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。     

煤升温氧化过程特征的热重分析

用热重方式进行了煤在常规条件下的热重实验,分别用TG/DTG曲线描述了煤燃烧的整个过程,分析了煤升温氧化过程的特征参数,得到了各种煤的着火温度等特征温度.结果表明,煤样的特征温度与挥发分存在一定的规律性,特征温度下的失重值受挥发分的影响,着火温度随挥发分增加呈线性下降.     

煤自燃影响因素的热重分析

采用德国耐驰公司的TG209热重分析仪,针对在不同粒度、不同供氧浓度和不同升温速率的实验条件下,开展热重分析实验研究。通过对煤样氧化过程失重和失重速率曲线的分析,表明特征温度点可以从宏观上反映出煤样氧化微观过程中外界条件对反应过程的影响,并研究了不同实验条件对特征温度点和失重值的影响规律。     

中国典型动力煤种热解动力学分析

采用热重分析方法对中国典型动力煤种的热解动力学特性进行了研究,探讨了各煤种热解活化能及热解特征温度变化情况,并对结果进行了分析,得到煤样热解总失重率基本随煤化度的提高而减少,热解特征温度基本随煤化度的提高而增大。对于中等变质程度煤,因其结构中芳烃烷基侧链含量丰富,桥键多的缘故,这些煤样DTG曲线具有最大失重峰。在煤样主反应阶段中等煤有较高的活化能,低和高变质煤的活化能低。     

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。     

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.     

煤对CO_2的解吸实验及热力学参数研究

为研究煤对CO_2的解吸过程及其热力学特性,采用吸附常数测定仪在303~343 K,解吸平衡压力从5 MPa到0. 1 MPa情况下进行煤对CO_2的解吸实验,得到了4种煤样对CO_2的解吸等温曲线。研究4种煤样在不同温度时对CO_2解吸等温线变化规律以及对应的吸附模型,并计算得到煤对CO_2解吸过程中的等量吸附热。结果表明:随解吸体系温度升高,CO_2对煤表面不均匀程度的敏感性逐渐降低。因此,温度在303~323 K之间时,4种煤样对CO_2的解吸过程符合Freundlich模型;在333~343 K时,煤样对CO_2的解吸等温线符合Langmuir模型。煤对CO_2解吸的特征温度分别为:270 K(LHG)、277 K(WW)、278 K(LG)和298 K(WJL),解吸特征温度随煤变质程度的升高而升高。煤对CO_2的解吸过程中等量吸附热在吸附量为0. 1 mmol/g时在-60~-90 kJ/mol之间变化; CO_2气体在煤表面解吸过程中的等量吸附热随吸附量的增加呈Qst=cln(N)+d的对数降低规律,煤对CO_2的解吸能力随吸附量的增加而逐渐增强。研究结果对CO_2在煤表面的吸附解吸机理的研究以及利用CO_2在增产煤层气方面的应用提供一定的参考。     

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。     

济宁矿区埋深影响下粒径对煤自燃倾向性的影响

深部煤层开采过程中,自燃倾向性增大。选取济宁矿区不同埋深煤样进行工业分析,测试表明:随埋深增加,其含碳量、挥发分增大;同条件破碎粒径分布规律表明,随埋深增加,小粒径占比增加,其中深部煤样粒径20μm以下占比最大。针对不同埋深、不同粒径煤样空气中温升氧化产物,傅里叶红外光谱分析表明,随着埋深增加,2 930cm~(-1)处—CH_3、—CH_2逐渐减弱,3 420cm~(-1)处—OH的伸缩振动逐渐增强,含氧官能团增加;随粒径减小,煤活性官能团变化显著,其吸附氧能力增强。热重分析将煤低温氧化分为增重、失重、动态平衡和再增重四个阶段;随埋深增加,初期煤的吸氧迅速增重,随温度升高,其失重明显,后期又快速增重;随粒径减小,煤后期吸氧能力有显著增加,其自燃危险性增大。     

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.     

