义马常村矿煤样自燃倾向性研究

利用大型煤自然发火实验台，模拟自燃过程的各种条件，向其中通入空气，使煤与氧发生氧化反应。煤氧复合发生氧化反应，并发出热量引起自然升温，最终引起自燃。通过测定耗氧速度、热释放速率，可算出实际自燃的极限参数。根据这些实验参数可以推算出义马常村矿煤层在不同条件下的最短自然发火期、煤特征温度和其他自燃特性参数等。     

煤快速氧化过程耗氧速率单一与分段模型比较

煤的耗氧速率是反映煤低温氧化能力的一个重要指标,也是预测煤最短自然发火期的重要参数之一。基于辅助热源恒热流加热方式搭建煤快速氧化实验台,快速模拟煤低温氧化升温过程,研究煤在快速氧化条件下的耗氧速率关联模型。根据所测定的煤快速氧化过程氧浓度变化,拟合出由单一活化能确定的耗氧速率计算模型;然后根据氧化速率的差异,使用双活化能分段确定出耗氧速率计算模型;最后基于煤氧复合机理,建立以恒热流方式加热的煤快速氧化升温数学模型。通过与所测煤温与氧浓度值的对比可知,基于单一活化能与双活化能分段描述的耗氧速率所获得的计算结果均表现出与煤快速氧化实验结果较好的一致性。     

综放面采空区遗煤自燃危险区域判定方法的研究

根据大型煤自然发火实验测定的松散煤体放热强度和耗氧速率，通过测定采空区氧浓度分布状况，推断出采空区漏风强度分布规律。根据能量守恒原理，结合采空区实际的浮煤厚度、漏风强度和氧浓度的分布，提出了采空区遗煤自燃极限参数的计算方法，构建了煤自燃危险区域判定的必要条件，根据采空区氧化升温区的宽度和遗煤最短自然发火期，提出了能引起自烯的最小推进速度计算方法，从而构建自烯危险区域判定的充分条件，采用煤自然发火二维数学模型，推算出实际生产条件下采空区自燃危险区域的最短自然发火期。     

采用前向多层神经网络预测煤的自然发火期

煤自燃是煤氧复合的结果,在不同温度下煤氧复合的耗氧速率及CO、CO2产生率与煤的实验自然发火期之间存在复杂的对应关系,采用S型函数的前向多层人工神经网络来描述这种对应关系,用煤自然发火实验测定的数十个煤样的自然发火期及不同温度下耗氧速率及CO、CO2产生率作为训练样本,用BP算法对网络进行训练,得到了神经元间的联结强度.通过少量煤样程序升温氧化实验得到不同温度下煤样的耗氧速率及CO、CO2产生率,将其代入此人工神经网络程序就可以确定煤的实验自然发火期.该方法实验时间短、用煤量少得多,结果与实际吻合.     

煤层中CO吸附模型

Languuir方程是由单分子层吸附模型推导出来的,在理论上,煤层吸附CO不符合单分子层吸附模型.温度较低时,由于煤层吸附CO得到的吸附等温线都属于第1类吸附等温线,所以吸附CO的量可以用Langmuir方程计算;温度较高时,吸附CO的量与煤层压力呈线性关系.煤层中CO吸附模型的确定可以提高自然发火预测预报的准确性,为进一步研究一氧化碳在煤层中的赋存机理提供了依据,减少不必要的自然发火预防措施的实施,提高经济效益,确保煤矿的安全生产.     

