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。     

不同变质程度煤燃烧阶段碳氧化物生成规律

为鉴定煤矿火灾事故封闭火区内不同煤种生成气体组分及研究其变化过程,通过热重试验确定煤燃烧阶段的温度范围。用双管电炉自制程序升温系统,进行4种不同变质程度的煤的燃烧试验,分析生成的CO和CO_2体积分数、耗氧量及CO初现温度变化规律。结果表明:褐煤、气煤、焦煤和瘦煤燃烧阶段温度分别为247~433℃,279~542℃,313~574℃和333~618℃;随着变质程度增强,生成CO气体的初始温度滞后且CO的生成量减小,CO体积分数最大值和总浓度升高,CO_2体积分数最大值和总体积分数下降;燃烧阶段O_2,CO和CO_2体积分数与温度有二次函数关系。     

褐煤燃烧阶段碳氧化物生成规律研究

为研究褐煤燃烧阶段碳氧化物生成规律,以平庄瑞安褐煤为例,用自制程序升温系统完成褐煤燃烧实验,得到煤样燃烧阶段不同温度下煤样下游混合气体中的CO,CO2及O2体积分数,计算耗氧速率,CO与CO2生成速率以及格雷哈姆系数的3种形式R1,R2和R3的值。研究结果表明:温度为250~399℃时,耗氧量、CO2体积分数、耗氧速率、CO2生成速率和R1值均随着温度的升高而增大;CO体积分数、CO生成速率和R2值在250~348℃时随温度的升高而增大,到348℃时开始下降;R3值与温度之间呈指数关系递减;整个燃烧阶段,R1值和R3值变化显著,R2值变化不大,说明格雷哈姆系数可作为预测褐煤燃烧状态的指标。     

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。     

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。     

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。     

空气相对湿度对煤自燃特性的影响研究

为研究空气相对湿度对煤自燃特性的影响,运用自制空气湿度控制装置和程序升温试验台,通入湿度不同的空气,对砚石台矿煤样进行程序升温,测定不同温度下所产生气体的浓度,分析耗氧速率、CO和CO2产生率、放热强度以及自燃极限参数的变化规律。试验结果表明:低温氧化前期,煤体的耗氧速率、放热强度和CO产生率与空气相对湿度成正比。随着反应的进行,85%或32%的湿度均会对耗氧速率、放热强度和CO产生率产生一定的抑制作用;CO2产生率随空气相对湿度的增大先升高后降低,最小浮煤厚度和下限氧浓度随空气相对湿度的增大先减小后增大,上限漏风强度先增大后减小。增大空气相对湿度对煤低温氧化前期有促进作用,其自燃环境条件更易被满足,自燃危险性升高。     

高水分含量对煤自然发火特性参数影响的试验研究

为了研究水分对煤自燃升温过程的影响,运用XK-Ⅳ型煤自然发火试验装置对大南湖高水分含量松散煤体进行煤自然发火的特性参数测定,分析高水分含量对煤自燃升温过程的耗氧速率、CO和CO2产生率及放热强度等特性参数的影响。结果表明,煤样中的高水分含量对煤自燃过程不同阶段的影响不同,低温阶段(80℃以前),高水分含量促进过氧络合物生成,对煤氧复合有促进作用;80~110℃阶段,高水分含量蒸发汽化潜热对煤氧复合反应有抑制作用。     

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。     

不同变质程度煤燃烧特性及动力学参数研究

为研究煤的变质程度对煤矿火灾时期煤燃烧放热特性的影响,选取6种不同变质程度煤样作为试验样品,采用STA-449C型同步热分析仪进行热重(TG)试验。研究煤样的质量变化、放热量变化规律。通过对TG曲线进行一阶微分得到煤样失重速率(DTG)曲线。利用Freeman-Carrol模型计算各煤样的燃烧反应动力学参数。结果表明:失重率和最大失重速率随着煤样变质程度升高逐渐降低,DTG曲线近似符合Gauss分布;初始放热温度T_(f_0)随着煤样水分含量升高而升高;煤样变质程度升高,特征温度点T_1,T_3,T_(s_1)与T_4呈线性增加,T_(f_0)与T_(s_0)呈线性下降趋势变化;放热量随煤变质程度升高呈指数关系变化,相同温度时,煤样变质程度越高放热量越小;煤化程度越高,综合燃烧特性指数S越大,放热量越大,失水活化能、着火活化能与燃烧活化能均升高。     