新集一矿孔隙结构特征研究

为进一步了解新集一矿煤层孔隙结构特征,通过压汞法和低温氮等温吸附法实验手段对新集一矿主采煤层孔隙发育特征进行研究。发现新集一矿主采煤层孔隙度较比两淮矿区其他地区高。其中以8煤层8XJ5号样为代表孔隙分布以小孔最发育,大孔较发育,中孔少见为特征和以13-1煤层13XJ10号样为代表孔隙分布以小孔最发育为特征的基质孔,孔隙之间的连通差,不利于瓦斯的抽排;以11-2煤层11XJ3号样和6-1煤层6XJ15号样为代表中孔发育,孔隙以裂隙性为主,孔隙之间的连通较好,有利于瓦斯的运移。     

煤结构对自燃性的影响

松散煤体在一定的外界环境条件下,其自燃性很大程度上受到煤自身化学结构和孔隙结构的影响,可通过分析煤结构来判断其自燃倾向性.通过BET吸附实验与程序升温研究,表明煤样的孔结构与煤样自燃反应性有一定的正相关系.同时,结合红外光谱的研究,得到了实验煤样的分子官能团归属,从煤样化学结构方面对煤自燃性影响因素进行了深入研究.研究结论对给定煤样自燃发火预测预报有重要的理论指导意义.     

煤样初始内部结构对瓦斯流动特性的影响

以组成不同的3种煤样为研究对象,采用密度计算法、扫描电镜等对其内部结构进行了研究,并采用自行研制的三轴瓦斯渗流仪对其内部的瓦斯流动特性进行了试验研究。结果表明:相同条件下由不同煤粉制备的型煤试件内部结构不同,但煤粉颗粒直径对煤样内部结构影响并非线性;煤样全应力应变过程中瓦斯流动特性复杂,总体呈先减小后增加趋势,且煤样初始瓦斯流动速度小于煤样破坏后的流动速度,瓦斯流动特性表现出明显的滞后性;煤样内部结构对其内的瓦斯流动特性影响呈非线性;煤样组成对其内瓦斯流动影响的应力状态的敏感性很强,煤样初始结构越复杂,对轴向载荷敏感性越差,而对围压的敏感性越强。     

压裂液处理对煤岩孔隙结构的影响

煤层气压裂作业中必然发生压裂液与煤层的相互接触,煤岩微裂隙发育和毛管压力高等特点导致压裂液极易侵入煤层对煤岩孔隙结构造成严重损害,进而改变煤岩对煤层气的吸附能力。选取宁武盆地9号煤和现场用压裂液,采用氮气吸附和扫描电镜(SEM)表征压裂液处理前后煤样孔隙结构,探求不同体系压裂液处理对煤岩孔隙结构的影响,开展压裂液处理前后煤样的等温吸附实验。结果表明:压裂液处理后煤样孔径分布、比表面积及孔隙分形维数都将发生变化;压裂液体系对煤样孔隙结构的影响程度为瓜胶压裂液活性水压裂液清洁压裂液;压裂液处理后煤样比表面积与孔隙分形维数增量越大,其对甲烷气体吸附能力越强,煤岩孔隙结构的变化会改变甲烷气体的吸附能力。     

轻度热解提质褐煤孔结构研究

对霍林河褐煤热重分析的基础上,在管式炉中进行轻度热解实验,通过低温N2吸附研究了热解前后煤样的孔隙特性,考察不同热解温度,恒温时间对煤孔结构的影响。结果表明:热解温度和恒温时间对褐煤的孔结构分布影响较大。褐煤和提质煤的吸附脱附等温曲线都存在吸附回线,但褐煤比提质褐煤的吸附回线宽,说明提质煤的微孔数量减少,大孔数量增多。与褐煤相比,轻度热解处理后,褐煤的比表面积减少,孔容减小,平均孔径增大。     

