性,升高煤自燃特征温度,降低煤氧化放热性能,使格雷哈姆系数R_2、R_3预测煤自燃特征温度的准确性降低,但对链烷比预测煤自燃特征温度的准确性影响较小。     

煤样封闭耗氧试验及其参数测定分析

为确定数值模拟所需的煤氧化参数,介绍了测定煤耗氧速度常数和CO生成比率的常温煤样氧化封闭试验方法.测定数据的回归分析表明,煤样耗氧变化符合负指数函数衰减的一般规律.通过煤样氧化封闭试验,可获得与煤样状态同比条件下煤的耗氧速度、耗氧时生成CO比率和煤样氧化下限氧浓度等重要参数指标.试验验证了煤耗氧速度与环境空气中氧浓度成正比;提出了堆积煤样的体积耗氧速度常数新指标,其值可通过试验直接测定;给出了耗氧速度(量)与CO产生速度(量)的比例变化关系.本研究可为煤自燃过程模拟计算与自燃预测研究提供关键性基础参数.     

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。     

氧气浓度和升温速率对煤自燃特性影响

为探究氧气浓度与升温速率对煤自燃特性的影响，利用TG/DSC-FTIR联用热分析技术测试3种不同变质程度的煤样在不同氧体积分数和不同升温速率下的放热特性，分析3种煤样在氧化过程中特征温度、热效应及标志性气体产生量等参数的变化规律。结果表明：氧体积分数一定时，升温速率越小，放热峰值、特征温度和指标气体释放峰值越向低温区偏移。在相同升温速率下，随着氧气体积分数的减小，煤氧化放热峰值温度降低；煤自燃指标气体峰值对应的温度逐渐向高温区域移动。煤变质程度增高，煤自燃特征温度呈增大趋势；放热量的峰值降低，对应的峰值温度增大；指标气体释放峰值温度增大，自燃危险性呈降低趋势。     

露头煤层自燃相似实验研究及热释放速率计算

为了研究露头煤层自燃发火过程以及判定火灾发展状态与趋势,自主设计了露头煤层自燃过程相似模拟系统实验装置。通过分析相似模拟实验数据,得到火区气体CO_2,CO,O_2体积分数与温度之间的变化关系具有良好的相关性,可作为判定火灾状态的标志性气体,并拟合出O_2体积分数与温度之间的关系方程。根据氧消耗原理及相关理论,得到了煤在干燥环境中阴燃状态下的热释放速率简化关系方程,为煤田火灾的研究和防治提供了参考依据。     

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。     

Evaluation of the spontaneous combustion characteristics of coal of different metamorphic degrees based on a temperature-programmed oil bath experimental system

Research on the micro- and macrocharacteristics of different metamorphic degrees of coal helps improve the control and protection techniques used during spontaneous combustion. Nine coals with different properties were thoroughly investigated in this study. Fourier transform infrared spectroscopy and a self-designed temperature-programmed oil bath experimental system were adopted to analyze the molecular structure and macrocharacteristic parameters of the spontaneous combustion of coal. Additionally, the influence of particle size on spontaneous combustion was considered. Various functional groups were employed as microcharacteristic parameters to capture the principal active groups in oxidation. The gas production rate, oxygen consumption rate, gas concentration, heat energy release rate, and characteristic temperatures were evaluated as macrocharacteristic parameters to investigate the changes in coal during oxidation. The results establish that the microcharacteristics of coal molecules determine the degree of spontaneous combustion based on intrinsic properties and that changes in the macrocharacteristics of the spontaneous combustion of coal reflect the microstructural changes. The contents of the hydroxyl groups, carbonyl groups, alkyl ether and aryl ether in the coal molecules gradually decrease with the metamorphic increase. Oxygen-containing functional groups have higher reactivities and easily react with oxygen, causing the macroparameters, such as the oxygen consumption rate, the gas generation rate and the heat energy release rate, to consistently decrease with the increase of the metamorphic degree. Small-particle-size coal molecules have more active aliphatic hydrocarbons, oxygen-containing functional groups and a larger specific surface area, increasing the chances of adsorbing the oxygen of active groups and promoting the reaction between coal and oxygen. The experimental results indicate that coal samples with higher metamorphic degrees or larger sizes exhibit lower tendencies toward spontaneous combustion. Evaluation of the spontaneous combustion of coal based on a temperature-programmed oil bath experimental system is of great practical importance for preventing the spontaneous combustion of coal during storage, processing and utilization and can serve as a convenient reference for production safety in mining applications.     

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。     

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。     

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。     

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.