水分对不同煤种吸附甲烷特性影响及机理分析

为测定含水率对煤吸附甲烷特性的影响,采用朱仙庄矿的焦煤、赵庄矿的贫煤与阳煤五矿的无烟煤作为研究对象,依据高压容量法对不同变质程度煤进行甲烷吸附研究.分析了煤吸附甲烷特性及a,b值的变化规律,推算出三种煤样的水分影响系数.结果表明:焦煤、贫煤与无烟煤对甲烷的吸附量都会随煤样含水率的升高而减小,且在低含水率阶段,煤对甲烷的吸附速率变化较快,高含水率阶段,变化较缓;煤样含水率对煤的吸附常数a的影响较小,呈一次函数下降,对煤的吸附常数b影响明显,呈指数函数下降;煤样水分含量与水分校正系数的影响程度A,会随着煤变质程度的增大而减小.     

不同变质程度煤不同温度下吸附性能实验研究

研究煤层对气体的吸附性能有助于煤矿生产和瓦斯事故防治,本文从煤体吸附气体会放热的角度出发通过差示扫描量热仪测定不同变质程度煤的吸热-放热曲线,用MATLAB计算不同煤样在N_2气氛中恒温40℃、80℃、110℃过程中吸收的热量,去除气氛的影响和水分的影响,得出不同变质程度煤样恒温40℃、80℃、110℃过程中吸附N_2放出的热量,进而由吸附放热原理得出不同变质程度煤样在不同温度下的吸附性能,发现随着温度的升高,各煤样吸附气体放出的热量在逐渐减小,即吸附性能减小,且高变质程度的煤吸附性能要比中等变质程度煤的吸附性能强。结论符合客观事实,验证了用差示扫描量热仪测定不同煤样吸附性能的可行性。     

新疆106煤矿不粘煤不同氧化程度自燃特性

新疆106煤矿开采7煤层存在二次氧化威胁,自燃危险性大大增强。为探究氧化程度对煤自燃特性的影响,选取1703工作面不粘煤,对原煤和预氧化(70,120℃)煤样开展程序升温和差式扫描量热(DSC)试验,分析氧化煤样的气态产物及热释放规律,并采用Coats-Redfern法计算表观活化能。结果表明：在低温阶段(30～100℃),氧化煤的气体产物、耗氧速率、最大放热强度明显高于原煤。煤温高于100℃后,预氧化120℃煤样的反应减缓,各项参数均低于原煤,其中C₂H₄与C₂H₆分别在110℃和130℃后低于原煤。此外,随着氧化温度的升高,煤样的DSC曲线峰值增大并向高温区域略微偏移,特征温度范围缩小,放热时间缩短,释放热量增多。对低温及放热阶段进行动力学分析,发现预氧化温度越高,煤样的表观活化能值越低。试验结果揭示了不同氧化程度煤样的自燃特性,对该矿煤火灾害防治提供了基础和参考。     

不同自燃倾向性煤的氧化机理对比分析

为分析煤样的自燃发生发展过程以及实验煤样的自燃机理,研究从不同自燃倾向性煤样的氧化机理入手,选取具有不同自燃倾向性的阜生、五阳煤样进行实验,通过热重实验对比分析不同自燃倾向性煤样的特征温度、热失重速率及阶段质量变化率参数,并结合红外光谱实验对低温氧化过程中主要官能团的分布特征及随温度的变化规律进行对比分析。结果表明：不同自燃倾向性煤样的煤氧反应差别主要体现在热重实验的T2 -T3和T4 -T5两个阶段;硫对煤氧反应的影响主要体现为常温下发生氧化释放热,促进小分子化合物的氧化裂解,进而引发自燃;煤自燃特性与原始煤样中官能团的分布特征关系较小,主要由煤分子结构中的侧链体系（桥键、侧链基团及活性官能团）所决定,侧链体系作为直接与芳环骨架连接的煤分子结构,本身具有较高的化学活性,在氧化分解的过程中降低了煤分子结构的稳定性。     

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。     

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。     

黄铁矿对煤氧化表面官能团的影响

采用原位漫反射傅里叶变换红外光谱仪,对添加不同黄铁矿含量的四川地区无烟煤进行了原位漫反射红外光谱测试,利用OPUS软件对实验数据进行处理分析,研究了黄铁矿对煤自燃氧化过程中表面官能团的影响,分析了不同黄铁矿含量的煤样在氧化升温过程中芳烃结构、脂族结构以及含氧官能团的变化规律。发现在煤低温氧化过程中,黄铁矿会促进多种取代芳烃、亚甲基、分子间缔合氢键的产生,同时减少芳香烃C=C双键的消耗;煤分子中亚甲基的消耗量随黄铁矿含量的增加而先减小后增大,分子间缔合氢键的减少量随黄铁矿含量的增加而先增大后减小,黄铁矿添加量为1%时,产生的亚甲基最多,分子间缔合氢键的减少量最大。结果表明,黄铁矿会促进亚甲基、含氧官能团等活性基团的产生,加快煤自燃进程,对煤自燃具有促进作用。     