煤与页岩低温氮吸附孔隙结构特征与分形特征对比——以阳泉地区山西组15#煤与页岩为例

以山西组高煤级煤与页岩样品为例,通过低温氮气吸附实验研究了样品的孔隙结构特征,并基于FHH分形模型计算了样品的分维值,对页岩与煤层的孔隙分形特征进行了对比研究。结果表明:页岩样品以微孔为主,同时含有一定量的过渡孔,主要的储集空间由微孔和过渡孔提供。高煤级煤样品以过渡孔为主,主要的储集空间由过渡孔提供。在测试孔径范围内,页岩样品的比表面积远大于高煤级煤。页岩的孔隙形态上以四周开放的平行板孔和裂缝型孔为主,具有部分细颈瓶孔,高煤级煤的孔隙形态以封闭型孔为主,反映页岩储层微观渗流能力更强,可能是页岩中游离气比例高于煤层的原因之一。页岩与高煤级煤均具有显著的分形特征,页岩样品分维值高于高煤级煤,说明页岩孔隙的空间结构比高煤级煤更为复杂,非均质性更强;同时二者均具有双重分形特征,页岩渗流孔分维值低于吸附孔,反映页岩吸附孔孔隙结构更为复杂。与页岩相比,高煤级煤渗流孔和吸附孔的分维值均小于页岩,孔径分布集中于过渡孔,有利于煤层气快速到达产气高峰;而页岩孔径分布则集中于微孔和过渡孔,吸附气含量更高,并且过渡孔的孔隙结构以平行板孔为主,孔隙结构特征较微孔简单。     

南桐煤矿煤分子结构与突出危险性关系的研究

本文简述了煤分子结构统计分析的原理,并用这种方法研究了南桐煤矿煤的分子结构及其随煤变质加深的变化规律.同时,还探讨了用煤大分子结构异常特征预测煤和瓦斯突出潜在危险性的问题。     

煤自燃性的红外光谱研究

煤自燃主要受煤结构和环境因素影响.在确定的粒度与外界条件下,可通过分析煤结构来判断其自燃倾向性.文中根据神府煤及其预氧化产物的红外光谱特征,说明煤的氧化是从一些氧化活性基团开始,且活性基团含量越大越易自燃;提出了通过红外光谱及其差谱分析,对比不同煤种中氧化活性基团的相对含量而预测煤自然发火期的方法;通过对灵武、大柳塔和焦坪煤进行红外光谱分析,得到了它们自燃倾向性的次序,并根据焦坪及大柳塔煤层的自然发火期,确定了灵武煤自然发火期的范围.研究结果与实验模拟及现场观测结果一致,说明用FTIR研究煤的自燃倾向性是可行的.     

参比氧化法研究煤低温氧化特性

为了研究煤低温氧化过程的热释放特性，提出了一种新的参比氧化实验方法，即对氧化煤样罐通入氧气使煤氧化，而对参比煤样罐通入氮气作为比较；同时提出了参比氧化法的理论模型，并根据该模型推导出煤低温氧化产热速率的计算方法。对4种不同变质程度的煤样进行了实验，得出了参比氧化法过程中氧化煤样温度，参比煤样温度，氧化与参比煤样温度差和煤的低温氧化过程产热速率，并对煤的自燃倾向性进行了比较。在实验基础上，提出煤在实际自燃过程具有比较明显的四个阶段的理论。     

灰色系统理论在煤与瓦斯预测中的应用

将煤体温度变化、电磁辐射、声发射以及煤的破坏类型和煤层的地质构造综合起来考虑,应用灰色系统理论中的多维灰色评估方法,对煤与瓦斯突出灾害进行预测,以提高瓦斯突出预测预报的准确性。并编制了煤与瓦斯突出预测预报软件,为煤与瓦斯突出预测提供一种新思路和新方法。