淮南矿区主采煤层自燃氧化特性试验研究

为了研究淮南矿区主采煤层自燃氧化特性及其影响因素,选取8个煤样进行煤质分析、表观结构特征和程序升温试验,比较了同层煤和不同层煤自燃特性的异同点。结果表明:对于同层煤,其特征温度比较接近;谢桥、丁集、潘三3个矿的CO体积分数大于顾桥、潘北和朱集的。对于不同层煤,挥发分越低,煤样的临界温度越延迟;13煤层的临界温度在70℃左右,干裂温度在110℃左右,8煤层的临界温度在80℃左右,干裂温度在120℃左右。6煤层的临界温度在70℃左右,干裂温度在120℃左右;同时确定了各煤层煤自燃预测预报的主要和辅助指标,其中CO和C_2H_4为主要指标,碳氧化物比值为辅助指标。     

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。     

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。     

易自燃厚煤层工作面自然发火CO预测及防治

为了有效预防遗煤自燃,深入研究自然发火初期的CO预测技术。基于回风隅角CO源的理论模型,以Gambit建立相似二维采场模型,数值模拟了采空区自燃“三带”范围,并采用现场束管监测手段对结果进行了验证。利用程序升温实验获得了不同温度段回风隅角CO的极限指标,并与现场实测值对比分析,进而预判采空区遗煤发火程度,为制定有针对性的防治措施提供理论指导。研究结果表明:CO作为低温氧化阶段预测指标对预防遗煤自燃具有重要作用。     

工作面动态推进下采空区煤自燃分布特征模拟

为了研究动态推进过程中工作面推进距离对采空区煤自燃分布特征的影响,采取及时有效的煤自燃防治措施,以13210综放面为工程背景,基于采空区渗透率分布公式和传热传质控制方程,建立采空区煤自燃数值解算模型。利用COMSOL软件模拟了工作面不同推进距离下以流速和氧体积分数为划分指标的采空区氧化带范围和高温区域的变化规律,分析了高温区域与氧化带的叠加效应。通过现场实测与模拟结果比对,验证了模拟的准确性。研究结果表明:采空区渗透率随着工作面推进距离的增加而不断变化,近工作面端渗透率变化不大,而中深部采空区的渗透率不断减小;采空区氧化带分布随工作面推进距离的增加呈现阶段性变化特征,推进初期氧化带范围不断变化,推进后期氧化带范围趋于稳定;采空区氧化带分布与高温区域重叠深度随工作面推进不断增加,最终稳定于工作面后方60~70 m范围内。     

煤的低温氧化及指标气体实验研究

本文主要利用自制研发的煤自燃特性测试系统,通过程序升温加热的方法,分析了桃园煤矿10煤和8煤在不同温度环境下氧化的气体组分及其浓度分布,以此来分析煤在低温条件下的氧化规律,并综合分析判定煤自然发火标志气体。实验结果表明,随着煤温的升高,煤的氧化速度越来越快,煤氧化速度的拐点温度为100℃~120℃;10煤出现C_2H_4和C_2H_6的温度均在80℃~100℃,而8煤在35℃~40℃下就有C_2H_6生成,但出现C_2H_4的温度高达150℃;10煤以CO为主标志气体,以C_2H_4、C_2H_6、C_3H_8作为辅助指标气体;8煤以CO、C_2H_6为主标志气体,以C_2H_4、C_3H_8作为辅助指标气体。     

氧浓度对煤低温氧化热效应影响规律研究

为了准确掌握氧浓度对煤低温氧化热效应的影响,采用C80微量量热仪研究低温阶段煤氧化的自热过程,根据单升温速率的非等温动力学分析方法,得到不同氧浓度下煤样的活化能。研究结果表明:氧浓度对实验初始阶段的热流曲线和放热量的影响较小,随着温度的升高,氧浓度对热流曲线和放热量影响逐渐变得明显,放热趋势随着氧浓度的增大而增强;煤样的初始放热温度随着氧浓度的增大而降低;活化能随着氧气浓度的降低呈阶梯式上升;总放热量和氧浓度服从线性方程y=ax+b;与21%（空气气氛）氧浓度相比,15%,10%和5%氧浓度下煤的放热量分别降低了约19%,33%和46%,表明降低氧浓度对煤样的氧化放热具有明显的减缓作用。因此可以加强采空区的密闭性检测、注入惰性气体,使采空区的氧浓度尽可能地低,对采空区煤自热升温的防治有着理论指导意义。     