原始赋存水分对煤自燃过程的影响及作用机制研究

通过干燥处理褐煤原煤,制备出不同含水量的褐煤煤样,用程序升温氧化装置实现煤自燃过程模拟,利用原位傅里叶红外变换光谱仪测定煤自燃过程中氧化煤样活性官能团的变化,同时利用氮吸附仪和热分析仪表征煤自燃过程中微观比表面积和质量的变化规律,探讨原始赋存水分对煤自燃过程影响作用机制。原始赋存水分对煤自燃过程的作用机制主要表现在4个阶段:在缓慢氧化阶段,外来水分对煤氧化主要起到了物理抑制作用,外来水分的持续挥发引起煤体质量与羟基和羧酸组分含量的降低;在加速氧化阶段,煤中水分直接参与反应,对煤氧化起到化学促进作用,羧基类化合物含量开始显著增长,原始赋存水分对煤氧化的抑制作用逐渐减小;在快速氧化阶段,煤体原始赋存水分基本脱除,内在水分脱除过程中煤体孔隙结构持续坍塌碎裂,产生新活性点位,对煤氧化反应过程表现出延迟促进效应,内在水分主要作用于中间络合物生成和分解以及气体的释放;当煤体温度达到180℃后,原始赋存水分参与和影响煤氧化反应过程效果微弱,煤体自燃特征趋于一致。     

含水率对煤二次氧化自燃特性影响的实验研究

为研究不同含水率煤二次氧化时的自燃特性,使用1/3焦煤为研究对象,通过物理吸附、解析实验测试水分对煤空隙结构的影响,采用程序升温实验测试不同含水率煤初次、二次氧化自燃特征参数。研究表明:初次氧化后煤样孔结构主要以中孔为主,其孔体积和比表面积随着含水率的增加而增大;在前期,原煤样产生的CO气体浓度大于不同含水率的水浸煤样,与CO2变化趋势相反;二次氧化煤样的CO,CO2气体浓度和放热强度处于初次氧化原煤样和不同含水率煤样之间,从而表现出不同含水率煤样在初次氧化后,其氧化活性大于原煤样,小于初次不同含水率煤样的氧化活性。为避免水分对煤自燃的影响,应加强对煤在水分的条件下发生初次氧化后煤二次氧化自燃的检测和预防。     

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。     

长焰煤贫氧燃烧放热特性参数实验研究

采用差示扫描量热(DSC)法测试了煤田火区和什托洛盖长焰煤在贫氧、不同氧浓度气氛下的氧化燃烧放热过程;并对热流曲线进行了分峰、积分处理;分析了长焰煤氧化燃烧的放热历程;研究了放热特性参数在贫氧不同氧浓度气氛下的变化规律;进而分析了氧气浓度对煤火空间演化过程的影响。研究表明,长焰煤燃烧放热过程主体分为以煤氧化学吸附和挥发分燃烧放热为主的放热阶段A,和以煤焦及半焦高温燃烧放热为主的放热阶段B。在贫氧条件下,随着氧气浓度的降低,阶段A和阶段B的峰值温度T_a和T_b逐渐升高,阶段A的放热量先增大后减小,并在16%时达到最大;阶段B的放热量逐渐减小。研究确定了16%氧气浓度为煤火空间演化的关键氧气浓度。     

湿度对煤自燃倾向性影响

煤自燃多因素影响的结果,主要是煤中的活性部位与空气中氧气的放热反应过程.水在煤氧化反应过程中起重要作用,湿度影响煤中氧化反应的活性结构,从而影响煤的自燃倾向性.通过2组干煤和湿煤煤样的绝热氧化实验,得到煤样绝热氧化温度随湿度变化曲线,表明煤的湿度对煤自热性质有明显的影响.由于氧化过程产生的热量不能弥补蒸发损失的热量,一般温度降到大约40%～50%左右,煤的自热会强烈增加.随着煤湿度的增加,煤的自热率也增加.     

基于温升速率的煤自燃倾向性测定方法

为了准确判定煤炭真实条件下自燃倾向性,选取具有代表性的2种褐煤、2种烟煤及2种无烟煤在煤自燃测定装置上展开研究。研究结果表明,褐煤在低温缓慢氧化阶段、高温加速氧化阶段升温速率最快,烟煤次之,无烟煤最慢。利用热分析仪对煤样的着火温度进行了测定,发现褐煤着火温度最低,烟煤次之,无烟煤着火温度最高;综合评判煤自燃倾向性判定指数,I200为强自燃倾向,200≤I≤400为中等自燃倾向,I400为弱自燃倾向。     