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。     

煤氧化放热特征及影响因素的关联分析

为研究煤在低温氧化过程中的放热特征，确定影响煤氧化放热强度的主要因素，以4种不同煤化程度煤样为研究对象，采用封闭式煤氧化试验方法，结合键能平衡法计算煤在25～70℃、氧气体积分数0～21%范围内的氧化放热强度，获得煤氧化过程中氧氧气体积分数、温度和氧化放热强度三者间的关系表达式；运用灰色关联法分析挥发分、水分、含硫量、灰分、氧气体积分数和温度与煤氧化放热强度的关联度。结果表明，煤耗氧速度、CO释放速率和CO₂释放速率随温度升高呈指数增长趋势。通过比较挥发分、水分、含硫量、灰分、氧气体积分数和温度与煤氧化放热强度的关联度可知，影响不同煤化程度煤样氧化放热强度的主要因素是煤自身的挥发分质量分数，而外部因素中的温度对同一煤样氧化放热强度的影响要强于氧气体积分数。     

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。     

煤自燃灾害气体指标的阶段特征试验研究

为分析煤自燃早期气体指标变化特征规律,更好地解决煤矿现场灭火救灾决策问题,通过煤自燃程序升温试验,首先得到煤样气氛中O2,CO,CO2,CH4,C2H4和C2H6气体的体积分数随温度的变化规律。根据煤体温度,将煤自燃前期划分为5个阶段(潜伏、储热、蒸发、活跃和乏氧)。分析3种不同变质程度的煤样的气体指标在各阶段的变化特征。建立煤自燃气体指标与特征温度阶段区间的对应关系。结果表明:在自燃潜伏阶段,煤的变质程度越低,早期越易产生CO,越难产生CH4;在储热阶段,煤的变质程度越低,早期越易且越快产生C2H6;在蒸发阶段,煤内外在水分脱附,低变质煤的C2H4也随之产生;在活跃阶段,各种气体体积分数均有剧烈增高的趋势,较高变质煤的C2H4也随之产生;在乏氧阶段,O2体积分数低于15%,与O2体积分数相关指标(CO/ΔO2,CO/CO2等)趋势有所改变。     

煤自燃发火潜伏期不同温度下耗氧特性的研究

为了探究地层温度的升高对采空区自燃倾向性的影响,对处于自燃潜伏期的煤展开耗氧特性和CO释放特性的研究。通过对长平矿3#煤分别进行20~60℃的封闭耗氧实验,得到了自燃潜伏期不同温度下煤的氧浓度以及CO浓度随时间变化的曲线。对氧浓度变化曲线和CO浓度变化曲线进行拟合分析得到了不同温度下煤的氧气消耗和CO生成速度,同时得到了氧浓度衰减系数和CO浓度增长系数。封闭耗氧实验结果表明:从20~60℃氧气消耗速度逐渐增大并且氧浓度衰减系数呈指数增长,CO浓度增长系数也逐渐增大并且同样呈指数增长,煤的窒熄带氧浓度临界值从20~60℃逐渐由16.8%降低到12.4%。为探究不同温度下采空区煤的自燃发火危险性,将封闭耗氧实验结果的参数应用到采空区CFD数值模拟仿真中,模拟得到随着温度升高采空区窒熄带临界氧浓度位置由200 m增长到380 m。结果表明:常温下不易自燃的煤在较高的环境温度下表现出了较强的氧气消耗和CO释放能力,并且采空区自然氧化带随着温度的升高动态变宽,增大了采空区的自燃发火危险性。     