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。     

基于相关系数法的煤自燃危险性关联分析及预测

为缩短煤自燃倾向性的鉴定时间,首先利用工业分析仪及程序升温试验装置,测得各煤样煤质指标值及不同温度下煤自燃指标气体含量,并通过CO体积分数确定各煤样低温氧化临界温度点;然后再通过Arrhenius公式拟合得出温度与耗氧速率间的方程,并求解出各煤样临界温度前后不同阶段的表观活化能,通过Pearson相关系数法进行煤质指标值与煤样临界温度前后表观活化能之间的关联分析,并计算其相关系数;最后选取相关系数最大的煤质指标值,建立用于计算煤样表观活化能的多元线性回归模型,分析并预测煤自燃危险性。结果表明：煤质指标中不同成分与临界温度前后表观活化能间的相关系数有较大差异,其中挥发分与临界温度前后表观活化能的负相关系数最大,分别为-0.893和-0.977,燃料比与临界温度前后表观活化能的正相关系数最大,分别为0.956和0.968。所建立的多元线性回归模型,其拟合度可达0.912 5和0.933 0。     

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。     

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。     

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。     

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...     

基于不同漏风源浅埋煤层采空区自燃“三带”分布规律研究*

为解决浅埋自燃煤层采空区因地表及工作面漏风而自燃的难题,以沙坪煤矿1818工作面为例,利用SF6示踪法检测采空区地表漏风通道和风速,利用FLUENT数值模拟分析不同漏风源采空区自燃“三带”分布的特征,并通过现场束管测试结果对比分析浅埋煤层采空区地表漏风对自燃“三带”分布的影响,同时限定工作面最小推进速度,确保工作面的安全生产。研究结果表明:地表漏风风速为0.06～0.30 m/s,漏风通道多且复杂;相比于工作面单一漏风源,有地表漏风存在时,自燃危险性加大;限定工作面最小推进速度为1.24 m/d。因此,多漏风源煤层开采条件下自燃“三带”分布的确定对浅埋藏自燃煤层采空区遗煤自燃预测预报及预防工作具有重要的指导和借鉴意义。     

采空区隐蔽火源探测及声学法煤温感知新技术探讨*

为精准判定采空区等地下隐蔽火区高温点的位置和范围,综述现有采空区煤自燃温度探测技术,重点总结和分析红外探测法、分布式光纤测温法、指标气体探测法、热电偶测温技术以及同位素测氡法等煤层测温手段的研究进展与技术瓶颈,着重研究声学法测温的技术原理及实现方式;结合分层建模和插值建模的优点,探讨声学测温技术在采空区松散煤体煤温反演探测应用中的可行性。结果表明:受限于煤层赋存及开采方式等煤矿现场的实际情况,准确反演和精确定位采空区等隐蔽火源高温点和位置的探测方法和装备技术有待进一步发展;声学法探测松散煤体自燃温度的基本原理、传播衰减规律、温度场重构模型及其关键特征参量需进一步准确获取;综合考量声学测温技术原理和实现过程,该技术适用于采空区松散煤体自燃火区的环境特征,有望成为采空区隐蔽火源位置精准探测发展前景良好的探测方法。     

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。     

基于偏序集的采空区煤自燃可能性评价模型

为了解决采空区煤自燃可能性评价方法中的赋权争议问题,基于偏序集理论,提出了偏序集评价模型。阐明评价指标并确定其等级划分准则,运用偏序集评价模型得到Hasse图,通过Hasse图展现的层集信息判别采空区煤自燃的危险程度。利用该模型对某煤矿17个煤样的自燃情况进行了判别,评价结果准确合理。研究结果表明:该模型避免了以往研究中的赋权争议问题,克服了样本量不足致使模型无法应用的问题,其评价结果置信度高。     

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。