煤炭自然发火预报指标气体研究

利用指标气体预报煤炭自燃是预防和控制煤炭自燃火灾的重要方法,不同煤样自然发火的指标气体及临界值可能不同,在实际预报中,应根据矿井实际情况选择正确的指标气体及其临界值.通过自燃特性试验,研究了高头窑煤矿2-3煤层煤炭自燃过程中的标志性气体,分析了各气体产生量随煤样温度变化的曲线.确定该矿的主要指标气体为CO、C2H4及稀烷比.当CO含量持续存在并不断增加则认为煤炭已自燃,C2H4含量达到0.5ppm意味着煤体的温度可能已经达到145℃.该结果对该矿煤炭自燃火灾的预防和控制工作具有重要意义.     

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。     

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。     

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。     

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。     

煤自燃预测预报多参数指标体系研究

煤自燃是一个复杂氧化过程,要经历不同的氧化阶段,且同一煤矿不同煤层煤样具有不同的自燃氧化特性,故应建立相应的预测指标体系。从开滦集团东欢坨矿5煤层、7煤层、8煤层、9煤层、11煤层和12煤层采集煤样,利用程序升温-气相色谱联用实验,分析了各煤样自燃氧化过程中各指标气体随温度的变化规律,依据升温氧化实验数据,将煤自燃过程划分为初期氧化、缓慢自热、临界加速和热解裂变4个阶段,优选出各煤层煤自燃不同阶段适用的预测指标。结合各自燃阶段的温度范围得出了预测指标的对应范围,并运用灰色关联分析法确定了各煤层煤自燃不同阶段指标预报优先级,最终建立了东欢坨矿各煤层煤自燃预测预报多参数指标综合体系且设计了全矿井煤自燃预报指示方案。该体系及方案的设立提高了东欢坨矿煤自燃预测预报结果的准确性,同时可为其他煤矿防灭火工作提供一定的理论指导和方法参考。     

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。     

惰性气氛对煤自燃过程的竞争吸附差异性研究

为探究在CO_2与N_2气氛中吸附后的煤低温氧化自燃特性,以寺河2号井9号煤层无烟煤为研究对象,开展煤低温氧化程序升温试验与热重(TG)试验,分析煤自燃过程中CO和CH_4气体的产物特性与失重特性;建立煤大分子表面对O_2分子、CO_2分子与N_2分子等不同气体分子的物理吸附模型,应用巨正则系综蒙特卡罗模拟(GCMC)法,从微观角度分析煤表面对O_2气体分子的吸附作用,探讨混合气体分子在煤大分子表面的气体竞争差异性。研究表明:经CO_2与N_2气氛中吸附后的煤低温氧化自燃特性发生变化,CO和CH_4气体产物浓度减小,煤自燃失重速率降低,煤低温氧化能力受到抑制;煤大分子对CO_2与N_2等气体分子的混合吸附对其吸附O_2分子起到了抑制作用;煤大分子表面的气体竞争吸附排序如下:H2OCO_2N_2O_2CH_4CO。     

白水煤矿程序升温条件下煤的自燃特性研究

从白水煤矿自燃发火煤层采取煤样,利用煤样程序升温自燃性测试实验装置,模拟煤自燃的整个发火过程。通过考察煤样的煤温变化、O2消耗量、CO产生量、CO2产生量及其他气体的变化规律,并确定煤的临界温度、气体产生率、最大放热强度及最小放热强度等极限参数,研究白水矿煤的自燃倾向性。因此,对该矿的安全生产、自燃火灾的预测以及防灭火具有积极的指导作用。     

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。     

煤低温恒温氧化过程反应特性的试验研究

为进一步揭示煤低温氧化机理、指导煤矿安全开采过程中的煤自燃火灾防治工作,根据CO,CO2是煤低温氧化的主要气体产物这一反应特性,同时CO是判断煤自燃程度的重要指标性气体这一工程实际,采用恒温试验方法研究某烟煤在30℃,50℃和70℃解吸附和解吸附后再氧化过程中的CO,CO2气体产物的产生特性。研究结果表明,新鲜煤中就存大量活泼的络合物,并且这种络合物在高于常温的情况下就可以自身发生分解,产生的主要气体产物为CO2,在较高的温度下,CO的生成量才逐渐增加;在煤的低温氧化阶段,煤与氧气发生的化学反应并不强烈,气体产物CO和CO2主要由络合物分解产生。因此,在煤自燃火灾防治时要及时控制煤在低温情况下,由于络合物分解放热而使煤温逐渐升高从而导致自燃发生。     

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。     

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。     

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.     

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。     

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。     

贫氧环境对煤低温氧化特性影响研究

浅埋藏煤层开采过程中,由于地表裂隙导致的漏风,使其经常处于变化的氧浓度场中。针对这一实际情况,利用煤氧化动力学测定系统,对煤样在21%,18%,14%,10.5%,5%,3%氧浓度下,进行程序升温试验。测得了不同温度下指标气CO,C2H4,C2H6,C3H8浓度,并分析了其随温度变化规律,测量并计算了不同氧浓度下交叉点温度以及升温速率;对氧浓度大小影响指标气产量和其随温度变化幅度原因,以及温度特征影响效果进行必要的机理分析。结果表明:不同氧浓度下指标气CO,C2H4,C2H6在70 ℃左右有明显产量变化,分别在120 ℃,125 ℃,120 ℃处开始大量释放,C3H8则在温度达到125 ℃左右开始大量释放;120 ℃前,各氧浓度下煤样温度按相同规律变化,120 ℃后,氧浓度越大则对应的升温速率越大,温度也越高;氧浓度不同影响了煤中脂肪烃侧链氧化产生-OH的过程,继而造成指标气产量与温度变化差异。     

腐朽坑木与煤混合物升温氧化特性研究*

为研究煤层及腐朽坑木着火特性,采集巷道内腐朽坑木与煤样并进行混合,对其混合物进行燃点测定和程序升温实验;通过对不同煤木混合物在升温过程中产生气体的规律性进行分析,优选出混合物产生的单一气体指标及复合指标。研究结果表明:随朽木在混合物中的比例上升,混合物燃点呈下降趋势,且CO,C2H4等指标气体出现更早,CO产生量更大;腐朽坑木达到燃点后会发生阴燃并逐渐升温引燃煤炭,加速煤氧化进程,最终导致火灾的发生;CO,CO/CO2比值、ICO指标可作为本煤层着火主要预测指标气体及指标,C2H4,C2H6可作为辅助指标气体;该方法可准确判定煤火灾发生发展程度,对实际生产具有理论指导意义。     

不同煤种升温氧化过程中气体产物特征研究

以不同煤种的煤样为研究对象,对其进行程序升温氧化实验,采集不同温度时煤样所产生的气体,进行气相色谱分析,研究不同煤样升温氧化过程中产生的气体种类以及气体浓度的变化特征。实验结果表明:不同煤样升温氧化过程中产生的气体种类不同,气体产生先后顺序依次是CO、C2H6、C2H4、C3H8,气体产生量与温度都近似呈指数变化关系;随煤变质程度的增高,煤样气体产生率急剧上升的拐点温度也变高,煤样氧化能力降低,相同时间段内煤样产生气体量却减少。