露天矿遗煤区地表CO_2通量变化规律测试分析

探索了通过采空区上部地表CO_2通量变化判定遗煤自燃状态的实验理论及方法,并根据地表和大气间的扩散原理,采用自主研发的土壤气体监测系统,对采空区上覆地表CO_2通量进行了连续测定。研究结果表明:采空区遗煤自燃对其上覆地表CO_2通量变化有较大影响;采空区年限及遗煤氧化自热程度影响地表CO_2通量的大小;自燃带地表CO_2通量明显大于窒息带。地表CO_2通量变化能反映采空区漏风量对遗煤自燃的影响;研究地表CO_2通量变化规律,能够帮助了解采空区遗煤自燃火区的发育方向、范围等相关问题。研究对废弃矿井采空区地表环境评估,废弃矿井采空区遗煤氧化自燃的危险性评估以及浅埋煤层氧化自燃发火进行程度的探测具有重要意义。     

工作面长度与采空区遗煤自燃的关联性分析

为了研究工作面长度与采空区遗煤自燃规律的内在联系,利用理论分析方法对工作面长度与其推进速度及遗煤自然发火期的关系进行了分析,得到了保证遗煤不自燃的最长工作面的确定方法。以九道岭矿和华兴矿某工作面为例,利用数值模拟和相似模拟方法对工作面长度与采空区漏风量及"三带"划分之间的关系进行了研究,得到了工作面长度与采空区漏风量及"三带"宽度的关系表达式。结果表明:工作面长度的确定受多种因素的影响,为了保证遗煤不自燃,工作面长度存在一个上限值,此值可以通过工作面长度与工作推进速度及遗煤自然发火期的关系进行确定;当工作面供风量不随工作面长度变化时,工作面长度与采空区漏风量之间近似满足对数函数关系;当工作面供风量随工作面长度变化时,工作面长度与采空区漏风量之间近似满足"∪"型二次抛物线函数关系,工作面长度与采空区氧化带宽度之间近似满足"∩"型二次抛物线函数关系。     

利用岩粉防治遗煤自燃可行性研究

为探讨用岩粉防治遗煤自燃的可行性,用理论与试验相结合的方法,研究混有岩粉的遗煤自燃过程。首先,由理论分析可知,岩粉的混入主要对遗煤自燃起阻止作用;将试验分成3组,观测各试验煤样的氧化升温过程。试验结果表明,混入岩粉的量及粒径对遗煤自燃过程有较大影响;当岩粉量大于临界岩粉量时,岩粉的混入能抑制遗煤自燃;当岩煤比达到1∶1及以上时,遗煤基本失去自燃的危险;当混入岩粉粒径大于临界粒径、接近峰值粒径时,混入岩粉对遗煤自燃的防治效率最高。在合理的岩粉量及粒径条件下,用岩粉防治遗煤自燃理论上是可行的。     

电厂烟道气预防遗煤自燃的合理含氧量模拟研究

为确定电厂烟道气用于遗煤自燃预防的含氧量参数,以塔山坑口电厂及塔山煤矿8105工作面为原型,建立基于计算流体力学(CFD)和煤氧复合理论的遗煤自燃三维数值模型。采用数值模拟方法,研究多场耦合条件下,含氧量为3%9%的烟道气注入采空区后的运移状态以及氧浓度场和温度场的变化规律。结果表明,注入烟道气能够有效惰化采空区遗煤,随注入烟道气含氧量降低,氧化带最大宽度的减小符合Boltzmann函数曲线,同时,遗煤最高温度呈指数下降趋势。降低烟道气含氧量有助于提升遗煤惰化水平,以实测注氮后采空区氧化带宽度为指标,确定7.08%为烟道气用于预防采空区遗煤自燃的合理含氧量上限。     

注氮防治综放遗煤自燃的三维模拟及应用研究

基于综放遗煤自燃防治对煤矿安全生产的重要性,利用Fluent软件对注氮防治综放遗煤自燃进行了三维数值模拟研究。以九道岭矿E1S6综放面为例,对其采空区遗煤自燃规律进行了三维数值模拟研究,依据研究结果对注氮防治措施的相关参数进行了确定。最后依据模拟分析结果,对所确定的注氮防治措施进行了实际应用,并取得了成功。结果表明:采空区注氮量与氧化带宽度成负指数函数关系,与影响高度成正比关系;采空区注氮量在30~35 m3/min时能够满足E1S6综放面遗煤自燃防治的要求。     

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。     

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。     

凯达煤矿采空区煤自燃极限参数分析*

为更加精准地判定采空区自燃危险区域,对煤自燃极限参数的计算方法进行改进,采用能量守恒微分方程的分析解计算煤自燃所需必要条件的极限值;以内蒙古凯达煤矿为例对该方法进行验证,根据浮煤的物性参数以及采空区环境条件,计算分析46205工作面回风侧采空区煤的自燃危险性;根据采空区漏风条件以及煤自燃所需要的氧浓度值,分析在遗煤较厚的条件下采空区可能发生的煤自燃危险性,划分不同遗煤条件下采空区自燃危险区域。结果表明:采空区实际遗煤厚度无法满足浮煤持续升温的要求,通过分析煤自燃极限参数可知,自然条件下浮煤在升温达到约30 ℃时其温度不再增加,因此不具有自燃危险性。     

