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。     

煤自燃阶段动力学参数及特征温度点的实验研究

为了考察程序升温实验条件下煤自燃阶段特征参数的变化情况,分别对常村贫煤、兴县气肥煤、唐山1/3焦煤等煤样的进行程序升温实验,得到3煤样在低温自燃阶段其指标气体的析出变化曲线。实验结果表明:在同一受热温度,低变质程度的气肥煤其CO,C2H4等指标气体的析出浓度比高变质程度的焦煤和贫煤高,而C2H6则相反;CO特征气体在受热初期并不是所有煤样都存在,且C2H4,C2H6的释放规律与煤质无关;通过对低温段内煤自燃的反应能级及活化能值的计算,得到煤低温氧化段内的反应能级及活化能值,并找出了阶段特征温度点。煤反应能级和活化能的大小反映了煤在不同温度段内其自身氧化能力的强弱,特征温度点温度则可用来判断煤自燃所处的燃烧阶段。     

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.     

巷道高冒封闭火区燃烧状态及表面温度场演变规律

受早期小窑私挖乱采的影响,整合矿井往往面临废旧巷道或采空区遗煤多、漏风严重且复杂,煤自燃危险性大的难题,为了判断巷道高冒封闭火区的燃烧状态及其火区发展趋势,采用煤自燃低温氧化试验研究山西朔州某矿4+9号煤层火灾指标气体及其变化规律,现场收集火区内气体初步判断火区燃烧状态,最后利用红外热成像仪圈划火区表面温度区域,定位巷道顶煤火区表面高温点并分析火区巷道表面温度场变化趋势。研究结果表明:在煤低温氧化进程中CO,C2H6和C2H4等指标气体将在特定的温度等条件下自发产生,利用指标气体出现温度和随温度变化趋势,可以初步判断火区燃烧状态及发展方向;通过巷道表面温度场能够圈划浅部隐蔽火区大致范围,验证火区燃烧状态,判断火区发展趋势,预测煤自燃的危险性,能为火区危险性预报和治理提供可靠依据。研究成果对隐蔽火源燃烧状态和发展方向分析具有一定参考价值,能够为具有类似条件的矿区防灭火工作提供借鉴。     

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。     

煤层自燃发火指标气体的选择及预测预报应用

为了研究煤炭的氧化规律以及准确地对自燃发火情况进行预测预报,针对官地煤矿8煤层,采用煤氧化实验装置,对实验所析出气体的成分、生成先后顺序和生成量与温度之间存在的规律性进行了测试研究,并结合工作面的实际,进行预测预报。结果表明:8煤层利用CO增加趋势作为预测预报煤自燃发火的指标值,在CO存在的前提下,只要出现C_2H_4气体,即井下某区域发生了煤炭自燃,必须立即采取灭火措施。根据对采空区工作面的现场监测,得出采空区没有形成自燃发火区域。     

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.     

煤自燃过程气态产物产生机理

为了能够更加有效地利用气态产物预报煤的自燃过程,需要对煤自燃过程产生气体的机理进行深入研究.利用实验模拟出煤自燃气态产物的产生过程,得出其规律是:不同指标气体开始出现的温度不一样,同一指标气体在不同煤体中出现的温度不同.对煤低温氧化过程微观结构、自由基浓度与煤体温度之间的变化规律的分析,并以煤自燃自由基和逐步自活化反应为理论基础,提出了新的煤自燃过程气态产物产生机理,即煤中不同活性结构在不同温度下被活化发生氧化反应,在发生氧化反应时该类结构发生断裂形成自由基.不同自由基之间,自由基与氧之间相互发生反应,形成不同的指标气体从煤体中释放出来.图3,表4,参12.     

煤炭自燃生成标志气体的红外光谱分析

针对煤自燃氧化过程中生成的生产物能够判断煤自燃的反应过程和机理以及在不同温度下生成的标志性气体可以判断煤自燃的严重程度的问题,采用红外光谱手段对神东矿区6个煤矿不同层位和不同工作面的12个煤样进行了研究。研究结果表明,煤氧化燃烧过程是分阶段进行的,分为失水阶段、氧化阶段、着火燃烧阶段。各阶段的标志气体不一样：失水阶段以H2O吸收峰为主、氧化阶段C2H4、CH4出现显现峰、着火燃烧阶段出现C2H4、CH4强峰。确定煤样在不同温度下生成标志气体的规律,对预测煤的自燃发火具有重要的理论和实际意义。     

程序升温条件下煤炭自燃特性

通过程序升温实验研究了煤炭的自燃特性，测定了不同粒度煤样在不同温度下产生CO，CO2等气体的浓度，讨论了指标气体的选择，分析了CO，CO2等气体浓度随温度的变化规律，得到了耗氧速度与煤温及煤温及煤体粒度的关系，结果表明，煤体粒度越小，温度越高，则煤氧复合的强度越大，本实验的研究结果对煤矿火灾的防治具有指导作用。     

煤升温氧化动力学阶段性规律

为了研究煤的自燃特性,选取石圪台煤矿22203采煤工作面煤样为研究对象,采用热分析技术,对煤氧化升温过程中质量及动力学参数变化规律进行了探讨。结果表明:煤的失重呈阶段性变化规律,可分为低温失重、吸氧增重、缓慢化学反应和燃烧阶段;通过采用改进的KAS法计算煤升温氧化动力学参数,可知在温度达到燃点前,随着温度升高反应活化能增加,说明不断有难燃结构参与到反应。超过燃点温度,在燃烧阶段初期,活化能基本保持不变,而指前因子出现峰值,表明有大量活性结构被激活,准备参与到燃烧反应中。在燃烧阶段中后期,活化能随温度的增加逐步减小,表明该阶段有芳香环的破坏形成更易于反应的活性结构;动力学参数的补偿效应存在显著分段性,说明在煤氧反应过程中前后反应不同,其整体反应存在不止一个反应机理。研究结果对防治煤自燃提供理论依据。     

