采空区亚自燃状态及其向自燃转化研究

针对高危自燃采空区遗留煤发生自燃问题,提出采空区亚自燃状态的概念.开采推进过程中的采空区自燃,都可理解为是从亚自燃状态向自燃状态转化的结果,且其转化过程时间很短,小于最短自然发火期.在不同条件下的自燃过程满足叠加组合原理,采空区亚自燃状态向自燃转化过程是两种以上过程的叠加.转化受亚自燃状态程度(稳定温度)、工作面推进度、漏风供氧、煤堆积状态及防灭火措施(注氮)等因素影响.亚自燃状态理论能够解释生产实践中一旦某一不利因素出现,能在短时间内导致自燃发生的现象(自燃突发性).亚自燃状态概念的提出,将有助于从理论上正确认识实际采空区自燃状态的演变过程,实现早期预防采空区自燃的发生.     

煤自燃特性影响因素的试验研究

影响煤炭自燃的因素较多,重点从煤的粒径、供氧浓度及供风量3个方面进行分析探讨,选取变质程度为中等的焦煤煤样为试验对象,利用矿井煤炭自燃测试装置,分别改变粒径、氧气体积分数和风量,研究其对煤炭自燃过程的影响,得出参数改变后煤炭与氧气反应生成气体的变化规律,并进一步分析气体变化的原因,从而有针对性地提出安全对策及措施。结果表明:当粒径大小为0.18~0.38 mm时,煤与氧气反应所生成的CO、CO_2的体积分数最大;当氧气的体积分数为8.20%时,所生成的CO、CO_2的体积分数明显比氧气体积分数为11.80%的小;而空气流量为100 m L/min时,气体产物的生成量最大。     

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。     

供风量对褐煤自燃极限参数的影响研究

为研究不同供风量对褐煤自燃特性的影响规律,选取平庄瑞安煤矿褐煤作为试验煤样,利用程序升温试验和气相色谱仪,研究低温氧化阶段不同供风量条件下褐煤自燃极限参数与温度、供风量之间的变化规律。结果表明:温度在40~120℃时,随着供风量增大,褐煤的最小浮煤厚度和下限氧浓度降低,上限漏风强度增加;温度在120~200℃,供风量为40~80 mL/min和160~200 mL/min时,随着供风量的增加,其最小浮煤厚度和下限氧浓度增加,上限漏风强度减少;供风量为80~160 mL/min时,在供风量增大的情况下,褐煤的最小浮煤厚度和下限氧浓度降低,上限漏风强度增加;随着供风量减小,煤样临界点温度降低。     

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。     

受压浮煤自燃过程试验研究

矿井采空区遗煤自燃大部分为处于受压状态下的自燃。为观察压力对浮煤自燃过程的影响,采用自制的浮煤加载自燃试验装置对受压浮煤层与自然堆积状态下的自燃过程进行试验研究。结果表明:加载对浮煤的自燃过程确实存在一定影响。加载会加快浮煤层的升温速度,缩短自然发火期,降低最小浮煤层厚度,改变采空区"三带"的划分;加载对厚度介于0.8～1.2 m之间浮煤自燃过程影响最大;随着压力的增加,压力对浮煤自燃过程的影响逐渐减弱,当压力小于1 600 N时,压力的增加对浮煤自燃过程的影响较明显,当压力大于1 600 N时,压力的增加对浮煤自燃过程的影响变小,当压力大于2 600 N时,压力的增加对浮煤自燃过程几乎无影响。     

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。     

碱性水对煤自燃特性影响实验研究

为了研究碱性水对煤自燃特性的影响,选取葫芦素煤矿102工作面煤样作为实验煤样,利用STA-449C型同步热分析仪进行热重实验,研究加入PH=8 NaOH的煤样与原煤以及加入蒸馏水煤样在空气氛围中燃烧失重、放热量、特征温度点等变化规律,并根据Coats-Redfern积分模型计算了3种煤样燃烧反应动力学参数（活化能、指前因子）。研究结果表明:加入碱性水的2号煤样失重量较1,3号少,燃烧失重速率更低;2号煤氧化燃烧温度区间缩短,着火温度点升高,放热量少,比1,3号煤分别少485.0,480.4 J/g;3种煤样反应机理基本遵循一级化学反应函数,2号煤各段活化能高于1,3号煤,但2号煤失水活化能小于3号,表明碱性水具有抑制煤自燃效应。     

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。     

硫化亚铁自燃温度影响研究

硫化亚铁自燃是引起石油化工行业火灾爆炸事故的重要原因之一。为了规避此类事故的发生,利用自燃温度测试仪测定了不同粒径硫化亚铁以及硫磺与硫化亚铁混合物的自燃温度。结果表明:随着硫化亚铁粒径比表面积的增大,其自燃温度先减小后增大,之后随着粒径的继续增大,自燃温度基本保持平稳状态;硫磺与硫化亚铁混合物自燃温度彼此具有协同作用,其自燃温度比硫化亚铁自燃温度降低了116.3℃,使硫化亚铁自燃失控危险性大大增加,为采取安防措施带来了极大的不便。     

