含水煤堆自燃升温特征的实验研究

为了了解露天含水煤堆自燃过程中温度变化特性,利用模拟和实验手段研究了煤堆内部温度的动静态分布情况,结果表明:含水煤堆升温过程经历了升温—缓慢升温—快速升温三个阶段,水分的存在使煤堆在自燃中期升温速率放缓,水分含量越高,水分蒸发所需时间越长,煤堆安全保存期越长,水分蒸发完毕后煤堆进入快速升温阶段,温度模拟结果与煤堆升温实验数据在趋势上比较符合,降雨和注水作业都会对煤堆升温过程产生较大的影响,对高温煤堆进行大量注水,只会起到临时的灭火效果,本质上是促进自燃明火发生,适当的循环注水可以起到较长的冷却效果。     

露天煤堆内部升温与水分蒸发阶段特征的模拟研究

为了研究露天煤堆堆放时内部水分含量的动态变化特征,建立了含水煤堆自燃升温模型,利用数值模拟研究了煤堆在堆放30d内温度和水分含量的变化过程,结果表明:煤堆自迎风面开始向背风面依次形成散热带、升温带和窒息带,含水煤堆自燃温度上升过程依次分为Ⅰ升温,Ⅱ缓慢升温,Ⅲ快速升温。而煤堆内水分含量的变化也依次分为Ⅰ缓慢蒸发,Ⅱ快速蒸发和Ⅲ蒸干三个阶段。依据结论对煤堆内部水分含量的动态过程展开进一步研究,有助于将湿润煤体自燃特征规律的实验成果应用于现场实践。     

堆积状态下低品质煤临界自燃着火点测定与研究北大核心CSCD

为了研究低品质煤炭堆积状态下内部自热理论,采用临界自燃着火点理论和Frank-Kamenetskii模型研究了煤堆内部热产生与热散失平衡理论以及煤堆表面的换热现象;并应用设计研发的煤堆热扩散率及温度监测实验装置和测定方法来评估低品质煤样(褐煤以及亚烟煤)临界自燃温度。结果表明:煤样堆积状态下临界自燃着火点温度可通过实验室内测定分析不同体积网框在不同环境温度条件下自热曲线得出;同体积条件下,临界自燃着火点随着煤品质的升高而增加;在140℃环境条件下,1#,2#和3#煤样在快速升温的前20 min内,温度变化趋势相似;在60~65℃,3种煤样出现温度转折点,升温速率开始减缓;根据煤样临界自燃着火点温度结合F-K热发火边界条件理论得出的堆积体积与着火点耦合关系式可预测大体积煤样自燃倾向性及临界自燃温度。     

堆积状态下低品质煤临界自燃着火点测定与研究

为了研究低品质煤炭堆积状态下内部自热理论,采用临界自燃着火点理论和Frank-Kamenetskii 模型研究了煤堆内部热产生与热散失平衡理论以及煤堆表面的换热现象;并应用设计研发的煤堆热扩散率及温度监测实验装置和测定方法来评估低品质煤样（褐煤以及亚烟煤）临界自燃温度。结果表明:煤样堆积状态下临界自燃着火点温度可通过实验室内测定分析不同体积网框在不同环境温度条件下自热曲线得出;同体积条件下,临界自燃着火点随着煤品质的升高而增加;在140 ℃ 环境条件下,1#,2# 和3# 煤样在快速升温的前20 min内,温度变化趋势相似;在60~65 ℃,3种煤样出现温度转折点,升温速率开始减缓;根据煤样临界自燃着火点温度结合F-K热发火边界条件理论得出的堆积体积与着火点耦合关系式可预测大体积煤样自燃倾向性及临界自燃温度。     

粒径对褐煤自燃阶段临界温度影响的试验研究

为研究褐煤在堆积状态下的自然发火特性,开展实验室试验,基于Frank-Kamenetskii理论,采用开放式恒温加热方法,将6种不同粒径的褐煤煤样分别放入5、10和15 cm等尺寸的立方体网篮,组成18个自然堆积状态的煤堆,并置于不同的恒温条件下,研究煤堆的升温过程,探讨粒径对煤氧化过程中自燃阶段临界温度的影响。结果表明:煤堆的升温过程可分为初始升温、缓慢升温、快速升温和自燃(或温度回落)4个阶段;在煤堆体积相同时,煤样粒径的减小会使自燃阶段临界温度降低,随着煤堆体积的增大,粒径影响逐渐减弱直至可被忽略。     

