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。     

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。     

煤体吸附CH_4及CO_2热力学特性试验研究

为揭示煤吸附CH_4和CO_2热力学机制,选取新疆硫磺沟的煤样进行不同温度下的CH_4和CO_2等温吸附试验,利用Langmuir、Freundlich、D-R吸附理论模型对等温吸附曲线进行拟合,基于吸附势能理论研究煤样吸附CO_2和CH_4的热力学特性。研究表明:不同温度条件下煤样吸附CH_4和CO_2曲线均符合Langmuir、Freundlich、D-R模型;CH_4和CO_2吸附势能均随着吸附量增大而降低,其等量吸附热和吸附熵变均随着吸附量增加呈上升趋势,并且CO_2的吸附势能、吸附热、吸附熵变均大于CH_4;CH_4和CO_2吸附熵随温度升高总体呈降低趋势,其吸附势能不仅受表面力场影响,也受吸附焓和吸附熵的影响;CO_2等量吸附热受分子间竞争及微孔填充的影响。吸附热力学参数能用来表征煤体吸附特性,可从热力学角度揭示煤体表面竞争吸附的实质。     

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。     

十一矿己16-17煤自燃标志气体优选实验研究

为更好地判断平煤矿井工作面煤自燃发展变化情况,降低煤矿内煤自燃火灾发生的概率,在实验室内对平煤十一矿己16-17工作面的煤样进行实验分析.通过运用程序升温实验装置,分析煤低温氧化过程中的气体产物与温度间的关系,得到CO、C2 H4、C2 H6、C3 H8等气体的变化规律,与常温下煤样氧化实验结果对比后,最终选择以CO和C3 H82种气体作为预测十一矿己16-17工作面煤自燃的主要指标气体,C2 H4、C2 H62种气体作为辅助参考指标气体.该研究结果对十一矿煤自燃预测及其治理具有一定指导作用.     

CO_2/CH_4在煤储层中扩散规律的分子动力学模拟

为明确CO_2与CH_4混合气体在煤中的扩散规律,建立不同宽度的石墨狭缝结构模型代替复杂的煤结构,运用分子动力学方法,研究CO_2与CH_4浓度比、温度、气体压力和储层孔径等因素对甲烷扩散性能的影响。研究结果表明:随着CO_2浓度的增大,甲烷的扩散系数降低;随着气体压力的增大,甲烷的扩散能力以及扩散系数均有明显的降低,但降低速率趋于平缓;较高的温度有助于甲烷的扩散,但作用效果并不明显;随着储层孔径的增大,甲烷的扩散系数越大。扩散系数与孔径呈现对数函数关系,与压力、CO_2浓度和温度呈指数函数关系。出现上述结果的主要原因是CH_4和CO_2的竞争吸附,以及甲烷分子和狭缝表面之间范德华力的不同造成的。     

赵家寨煤矿煤自然发火标志气体优选分级预警研究

为了有效实现赵家寨高地温煤矿二1煤层自燃预测预报,本论文采用程序升温实验,得到5组煤自然发火标志气体与温度关系,优选二1煤层自然发火标志气体,并根据现场实际情况,制定该矿的煤自燃分级预警表,提出对应防控措施。结果表明:CO气体出现时为缓慢氧化阶段,C_2H_4和C_2H_6气体出现时,进入快速氧化阶段,该煤层应该首选CO作为其煤自然发火主要标志气体,CO/CO_2作为其煤自然发火主要复合指标,并以C_2H_4和C_2H_6作为辅助指标,制定4级预警表,提出了各级煤炭自燃防控措施。研究成果对郑州矿区二1煤层Ⅲ类不易自然发火煤炭的自燃防控具有一定指导意义。     

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。     

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.     

煤炭自燃指标性气体确定的实验研究

矿井火灾是矿井五大灾害之一,煤炭自燃则是矿井火灾最主要的起因。为了了解煤炭氧化、自燃规律,本文采用TG-DSC技术研究了不同煤种在水分蒸发、吸氧增重、受热分解及燃烧等不同氧化阶段的氧化特征值;并采用TG-DSC-GC联用技术研究了不同煤种在整个氧化阶段的气体产物生成规律及其特征。在煤的低温氧化阶段,找出了CO等可作为判别煤自燃的指标性气体及C2H4等辅助指标性气体;并得出了各煤种氧化阶段的耗氧规律。     

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。     

中低变质程度煤孔隙结构对煤自燃标志性气体产出的影响研究

利用易发生自燃反应导致煤矿安全事故的中低变质程度煤进行程序升温-气相色谱联机实验和低温氮气吸附实验,从煤的微观孔隙结构分析煤自燃标志性气体的产出规律。结果表明:中低变质程度煤中,随着变质程度的升高,煤体中大孔减少而中小孔增多,不易气体流通,致使煤自燃标志性气体CO和C_2H_4出现的温度点推迟,煤越不易自燃。     

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。     

林南仓矿煤低温氧化动力学实验研究

为了研究林南仓矿煤的低温氧化的动力学特性,选取来自不同煤层和采区的3个煤样为实验煤样。通过工业分析和元素分析确定了煤的种类为中高挥发分烟煤,自燃等级为Ⅱ类自燃。分析热重实验结果将低温氧化过程分为失重阶段和增重阶段,确定两阶段为一级化学反应,随着反应深入氧化所需的能量增加。升温氧化实验过程中气体的质量浓度和种类随温度升高而增加,利用电子自旋共振波谱仪研究不同氧化温度下煤中自由基的数量,结果显示自由基浓度出现先减小后增加的趋势。从宏观和微观两个角度提出随着反应程度的加深反应所需能量以及气体产物和自由基数量之间的关系,进一步揭示煤自燃的发展进程。     

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。     

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。     

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。     

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。