氧化煤自燃特性实验研究

为解决大柳塔煤矿活鸡兔井12下208综放工作面采空区存在大量氧化煤的遗煤自燃预测问题,对原煤及不同程度的氧化煤进行程序升温实验,分析研究低温氧化特性的变化规律,根据灰色理论对自燃标志气体进行优选。结果表明:原煤与氧化煤的临界温度与干裂温度相差不明显,分别在40~50 ℃与110~120 ℃之间;根据临界温度、干裂温度及其指数增长点将煤低温氧化过程分为缓慢自热（50~＜90 ℃）、加速自热（90~＜120 ℃）、热解裂变（120~＜160 ℃）和热解加速（160~＜200 ℃）4个阶段。在缓慢自热阶段以G2（0.01~＜0.039）和R1（0.001 5~＜0.007 7）为指标;在加速自热阶段以R1（0.007 7~＜0.019 5）和G3(0.000 9～＜0.003 7)为指标;在热解裂变阶段以烯烷比（0~＜0.484）和G3（0.003 7~＜0.037 4）为指标;在热解加速阶段以R1（0.046 8~＜0.072 6）和烯烷比（0.484~＜0.992）为指标气体。实验结果对采空区遗煤的自燃防治具有一定的指导作用。     

热重实验条件下不同氧气浓度对煤自燃反应能级的实验研究

为研究不同氧气浓度对煤自燃反应能级的影响,基于热重实验分别得到6个不同氧气浓度下的煤自燃特征温度点,通过计算不同阶段内煤自燃的反应动力学参数分析氧气浓度与煤自燃反应能级关系。实验结果表明:n≠1时,氧气浓度对煤自燃反应能级(n)的影响在不同温度段内的影响不同;氧气浓度与T1,T2,T3特征温度点的关系曲线变化趋势不明显,T4~T8温度点与氧浓度的关系呈现先增大后减小的趋势。     

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。     

大规模采空区煤炭自燃与防治关键技术研究

本文通过对大规模采空区产生煤炭自燃的时间、空间以及采场变化规律的研究,指出了集中开采等特大型煤矿或采掘工作面中,当前面临煤炭自燃的主要矛盾和问题,并指出了煤炭自燃是通过微生菌群提纯进化低燃点可燃物,最终形成电子运动引起煤炭自燃。本文进一步揭示了煤炭自燃的本质,并对自然界中的氧气、氮气、水的来源进行了新的研究和解释,并通过对自然界的宏观和微观现象认识了解了不同温度的产生体,同时介绍了根据上述原理发明的多电子导电材料灭火剂在煤矿现场的使用效果。     

基于层次分析法的矿井煤自燃危险性模糊评价

为了能够客观、科学的对煤矿开采过程中煤自燃火灾进行有效的预防,综合运用系统工程理论、层次分析法和模糊数学方法建立了煤自燃的危险性综合评价模型。从"人-机-环-管"系统原理角度出发,建立了多层次的煤自燃危险性评价指标体系,并采用层次法对各层次评价指标的权重进行了计算,确定了5类判断指标用于评价煤自燃的危险等级。并在实践中进行应用,评价结果和煤矿实际开采过程中煤自燃发生情况基本吻合,表明了该模型是合理可行的,能够实现对矿井煤自燃危险性进行评价。     

无机磷化合物对煤自燃的阻化作用研究

为减少及控制煤矿井下自然发火现象,利用实验对比分析在15%,17%,20% 3种不同浓度下的磷酸二氢钠、次亚磷酸钠、磷酸三钠和磷酸铝对荆各庄气煤的阻化作用及效果。通过程序升温-气相色谱联机实验,对比分析原煤样与阻化煤样程序升温过程中CO气体释放规律,发现20%次亚磷酸钠、20%磷酸二氢钠、15%磷酸三钠以及20%磷酸铝阻化效果最好;傅里叶红外光谱实验对比分析原煤样与阻化煤样的分子结构,随着温度的升高分解出的次亚磷酸根和磷酸二氢根可以维持苯环的稳定,磷酸三钠分解的磷酸根与甲基及亚甲基中的H+进行结合,生成具有还原性的酸;利用电子自旋共振实验分析原煤样与阻化煤样的自由基随着温度变化规律,随着温度的升高阻化煤样的自由基浓度低于原煤样,阻化剂的添加改变了煤内部结构,使g因子值呈现出下降的趋势;通过综合热分析仪发现在燃烧阶段加入次亚磷酸钠和磷酸三钠可提高煤分子中较稳定结构裂解所需能量,从而使煤-氧化学反应出现一定的延迟。通过实验筛选出20%次亚磷酸对气煤的阻化效果最好。研究成果对预防或减少矿井自然发火具有重要的指导意义。