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。     

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。     

基于绝热氧化试验结果的煤自燃预测模型研究

为提高煤自燃绝热氧化试验结论的可靠性、完整性及应用性,采用绝热氧化试验方法研究褐煤和烟煤2种煤样的自燃氧化现象,根据试验结果,建立煤自燃特性预测模型,模拟褐煤和烟煤的升温速率和氧化过程,用试验数据验证模型的有效性;用验证后的模型预测不同煤质参数、动力学参数条件下煤的自燃特性。结果表明:试验和模型预测的最短着火时间褐煤分别为5.6和5.1 h,烟煤分别为43.8和42.2 h。该模型能够辅助试验获得完整的升温曲线,预测煤氧化升温到着火点所需要的时间。     

硫铁矿石热自燃机理研究及其探讨

硫铁矿石自燃是矿山开采中面临的重大灾害之一。矿石自燃不仅会造成巨大的资源浪费和经济损失,还将引发一系列的安全与环境问题。通过研究硫铁矿石自燃的化学热力学机理,掌握了导致硫铁矿自燃的主要原因。利用DSC曲线对硫铁矿自燃过程的氧化特性进行研究,通过对比不同粒径的热流曲线及特征温度点的变化趋势,分析硫铁矿自燃特性的变化规律。应用热分析动力学方法计算了硫铁矿的活化能,比较不同粒径下矿样的活化能大小,为判断其自燃可能性和自燃特性研究提供依据。     

采空区地下遗煤燃烧-地表碳通量相关性分析

为探究复杂条件下地表碳通量对地下遗煤自燃的响应机制,通过长期监测阜新海州露天矿采空区上覆地表碳通量、土壤温度、地表裂缝、环境风速、土壤湿度等数据,并结合现场试验,研究遗煤燃烧与地表碳通量的相关性,分析地表裂缝、环境风速、土壤湿度等因素对地下煤自燃-地表碳通量的影响特征。结果表明：地下遗煤燃烧是触发地表碳通量异常响应的根本因素,碳通量与土壤温度分布呈正相关;裂缝是影响地表碳通量分布的主要因素,环境风速与地表碳通量基本呈正相关,地表碳通量一般不受土壤湿度影响,但受降雨影响较大。     

煤炭自燃灾变过程突变特性研究

为深入了解煤自燃机理,实现对煤矿火灾的科学防治,有必要研究煤炭自燃过程及其特性。煤自燃过程中,温度和氧化产物都表现出明显的非线性特征。基于突变理论,结合煤自燃化学反应动力学理论,描述煤自燃的非线性发展过程,并分析氧化气体、温度和煤自燃属性之间的定量关系,从理论上阐释煤自燃升温和降温过程中非对称现象的产生原因。提出用突变温度作为指标评价煤自燃倾向性。分别用程序升温氧化试验和绝热氧化试验,验证煤自燃倾向性评价结果和滞后效应现象。结果表明,理论分析和试验结果具有很好的一致性。     

铁粉硫化产物二次氧化自燃性影响因素研究

为防止含硫原油储罐腐蚀产物发生二次氧化而引发火灾或爆炸事故,研究Fe粉硫化产物二次氧化的影响因素。试验以Fe粉为原料,与H2S反应制备Fe S;Fe S与空气接触一次氧化后密闭存放,设定不同的存放时间、温度以及控制不同的一次氧化程度,再分别进行二次氧化,考察这3个因素对二次氧化过程的影响。通过检测样品存放过程中单质S含量变化以及表征样品组成变化,来探究二次氧化过程的机理。结果表明:初次氧化反应生成的单质S能和剩余的Fe S反应生成自燃性更高的多硫化铁,存放时间、温度及一次氧化程度影响多硫化铁的生成量和活性;多硫化铁的含量和活性越高,二次氧化升温越剧烈,样品的自燃倾向性越强。     

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。     

官地矿28412综放工作面拆架期间防灭火技术

针对官地煤矿综放工作面在停采撤架期间,出现煤层自然发火期短以及发生停采线架后遗煤自燃的问题,从煤体自燃情况、遗煤量、漏风等方面分析了回撤面遗煤自然发火的原因,针对该工作面的实际情况和各种防灭火技术的特点采取了改善通风状况、采空区注浆、注氮及喷洒阻化剂防灭火、监控预警预报等防灭火方案,有效降低了该工作面瓦斯含量、CO气体浓度和温度,保证了工作面支架的安全撤出。     

基于AHP和扩展集对理论的采空区遗煤自燃危险性评价研究

采空区遗煤自燃严重威胁着煤矿的安全生产,因此为了提前采取有针对性的防范措施,有必要进行遗煤自燃危险性评价。采用层次分析法确定各评价指标的权重,根据集对分析法的基本原理结合采空区遗煤自燃的具体情况,对集对理论进行了扩展,并重新构建了基于确定不确定信息的分析模型。将该模型应用于新集二矿210610工作面,评价结果表明该模型分析过程合理、置信度高,为采空区遗煤自燃危险性评价提供了一种新的方法,同时也为煤矿有针对性的采取安全防范措施提供了参考。     

采场气体涌出与煤自燃的动态数值模拟研究

为提升采场气体涌出和遗煤自燃问题的数值模拟可靠性,实现动态仿真计算,使用COMSOL Multiphysics软件,建立变形几何(DG)物理场、流场、温度场、浓度场等多场耦合的动态模拟模型。研究工作面推进对采场气体涌出及遗煤自燃的影响。对比数值模拟与现场测试结果,验证模型的有效性。结果表明:在工作面的日均瓦斯体积分数、CO体积分数、每日最大瓦斯及CO体积分数、采空区氧气体积分数与自燃"三带"分布6个方面,模拟结果的相对误差限为-15%~15%,平均相对误差为-1.16%~2.67%,数值模拟结果与实测结果的动态变化趋势一致。