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。     

升温速率及氧浓度对长焰煤煤氧复合过程特性的影响

利用热重试验对粒径小于0.2 mm的长焰煤煤粉进行了不同氧体积分数(21%、40%、50%、60%和80%)和升温速率(20℃/min、30℃/min、40℃/min、50℃/min和60℃/min)的25种工况下煤氧复合过程中热解特性的测定,分析了两种因素对各特征值的影响。结果表明:以热失重速率为基准,长焰煤在含氧气氛下的热解过程可分为失水失重阶段、氧化增重阶段及着火、燃烧和炭化3个阶段;通用着火特性指标越大,煤样燃烧特性越好,自燃点越小,煤样工业分析结果应与其实际生产过程中的自燃危险性相结合;升温速率不变时自燃点随氧体积分数上升而下降,而煤氧复合时间随氧体积分数上升呈现先降低再微弱增加的趋势;氧体积分数一定时自燃点随升温速率上升而上升,煤氧复合时间则随之下降。对自燃点及煤氧复合时间进行均值无量纲化,并将其与无量纲化升温速率进行拟合,决定系数(R~2)约为1.0;提出了煤氧复合难易程度参数(D),计算结果表明,即使自燃点随升温速率上升发生滞后,煤氧复合难度仍然减弱。     

基于F-K理论的大体积煤堆自燃特性试验研究

为预测大体积低品质煤炭自然发火温度,采用恒温加热系统和气体检测分析系统,研究煤堆的自热特性。根据Frank-Kamenetskii边界条件理论,并结合自然对流和临界自燃着火点研究方法,分析煤堆内部的温度变化、水分蒸发及能量转变情况,进而探讨环境温度、氧化气体和煤自燃倾向性的关系。结果表明:煤样水分含量是导致其自热升温曲线出现下降阶段的重要因素,煤堆内部不同位置其温度下降阶段持续的时间不同;自热反应所产生气体浓度随煤温的升高而增高;未燃状态下,氧化作用最强阶段位于温度上升初始段后期;自然对流和低温氧化导致煤堆体积缩减,环境温度越高体积缩减程度越大;煤样临界自燃着火点研究方法可有效应用于大体积煤堆自燃着火点预测。     

矿用CMC/ZrCit/GDL防灭火凝胶特性研究

为防治煤自燃,研制一种由羧甲基纤维素钠(CMC)、柠檬酸锆(Zr Cit)和葡萄糖酸-δ-内酯(GDL)组成的新型矿井防灭火凝胶。首先试验测试不同配比凝胶的成胶时间和黏度,选出适合不同情况下煤矿防灭火的凝胶配比;然后采用程序升温试验和热重(TG)试验分析凝胶的阻化性能和对煤自燃失重放热的影响。结果表明:凝胶的加入对煤的自燃有一定抑制作用;凝胶渗透过程中成胶,粘结在煤体的表面和裂隙之间;相同加热时间下加热到180℃,水的失重率比32号凝胶高出30%左右,说明凝胶固水性强,热稳定性良好。灭火模拟试验说明使用凝胶灭火,煤体降温快且不易复燃。     

水泥基泡沫形成机理及抑制煤堆自燃试验研究

煤炭开采面临煤自然发火等灾害的严重威胁,在分析现有防灭火技术特征的基础上,制备了1种水泥基泡沫材料。探讨了水泥基泡沫形成机理,包括水基泡沫与浆液扰流混合发泡,表面活性剂增加颗粒疏水性及颗粒稳定泡沫液膜,液膜中水泥、粉煤灰颗粒水化反应及促凝剂加速凝结固化。搭建了小型抑制煤堆自燃试验平台,开展了煤堆自燃温升变化及黄泥浆、无机凝胶、阻化泡沫、水泥基泡沫等防灭火介质降温效果试验,结果表明:水泥基泡沫具有向上堆积的能力,能对高温煤颗粒进行覆盖、包裹,并具有较好的热稳定性,总体降温性能最佳;压注后,监测时间0~900 s内,径向距离为0.1,0.2,0.3,0.4,0.5 m处温度分别从376.98,376.00,374.38,372.14,369.27 ℃下降到21,26,29,35,42 ℃。     

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。     

高水无机材料防灭火性能影响因素研究与实践*

为进一步揭示高水无机材料抑制煤自燃机理,将其更好地应用于煤矿防灭火领域,开展高水无机材料流动渗透性能实验与高水无机材料抑制煤堆自燃实验,研究不同水灰比和不同空隙率条件下高水无机材料浆液流动渗透规律和高水无机材料浆液煤堆自燃降温规律。结果表明:高水无机材料浆液的水灰比和煤块间的间隙宽度对其流动渗透性能有显著影响,煤堆不同径向距离处的温度均呈现出开始迅速降低、之后缓慢降低的2个降温阶段。三河尖矿防灭火工程实践应用表明水灰比28∶1的高水无机材料浆液有较好的防灭火效果。     