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。     

以氧指标划分采空区自燃“三带”的实验研究

用煤升温氧化实验装置测定不同供氧浓度下煤样尾气中的Ｏ２，ＣＯ，Ｃ２Ｈ２等组份，绘出氧体特性曲线，由曲线标示的激烈氧化温度开始升高、激烈氧化速率开始降低作为判断煤氧化供氧是否充分的标准，划分不自燃带和可能自燃带的合理氧指标为１８％；以激烈氧化阶段不在煤着火温度以下出现作为判断氧化窒熄的标准，划分不自燃带和可能自燃带的合理氧指标为５％或６％。     

煤自然发火过程温度、氧浓度的时空演化规律

为研究煤自然发火过程不同区域的动态发展规律,使用大型煤自然发火实验台测试松散煤体在恒风量条件下从常温至140℃的氧化过程,分析了温度、氧浓度在时间及空间上的变化规律。结果表明:松散煤体自燃过程温度随煤体高度的变化在不同温度阶段趋势差异较大,高温点由煤体中部位置向着进风侧方向移动;不同煤体高度温度与时间呈现指数增长,70℃前后煤体呈现缓慢和快速增长分阶段特性;松散煤体进风口和出气口两侧氧体积分数18%以上,温度超过70℃后,不同煤体高度的氧浓度随时间增长逐渐下降。     

褐煤自燃气味特征及挥发性成分研究

为了研究导致煤自燃气味的主要物质成分及其释放规律,依靠吸附浓缩技术采集煤升温过程中产生的挥发性物质,采用热脱附-气相色谱-质谱技术(TD-GC-MS)和高效液相色谱技术(HPLC)检测样本中挥发性物质成分及其浓度,结合气味物质评价方法确定了煤自燃过程中各阶段的关键气味化合物以及煤自燃整体气味随煤温的变化规律。结果表明:醛类、烷烃类和苯系物是煤自燃过程中释放的主要挥发性气味物质;挥发性气体的组成和数量与煤温有密切关系,其中临界温度和干裂温度是挥发性气体释放趋势变化的关键温度点;乙醛、丙醛、丙烯醛、丁醛、戊醛和异戊醛6种醛类物质是煤自燃过程中的关键气味物质,特别是乙醛的阈稀释倍数在130℃时达到峰值,是相同温度下其他5种关键气味化合物总和的2.5倍。因此,乙醛是煤自燃过程中最为关键的气味物质。     

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。     

基于程序升温的煤层自然发火指标气体测试

研究煤自然发火过程中指标气体的产生规律.通过对上、下煤样在程序升温条件下测试研究煤层自然发火指标气体的变化规律,确定了测试煤样由低温氧化阶段到快速氧化阶段的临界温度和煤层自燃发火预测预报指标气体.研究结果表明:C2H4和C2H4/C2H6初始出现时的临界温度、C3H8/C2H4比值峰值点温度与煤样由低温氧化到快速氧化阶段的临界温度具有很强的一致性,均揭示了此时煤样已进入快速氧化阶段.该研究成果对开展煤自燃低温阶段实验研究提供了重要的科学价值.     

佳瑞煤矿采空区煤炭自燃标志性气体实验研究

佳瑞矿15101工作面属于近距离煤层开采,采空区为松散煤岩混合体。实验室开展了14#、15#煤的程序升温实验,分析了煤自燃过程中各气体的生成量与温度之间变化规律。结果表明:两个煤层自燃生成的CO、C2H4、CH4等气体变化规律基本相同,C2H6气体变化规律差异明显。综合确定了佳瑞矿采空区煤炭自燃标志性气体指标为CO、C2H4及C2H2,为预防采空区煤炭自燃提供了依据,有效保障煤矿的安全高效生产。     

煤层自然发火期及自然发火标志性气体指标研究

为了明确煤层自然发火标志性气体的种类及在煤层自燃整个进程中所起的标志性作用,更好的把握煤层自然发火的进程,进而采取相应的措施防灭火,对唐口煤业的煤样进行了氧化试验,结果表明CO可以作为预测预报自然发火的指标气体,其预测的温度范围应该在72℃¹88℃之间。但是CO的出现临界温度很低,仅为66℃左右,并在整个自然发火过程中都有CO产生,仅靠CO浓度来确定煤自然发火的进程有一定难度,应在实际生产过程中不断发现并总结CO派生指标的规律,并借助这些指标综合判断自然发火初期(2℃188℃之间。但是CO的出现临界温度很低,仅为66℃左右,并在整个自然发火过程中都有CO产生,仅靠CO浓度来确定煤自然发火的进程有一定难度,应在实际生产过程中不断发现并总结CO派生指标的规律,并借助这些指标综合判断自然发火初期(2℃¹88℃)的火灾状态。烯烃气体C2H4可以作为预测预报煤自然发火加速阶段的标志气体,其预测的温度范围应在180℃188℃)的火灾状态。烯烃气体C2H4可以作为预测预报煤自然发火加速阶段的标志气体,其预测的温度范围应在180℃²30℃之间。其代表C2H4可以视为煤氧化已确实进入自热加速阶段的标志气体。C2H4/C2H6可作为判别煤自然发火进程的标志气体指标,其第一峰值是煤的氧化已进入激烈氧化阶段的标志。     

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.