松散煤低温耗氧速率的多因素作用特征及模型

为给采空区煤自然发火的实际探测及数值分析提供理论支持,研究氧体积分数(φi)、粒度(D)和温度(T)复合作用条件下的松散煤低温氧化的耗氧速率(v0)模型。设计松散煤在氧体积分数相同、粒度不同和粒度相同、氧体积分数不同2种方式下煤的程序升温实验,应用气相色谱仪分析特定温度下的出口气体氧体积分数并对松散煤的耗氧速率进行计算,比较不同氧体积分数、粒度条件下煤样在不同温度点的耗氧速率,得出单一变量条件下的v0-φi,v0-D和v0-T曲线。研究结果表明:耗氧速率与煤样温度基本呈指数关系,与氧体积分数呈对数关系,与松散煤样粒径呈负指数关系;在低温条件下,温度、粒径和氧体积分数3个因素对松散煤耗氧速率的作用相对独立。最后,在实验分析的基础上建立以耗氧速率为因变量,温度、氧体积分数、粒度为自变量的松散煤低温耗氧速率复合作用模型。     

CO_2对煤低温氧化反应过程的影响实验研究

为了深入研究CO2对煤低温氧化反应的影响,利用程序升温油浴实验装置,研究在不同CO2浓度下煤样的自燃特性。采集南屯矿煤样,破碎并筛分出混合平均粒径为4.18 mm的煤样,向试验管煤样中通入不同配比的混合气体,实验控制升温速度为0.3℃/min,供气量为190 mL/min.测定在6种不同浓度CO2气氛下的煤样低温氧化特性,实验结果表明:CO2浓度越高,煤样耗氧速率越小,CO产生率降低。在起始阶耗氧速率相差不大,煤氧复合作用以物理吸附和化学吸附为主,后期阶段以化学反应为主,变化明显。相比于空气气氛下,CO2气氛下煤样活化能有所提高,在40~100℃的温度范围内煤氧作用的活化能值由17.85 kJ/mol升高至22.71 kJ/mol,氧化反应速率降低,表明CO2的加入降低了煤的氧化反应速率,抑制了煤的氧化反应。     

信湖3煤抽提后低温氧化特性变化实验研究

为了研究煤中低分子化合物对煤低温氧化规律的影响,选用四氢呋喃溶剂对信湖3煤进行微波辅助抽提,通过低温氧化实验,测试了煤样抽提前后煤体耗氧特性及气体产物释放规律。结果表明,抽提前后煤样在低温氧化过程中产生的气体主要有CO、CO_2等气体氧化产物和CH_4、C_2H_4、C_2H_6、C_3H_8等烷烃类气体,煤样抽提后这些气体的产生量均有不同程度的降低;抽提后残煤的耗氧量和耗氧速率明显要低于抽提前原煤。可见,煤中低分子化合物的存在对信湖3煤的自燃有一定的促进作用。     

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。     

不同氧浓度和温度下侏罗纪煤氧化动力学参数规律

为了研究不同氧浓度和温度下侏罗纪煤的氧化动力学参数,在不同供氧条件下的基础上,通过程序升温氧化实验装置,应用化学反应动力学原理,计算出我国典型侏罗纪煤样的耗氧速率及氧化反应动力学参数。结果表明,各煤样的表观活化能随温度及供氧浓度变化而变化。当供氧浓度一定时,各煤样氧化反应的表观活化能在30～60℃和大于70℃2个温度段内各不相同并呈分段性,前者大于后者。若供氧浓度变化时,当供氧浓度大于10%时,各煤样氧化反应的表观活化能都比较小,且随着供氧浓度的改变其变化较小;供氧浓度在5%～10%时,各煤样氧化反应的表观活化能随供氧浓度的降低呈明显增加趋势,说明低氧条件下,煤的氧化过程发生了变化,从而进一步抑制了煤的氧化反应。     

不同变质程度煤自燃特征参数实验研究

为确定煤自燃及由火灾引发的瓦斯爆炸数值模拟所需的基础参数,利用热重实验研究了4种不同变质程度煤样放热量、质量变化规律,确定了4种煤样低温氧化阶段温度范围.根据热重实验确定的低温氧化阶段,利用管式炉程序升温和色谱仪进行生成气体成分分析实验,得到不同温度下管式炉出口O2、CO、CO2气体体积分数,计算得出了耗氧速率、CO与CO2生成速率、放热强度随温度变化规律.研究结果表明:变质程度越高的煤,着火温度越高,低温氧化阶段温度范围越大;相同温度下,变质程度越低的煤,耗氧速率、CO与CO2生成速率、放热强度越大,越易自燃;CO生成速率大于CO2生成速率;耗氧速率、CO与CO2生成速率、放热强度随温度增加呈指数关系增加;随着耗氧速率增加放热强度呈线性关系增加.该研究可为煤自燃过程模拟计算与火区瓦斯爆炸危险性预测提供关键性基础参数.     