水浸干燥作用对煤自燃特性及预测指标影响研究

为研究水浸干燥作用对煤自燃特性的影响,采用真空干燥法与自然风干法分别处理水浸过的煤样,通过程序升温试验测试原煤样与处理后的2种煤样在氧化过程中产生的CO体积分数和C_2H_4体积分数,根据CO体积分数增长速率突变点和C_2H_4产生温度分别计算3种煤样自燃特征温度,分析水浸干燥作用对据煤样自燃特征温度的影响;通过氧化放热公式计算3种煤样的耗氧速率和放热强度,分析水浸干燥作用对煤样氧化放热性能的影响;最后分析水浸干燥作用对格雷哈姆系数R_2、R_3和链烷比预测煤自燃特征温度准确性的影响。结果表明:水浸干燥作用改变煤的自燃特性,升高煤自燃特征温度,降低煤氧化放热性能,使格雷哈姆系数R_2、R_3预测煤自燃特征温度的准确性降低,但对链烷比预测煤自燃特征温度的准确性影响较小。     

煤氧复合热效应的影响因素分析

煤的氧化放热是引起煤自燃的主要原因。煤氧复合热效应与耗氧速率和表面反应热有关。通过分析得出 ,q(z,n,CO2 ,T,d5 0 ) =h(Z) .g(n) .f (CO2 ) .I(T) .Ψ (d5 0 )。其中主要影响因素为煤结构、温度、氧浓度及粒度。根据威斯化学结构模型、本田化学结构模型及煤分子中包含的 7种表面活性结构 ,推出煤自燃表面分子结构模型 ,并分析其表面活性结构的种类、数量、活泼性 ,它们随煤体不同而千差万别 ;表面活性结构随温度变化的氧化活泼性及反应过程不同 ,造成煤表面氧化反应热 H不同。外在主要影响因素—煤的温度、氧浓度、粒度不同造成了耗氧速率 VO2 不同 ,使煤的放热强度不同。对此 ,通过 XK型煤自然发火实验台及 XKS程序升温实验台进行了实验分析     

贫氧条件煤自燃产热特性试验研究

为探究煤自燃规律,选取陕西彬长集团大佛寺煤矿40106工作面不同回采时期的2组煤样作为试验样品,开展贫氧条件下煤放热特性试验研究。采用计算机智能动态稳定配气装置,并利用差示扫描量热仪(DSC)测试煤样放热数据。试验数据分析表明:随着煤样温度的升高,煤样放热量受氧体积分数的影响程度逐渐增大;随着环境贫氧程度的增大,即氧体积分数从21%降至5%,煤自燃过程放热速率的分界点温度基本呈线性增高趋势,煤自燃加速氧化阶段被延迟;由分界点确定的缓慢放热阶段与加速放热阶段的活化能均随着氧体积分数的降低而呈线性缓慢升高,贫氧条件对煤样反应及热效应有饱和抑制作用。     

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。     

单轴应力对煤自燃特性参数和导热系数的影响研究

为探究单轴应力作用下煤氧化和传热特性,利用自制荷载加压煤自燃特性参数测定装置对炉体内长焰煤煤样进行程序升温。结合程序升温过程中煤临界温度Tc和Tg,对其进行阶段划分:阶段1为30℃~Tc;阶段2为Tc~Tg。计算了不同单轴应力下2个阶段煤表观活化能和平均耗氧速率。根据能量守恒得出程序升温过程煤导热系数随温度的变化,进一步分析煤导热系数与单轴应力的关系。结果表明:阶段1单轴应力为4 MPa时为临界轴压,煤表观活化能最大,平均耗氧速率最小;阶段2煤表观活化能和平均耗氧速率随单轴应力增大均呈抛物线变化,单轴应力为2.7 MPa时为临界轴压,煤表观活化能最大,平均耗氧速率最小;阶段1和2煤导热系数随温度升高均先减小后增大,并且煤导热系数随单轴应力增大呈三次函数变化。