煤自燃指标气体及极限参数实验研究

为了掌握王洼二矿煤自然发火特征,采用西科大XKIII型煤自然发火实验台对1.5t煤进行了煤自燃全过程模拟实验,测试出该矿开采煤样实验发火期为25天,掌握了自燃过程中温度的变化及对应气体的变化规律,测算了开采煤层煤样的最小浮煤厚度、下限氧浓度、上限漏风强度等极限参数,为该矿煤自燃灾害的预防提供了依据。     

用于煤自然发火期预测的神经网络模型和实验技术

根据煤的硫分、灰分以及煤自燃过程中的耗氧速率、CO和CO2产生率等随温度变化的序列值与煤自然发火期之间存在的密切对应关系，建立了前向多层人工神经网络模型，用已有的煤自然发火实验数据对网络进行训练，得到了神经元间的联结强度，从而准确地表征这种对应关系．设计了一套油浴程序升温实验装置，确定了实验试管的尺寸和实验条件，从而能够准确测定煤自燃在不同温度下的耗氧速率及气体产生率．将煤样油浴程序升温实验数据及煤质分析数据代入人工神经网络，可算出煤的自然发火期．与煤自然发火实验相比，该方法测定煤样的自然发火期用煤量减少了99％以上，实验耗时缩短了90％以上，二者测试结果的偏差小于3d．     

煤炭低温氧化过程的动态模拟

我国煤炭资源分布广泛,储量丰富,是推动国民经济发展的重要能源支柱.然而有一半以上的国有煤矿和地方重点煤矿存在自燃发火的危险,尤其是近年来综放顶煤技术的推广,使得井下煤炭自燃发生更为频繁,严重影响了矿井的安全生产.而煤炭自燃的复杂性使得目前对火灾的预报相对滞后,建立快速准确的预测预报机制成为保证矿井安全生产迫切需要解决的问题.本论文分析了影响煤自燃的各种因素,在前人的研究结果之上建立了煤自燃的煤氧反应动力学模型,并以煤自燃发火台为实物建立其数学模型,运用有限差分法求解该模型.对义马煤的自燃状况进行模拟,根据模拟结果对模型进行评价,为建立快速、准确的煤自燃预测预报系统奠定了基础.     

煤自燃性测试技术及数值分析

利用装煤量850kg的XK型煤自然发火实验台,真实地模拟了煤的自燃过程,根据实验测定的温度场和气体浓度场变化,结合流体力学和传热学理论,推算出不同温度时煤氧复合的耗氧速度,放热强度,为煤自燃性的定量分析及自然发火预测提供理论依据,并根据煤自身的氧化放热性能及其所处的蓄热环境,应用热平衡法推导出煤自燃极限参数的计算方法,为煤自燃预测及防治提供了量化的理论判据。     

姚桥矿煤最短自然发火期实验和数值分析

针对目前煤炭自然的严重情况，利用大型煤低温自然发火实验台，对煤自然特性参数进行了测定和计算，确定了煤的自然发火期、临界温度、气体产生率、放热强度和极限参数，为煤自然过程的研究和煤自然火灾的预测和防治打下了基础。实验中所得数据能够很好的满足现场要求，实验精度在90％以上。     

应用自然发火实验研究煤的自燃倾向性指标

以３种不同变质程度煤样的自然发火实验为基础，通过对表征煤自燃特性参数的测算，分析了它们与煤自燃倾向性的关系，并提出用临界温度、煤耗氧速度、ＣＯ产生率和氧转化为ＣＯ的百分率作为鉴定煤自燃倾向性的指标，是有一定参考价值的。     

煤自燃过程的动态数学模型及数值分析

通过煤自然发火实验和松散煤体粒度与氧化自燃性关系实验，推算出煤自燃过程中一些特性参数的计算公式．根据多孔介质流体力学、传质和传热学理论，建立了松散煤体漏风流流场、氧浓度场和温度场的数学模型．通过实验和理论分析，建立了松散煤体自然发火的三维动态数学模型，分析了模型边界条件的确定方法，并采用有限差分法对二维模型进行了数值求解．     