基于热重分析的煤升温氧化及煤氧复合特性分析

为了探讨煤氧化自燃特性,将来自平顶山、某电厂(混合煤)、山西的3类共7组煤样在干空气氛围中以固定升温速率(20℃/min)进行热重试验。结果表明:煤样在含氧氛围中的升温氧化过程可分为吸附自热和氧化增重2个阶段;同源煤样的自燃点(T)与煤氧复合作用时间(t)随着火特性指标(FZ)增大而减小,FZ越大,煤氧复合越容易,其自燃点也越低;对于非同源煤,除PDS2之外,山西煤、平顶山煤、电厂混合煤之间表现出良好的线性关系;建立了无量纲化自燃点(T')、煤氧复合作用时间(t')与煤氧复合难易指标(Icod)的函数关系,Icod可较好地反映不同品质煤样的自燃难易程度,Icod越小煤氧复合越容易进行,在7组试验煤样中PDS1的Icod最大(1.08),山西煤次之,电厂混合煤的Icod最小(0.80),表明电厂混合煤具有更高的自燃倾向性。     

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。     

新型高聚物煤自燃阻化剂的试验研究

煤堆自然发火是一个严重的经济和安全问题,是重大灾害之一.目前有许多采用阻化剂防止煤炭自燃的技术,但普遍存在阻化效果不稳定、寿命短等不足.本文选用合适的高聚物分子作为阻化剂,并以水玻璃、CaO、表面活性剂等为添加剂.进行双氧水氧化升温试验、程序升温氧化试验和阻化性试验,结果表明,这种新型阻化剂阻化效果良好,阻化率达90%以上.高聚物分子通过物理吸附、机械结合、化学吸附等作用使煤粒相互粘结,最后能在煤堆表面形成一定厚度和一定强度的固化层,覆盖在煤表面,阻缓氧气进入煤体,提高了对煤炭的阻化效果.这种阻化剂无毒无害、使用方便,具有良好的应用前景.     

防大型煤堆自燃

煤是固体燃料,煤与空气接触,不仅会风化使其质量变坏,而且也能发生自燃。在煤栈大煤堆里,经常出现煤堆发热现象,如不及时采取安全措施,就会发生自燃。为何大的煤堆容易发生自燃现象呢?     

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。     

氧浓度对煤绝热氧化过程特征的影响

为研究不同浓度氧气对煤低温自然发火的影响,对煤自燃灾害防治的理论研究和现场实施提供支持,设计煤在通入不同体积分数(20%,50%和100%)氧气条件下的绝热氧化试验方法,得到3种试验条件下煤自热升温的温度-时间关系曲线,分析升温速率(R)、表观活化能(Ea)以及特征温度(Tc)与氧浓度的关系。结果表明:随着氧浓度的升高,煤的自热升温速率增大、升温过程缩短,而表观活化能值和特征温度均无明显变化。     

氧化煤阻化性能的FTIR研究

氧化煤低温自燃会威胁矿井生产和工人生命安全,因此必须对煤自燃的阻燃效果进行研究。在程序升温-气相色谱实验中得到煤自燃氧化过程的产出物,用CO浓度判断氧化煤自燃程度,再比较阻化剂的阻化能力并计算阻化率;利用FTIR绘制特征吸收峰,从微观结构研究阻化机理。实验结果表明:煤自燃的阻燃效果受阻化剂种类和浓度的影响,磷酸三钠阻化效果与其添加浓度呈正相关关系,20%甲基膦酸二甲酯阻化率最高为32.6%,10%磷酸三钠阻化率最低为5.1%;煤分子结构中脂肪烃数量的降低,引起气态烯烃与烷烃产生,从160℃后C-O键开始裂解破坏,导致CO含量剧烈上升,阻化剂的加入能抑制CO的产生,减缓煤氧化速度。     

堆放参数对瑞安矿煤堆自燃风速的影响

为确定瑞安矿煤堆自燃的环境风速,提高煤堆自燃的预判能力,使用COMSOL Multiphysics 5.0数值仿真软件,开展了5个不同尺寸分别在孔隙率0.2~0.6和环境风速0.05 m/s~13 m/s条件下堆放180 d的自热-自燃过程数值模拟。结果表明,煤堆自燃风速范围因孔隙率和堆放参数不同而异,孔隙率越小煤堆的自燃风速范围越宽,且最小、最易、最大自燃风速与孔隙率之间具有幂函数关系;影响煤堆最小、最易、最大自燃风速显著的参数分别为顶宽、底宽、高度、角度和孔隙率、孔隙率、高度和孔隙率,并构建了三个自燃风速的合理解算方程。