灰分对煤自燃特性影响的实验研究

为了研究灰分对煤自燃能力的影响作用,利用绝热氧化实验装置对不同灰分含量煤样进行升温氧化实验,采用R_(70)、T_(CPT)、B3种指标表征灰分含量对煤样自发氧化过程的影响。结果表明:1)灰分含量越大,煤样低温氧化阶段温升速率越小,温升加速点温度越高,煤样的自发氧化过程越慢,煤越不易自燃;灰分含量大于40%后,煤自燃倾向性快速减弱。温升加速点是反应微观信息的零活化能温度的宏观累计结果,具有直观且滞后的特点。灰分越大,滞后越明显,温差越大。2)R_(70)、T_(CPT)、B3种指标与灰分关系表现为二次函数。R_(70)和T_(CPT)两种指标显示灰分越大,自燃倾向性越弱,与实践经验相符。受水分权重影响,B指标显示煤样在灰分小于40%时,灰分越大,煤样自燃倾向性越强,这与实践经验相悖。因此,B在判定灰分对煤样自燃倾向性的影响时具有一定的局限性。     

圆柱型煤自然发火实验台的误差分析

煤自然发火实验真实的模拟煤低温自燃全过程,跟踪测定煤体的温度、氧浓度和其他气体含量的变化,研究煤的氧化放热特性,实验模拟的关键在于蓄热环境的控制。根据圆柱型煤自然发火实验台的结构特点,在实验结果的基础上,从煤体自然放热量和炉体散热量的角度,理论分析不同温度阶段散热量所占放热量的比率(即散热率)的变化关系,从而得出该实验台中将煤体与保温水层的温差控制在 1℃左右,散热率小于 10%,平均散热率为 6%,实验误差在充许范围内。     

不同程度预氧化煤传热特性

选用气煤,预先在程序升温装置中分别氧化升温至80,120,150和200℃,原煤作为对照组,探究煤复燃的热量传递规律。采用激光导热仪FLA457分别测量空气气氛中原煤与预氧化煤在30～300℃内的热物性参数,对热物性参数进行拟合分析,并探究其对温度的敏感性。结果表明:在30～300℃内,随着温度的升高,煤样热扩散系数先减小后增大,比热容逐渐增大并趋于平稳,导热系数逐渐增大。煤样的热扩散系数变化率以及导热系数变化率呈现出先减小后增大的趋势,比热容变化率逐渐减小。在相同温度下,随着预氧化温度的增加,热扩散系数先增大后减小,导热系数逐渐减小,并且原煤的比热容和导热系数均大于预氧化煤的比热容和导热系数。此外,比热容对温度的敏感性最大。实验结果对于煤火灾害防治具有一定的指导意义。     

影响煤氧化自燃的微观结构特征分析

为研究不同变质程度煤表面活性微观结构与氧化自燃能力的影响关系,揭示不同变质程度煤的微观自燃机理。采用X射线衍射仪、比表面积分析仪和扫描电子显微镜等实验分析手段,对褐煤、长焰煤、不粘煤、气煤、肥煤、焦煤、瘦煤、贫瘦煤和无烟煤等9种不同变质程度的煤样,进行XRD,比表面积和微观结构测试分析。结果表明:随着煤样变质程度升高,煤微观结构中的芳香层片尺寸变大,芳香层片的延展度和堆砌度则不断增强;煤的孔隙结构随变质程度的升高不断缩小,比表面积不断增大,煤的孔隙结构和表面积差异是引起不同变质程度煤氧化过程吸氧量不相同的主要原因,阐明了不同变质程度煤的微观结构的异同是影响煤低温氧化能力的主要因素。     

煤低温自燃发火的热效应及热平衡测算法

煤在低温自燃发火过程中的热效应是多种多样的,但主要是煤与氧的化学反应热.通过装煤850kg的大型煤低温自燃发火实验台模拟煤自燃过程,根据实验台测定的温度场变化和传热学理论,推导出计算不同温度时松散煤体低温氧化放热强度的热平衡测算法.通过对不同煤样的自燃发火测试,利用该方法推算出不同的煤在相同温度下的放热强度,为煤自燃特性的定量分析及自燃发火预测提供了理论依据.图1,表1,参8.     

回采情况下采空区煤自燃温度场理论与数值分析

为了从理论基础上研究煤自燃基础参数对煤自燃的影响,通过建立动坐标系下采空区煤自燃数学模型来掌握工作面回采时采空区煤自燃的过程.该模型结合煤自燃极限参数计算方法和热传导理论,计算简化后的自燃数学一维模型解析解,利用一维数值计算,分析不同参数对采空区煤自燃的影响.研究结果表明:增大回采速度,可以有效地减低煤温;浮煤越厚,漏风速度越大,煤越易自燃;当遗煤放热量与温度成正比时,距离工作面越远的点其温度越高,且呈指数形式增加;当发热量为常数时,采空区距离工作面越远的点其温度越高,且呈线性形式增加;考虑到沿采空区的深部方向,氧气浓度逐渐降低,遗煤放热量随着深度增加而逐渐减少,该数值结果与实际结果较接近;由于采空区是一个立体几何空间,采空区温度场与氧气浓度场、速度场存在耦合作用,因此,有必要基于三维或二维数值模拟技术继续深入研究回采情况下采空区煤自燃.