大断面全煤巷高冒区自燃过程的三维数值模拟

通过对大断面全煤巷道高冒区特点和影响煤炭自燃因素的分析,根据多孔介质流体动力学、传热和传质理论,建立了高冒区松散煤体自然发火过程三维数学模型。以枣泉煤矿11201面巷道高冒区为例,利用Fluent软件进行了数值模拟,得到了遗煤不同时间各位置的温度场和氧浓度场分布,分析了高冒区自然发火的过程及高温区域的移动规律,明确了高冒区松散煤体的中下部区域为最易自然发火区,是现场防治高冒区自然发火的重点区域。现场实测数据验证了数值模拟结果的合理性。     

不同氧气浓度煤样耗氧特性实验研究

在不同氧气浓度下煤的耗氧速度不同,从而使煤的自燃性产生差异.通过在不同氧气浓度条件下对煤样进行程序升温氧化实验,测定分析煤样在不同温度时的耗氧速度,研究氧气浓度对煤氧化自燃性的影响关系,提出了低氧气浓度条件下,煤样在不同温度时的耗氧可分为扩散耗氧和化学动力耗氧两个阶段.并根据实验数据分析,得出煤的耗氧速度与氧气浓度的1.149次方成正比.图4,表2,参7.     

煤物理吸附氧的研究

对煤自燃过程中煤物理吸附氧进行了理论分析,利用色谱吸氧法测试了不同煤种的煤样在不同吸附时间、不同环境温度和不同粒度的物理吸附氧量,分析了影响煤物理吸附氧的影响因素,并计算出煤因物理吸附氧而放出热量使煤体温度的上升值结果表明,煤物理吸附氧量随环境温度上升而下降、随粒度变大先增加而后下降、而与煤的变质程度没有直接关系.煤物理吸附氧气的速率非常快.物理吸附是煤自燃过程的第一步,其关键作用在于为煤的氧化输送氧.最后从实验和理论上对以煤吸附氧量大小为指标的煤自燃倾向性鉴定方法进行了分析和评价图5,表2,参8.     

采空区自然发火危险区域判定

针对采空区煤炭容易发生自燃问题,且采窄区发火危险区域尚不明晰,通过对采空区内气体监测以及建立采空区流场和温度场耦合数学模型,采用该模型对采空区自然发火数值模拟,判断出发火危险区域位置,从而对煤炭安全高效生产起到良好的指导作用.     

基于耗氧量的煤自燃倾向性快速鉴定方法

为了能够更加科学快速地对煤的自燃倾向性进行鉴定和分类,对我国现行的煤自燃倾向性色谱吸氧鉴定法的不科学性进行了分析和评价,对煤低温氧化耗氧量与煤自燃倾向性之间的关系进行理论分析,得出在低温氧化过程中某一温度时煤每消耗1 mol氧量释放的热量大体相同,那么单位质量煤在某一温度段消耗氧量大,产生热量也就越多,该煤也就更容易自燃,其自燃倾向性也就越强.在此理论基础上提出了将一定煤样量置于静态的一定量空气中,并加热使其加速氧化,以此来测试煤的低温氧化耗氧量.研制了相应的测试装备,并对不同煤种、不同氧化时间和不同氧化温度的耗氧量进行了测试.最后,初步给出了基于耗氧量的煤自燃倾向性分类原则和方法.图3,表2,参11.     

综放采空区抽放条件下自燃"三带"分布规律

主要从抽放条件下综放采空区的特点出发,对综放采空区抽放条件下的自燃危险区域进行划分。利用大型煤自然发火实验台,对铜川下石节煤样自燃特性参数(耗氧速度、放热强度和煤层最短自然发火期)进行了实验测定,为抽放条件下综放采空区渗流场的数学模拟提供了基础数据;建立了抽放条件下采空区渗流、氧化和扩散的数学模型,并利用数值模拟对该模型进行求解,得到了抽放条件下综放采空区内的氧浓度分布和漏风强度变化规律;利用数值模拟得到的氧浓度和漏风强度分布结果,结合自燃特性参数,对抽放条件下自燃"三带"进行划分,确定了综放工作面的极限推进速度,为高瓦斯矿井采空区早期自然发火预测及火区治理提供依据。