煤样两次程序升温自燃特性对比实验研究

为了掌握煤经多次氧化的自燃特性指标参数,对气肥煤、1/3焦煤、贫煤和无烟煤4种不同变质程度煤的煤样进行预处理,即将原煤样经过升温氧化后利用氮气冷却至常温,得其氧化煤样。采用煤质分析实验、物理吸附实验和煤自燃程序升温实验,对两次氧化过程中的耗氧速率、放热强度、CO产生率和特征温度等自燃特性参数进行对比实验研究。结果表明,2次程序升温过程中,煤样的自燃特性参数都随煤温呈指数变化规律。氧化煤样的耗氧速率、放热强度和CO产生率均表现出在氧化反应前期大于原煤样,氧化反应后期小于原煤样;自然发火的特征温度低于原煤样,说明氧化煤样更容易发生自燃,危险性较大。     

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.     

不同自燃性煤氧化阶段的表征差异

对3种不同自燃倾向性煤样进行低温氧化实验,利用CO体积分数与煤体温度间变化的计算模型,求解出活化能和煤氧化过程发生转变的特征温度,同时结合热重-差示扫描量热(TGDSC,theremogravimetric analysis-differential scanning calorimetry)实验结果,分析了不同自燃性煤氧化特性和活化能的低温表征规律。结果表明:1)低温氧化阶段,CO生成量、耗氧量和耗氧速率随着煤自燃倾向性增强而增大;不同煤样在实验过程中出现同样的CO生成量和耗氧速率急剧上升的温度拐点,且煤的自燃性越强,该拐点温度越低,同时CO体积分数的变化具有明显的阶段性。2)不同自燃性煤氧化阶段活化能变化规律存在显著差异,当各煤样的温度到达活性温度时,活化能快速减少,且活化能变化点对应于煤氧化过程发生转变的特征温度点。3)根据煤特征温度和活化能的变化规律,把煤低温氧化进程分为4个阶段,分别为表面氧化、氧化自热、加速氧化和深度氧化。     

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.     

煤低温氧化动力学参数与粒度关系实验研究

探讨煤样粒度与表征煤氧化速度的活化能、指前因子的关系,了解粒度对煤的氧化反应速率等自然参数的影响,通过不同粒度东滩煤样的程序升温实验,测定了其不同温度下在空气中的耗氧速度。利用回归分析计算出反应的指前因子及活化能,并进行了分析。研究发现,随粒度降低,煤样氧化的活化能和指前因子均增加,并且在3mm处出现了突跃现象。说明煤的自燃性取决于粒度小于3mm颗粒的比例,而不是其平均粒度。     

察哈素3号煤低温氧化过程中孔隙特征变化规律研究

煤的低温氧化阶段是煤自燃过程中的重要阶段,这个过程中煤的具体变化至今尚未探明。为了研究察哈素3号煤层煤样在低温氧化下的孔隙特征,分析其孔容以及各种孔径的分布规律,实验筛选了四组不同粒径的煤样分别进行25~75℃低温氧化,然后用压汞仪进行测试,测试结果表明:大部分样品中大孔所占体积较大,煤样的孔隙率和孔容随着氧化温度的升高而增大,四组样品的孔径体积百分比随着温度的升高连续变化,而且反应速率在接近75℃时降低。     

川东地区煤自燃危险指标及极限参数

为研究川东地区煤氧化升温过程中的自燃特性,采用程序升温装置测试了川东地区7个矿井煤样在氧化升温过程中的放热强度和耗氧速率,分析了不同温度下各煤样气体产物以及自燃极限参数的变化规律。结果表明:放热强度与耗氧速率的变化趋势一致,同一温度升高,二者先略微增加,然后以指数形式快速增大。随着温度的逐渐升高,各个矿井煤样的CO和CO_2浓度都表现出逐渐增加的趋势。相同温度下,CO_2浓度明显大于CO浓度,CO和CO_2比值与煤温有着很好对应关系,能反映出煤样被氧化的程度。CH_4,C_2H_6和C_2H_4浓度随温度升高逐渐增大,不同矿井煤样的C_2H_6和C_2H_4产生的起始温度不同,CH_4产生量的差异性随温度升高逐渐增大。最小浮煤厚度与下限氧体积分数的变化趋势一致,随着温度的升高,二者先增大后逐渐降低,上限漏风强度随着温度的升高先降低后升高。     

遗煤二次氧化过程中不同阶段自燃特性

为了研究经过初次氧化后,煤在不同温度阶段的自燃特性变化规律,采用程序升温实验,对4组煤样(原煤样和3组预氧化煤样)从40～180℃的氧化过程进行测试,计算、分析煤样的耗氧速度以及活化能,找出煤样的耗氧速度以及活化能在整个升温过程中的突变点,据此划分出3个阶段,得出煤二次氧化过程中不同温度阶段的自燃特性.结果表明:任何一个阶段经过预氧化后的煤样的耗氧速度的变化率均大于原煤样,在第2和第3阶段预氧化后的煤样的活化能均小于原煤样,耗氧速度变化率的变化规律与活化能的变化规律在所对应的阶段是相一致的.无论从耗氧速度的变化率去分析还是从活化能角度分析都可以得出在第2和第3阶段中自燃倾向性最大的分别为预氧化120和90℃的煤样.     

东荣矿区煤样氧化反应动力学热分析

东荣矿区煤层自燃现象较为严重,煤的氧化动力学参数是反映煤自燃倾向性的重要指标,为防治东荣矿区煤层自燃,在不同升温速率条件下的基础上,应用热重分析实验,研究了东荣煤样升温氧化过程中质量变化的规律,同时结合15种气固反应机理函数,运用?atava法对煤样进行动力学分析,确定了煤氧化机理函数,及活化能、指前因子及反应级数等动力学参数,并应用Ozawa法对得到的动力学参数结果进行了验证。实验表明:不同升温速率下煤样氧化自燃总反应历程相似,热分析曲线的变化规律相同,但随着升温速度的加大,曲线有向右平移的趋势。计算得到煤样高温剧烈氧化时的反应级数为1级,反应动力学模式为一级化学反应,其表观活化能为174.588 kJ/mol,指前因子为5.729×10~(10).     

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。     

双鸭山集贤煤矿煤样自燃性程序升温实验研究

采用程序升温实验装置，研究双鸭山集贤矿不同粒度煤样在不同温度条件下与氧反应的特性。通过实验分析，得出双鸭山集贤矿煤自燃预测预报的主要指标气体为CO。通过计算得出不同粒度煤样的耗氧速度和CO，CO2，CH4等气体的产生速率，以及这些特性参数随煤温和粒度的变化规律。进而分析得出该矿煤样自燃的临界温度为65～75℃。为双鸭山集贤矿煤自然火灾的预测预报提供依据。     

东荣二矿煤自燃倾向性实验测试

采集东荣二矿17#煤层煤样,利用“XKⅢ型“煤低温自然发火实验台进行测试,模拟现场散热情况、漏风状况及浮煤厚度,依靠煤自身氧化放热升温,得出随煤温升高的耗氧速度、CO产生率、CO2产生率、放热强度、煤自燃极限参数等的变化规律,研究煤的低温氧化放热特性,预测煤的临界温度和干裂温度、实验最短自然发火期及自燃倾向性.实验表明:煤样起始温度为20℃时,最短自然发火期为46 d;临界温度为60～75℃、干裂温度为90～110℃、浮煤厚度小于0.7 m、下限氧浓度在60℃左右,浮煤不自燃.     

煤自然发火过程中的放热特性实验研究

根据煤氧复合理论,煤自燃是由于煤和氧接触发生氧化反应放出热量引起煤温度升高达到煤的自燃点而发生的。故煤的氧化放热特性反应了煤自燃能力的强弱。为测定煤的放热能力大小本文设计了煤的氧化升温实验,并采集薛村煤矿2#煤层、4#煤层、6#煤层三组煤样进行了实验研究。实验中对低温条件下不同温度时煤样对氧气的消耗速率、CO的生成速率及CO2的生成速率进行了测定,并根据其测量值对煤样的放热强度进行了计算,绘制放热强度与温度关系的散点图。然后运用回归分析方法,分析了煤氧化升温过程中放热强度与温度的关系。在低温阶段临界温度前后煤的放热强度与温度都呈线性关系。在临界温度之前煤的放热强度较低,而达到临界温度后煤的放热强度会急剧增加。研究结果对煤自然发火的防治具有重要意义。     

华亭煤自燃特征温度的TG/DTG实验

选取华亭煤作为研究对象,通过X射线衍射和不同氧化条件下的热重分析(TG-DTG)实验,分析计算了煤样的微晶结构参数,掌握了煤样结构特征,并运用非等温动态热重法和微商热重分析手段,研究分析了煤氧复合过程,得到了煤样自燃过程中的特征温度.研究表明,华亭煤样热失重和失重速率曲线变化反应了煤氧复合过程中物理吸附、化学吸附和化学反应的不同历程,煤氧复合过程及复合程度可以用特征温度点来表征.