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。     

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。     

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。     

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.     

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。     

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。     

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。     

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.     

三相泡沫阻化特性实验研究

提出了三相泡沫防治煤炭自燃的新技术．利用煤自燃特性实验系统测试研究了三相泡沫处理后煤样的氧化升温速率和CO的释放速率，包括煤样煤质、三相泡沫浓度、浆液农度和颗粒粒度等因素的影响．研究结果表明三相泡沫对煤体的阻化效果显著。能有效地减缓煤的氧化放热速率，抑制煤温度的升高；同时也极大地抑制了CO的释放量．图6，表2。参8．     

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.     

澄合矿区东西区5#煤层自燃性能对比实验

对澄合矿区东西区5#煤样进行了自燃程序升温实验通过实验确定该矿区东西部5#主采煤层煤样的临界温度、裂化温度以及CO,CH4气体浓度与温度关系等自燃特性参数,并进一步分析了两区耗氧速度、C2H6,C2H4等气体的变化规律,对澄合矿区东西区5#煤的煤自燃规律做出了初步的探讨研究结论对该矿区煤自燃预测预报工作有重要的指导意义     

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。     

采空区瓦斯抽采与煤自燃共生灾害特征实验研究

针对高瓦斯易自燃矿井采空区瓦斯与煤自燃共生灾害问题,研究了瓦斯抽采与煤自燃共生灾害特征及致灾机理,采用程序升温实验的方法,分析了漏风量供氧对煤自燃氧化的影响规律,在某矿S1工作面进行了现场监测实验,得出了瓦斯抽采条件下采空区CH_4体积分数、O_2体积分数及温度的影响规律。研究结果表明:随着温度和漏风量的增加,CH_4浓度逐渐增加,O_2浓度逐渐降低,CO的出现温度为110～130℃,在温度大于300℃时解吸量呈现出指数增长趋势;随着采空区深度的增加,CH_4浓度呈现出浅部增加较大深部趋于稳定的趋势,O_2从20.8%逐渐减小到7.7%,温度从22.3℃逐渐升高到24.3℃;划分了瓦斯抽采采空区"三带"分布,工作面散热带宽度为85 m,氧化带为85～210 m,窒息带为210 m以后,其中氧化带宽度增加是非瓦斯抽采采空区的2倍以上。研究成果对瓦斯与煤自燃共生灾害的防治提供理论支撑。     

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。     

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。     

原煤和氧化煤的低温氧化特性

为研究原煤和氧化煤的低温氧化特性,以潘集矿煤样为研究对象,将原煤在90℃空气环境中恒温氧化150 min制备氧化煤样。采用程序升温实验装置测定了170℃以下原煤和氧化煤低温氧化阶段不同温度下的CO浓度,并基于CO浓度分阶段计算了原煤和氧化煤的表观活化能。此外,通过电子自旋共振设备测定了180℃以下原煤和氧化煤低温氧化过程中的自由基浓度。结果表明:原煤和氧化煤的CO浓度和表观活化能均随着温度的升高而增大,且表现出明显的阶段性特征;原煤和氧化煤的CO浓度和表观活化能在50~60℃范围内产生交叉;50℃以下,氧化煤的CO浓度大于原煤,表观活化能小于原煤;超过60℃,氧化煤的CO浓度小于原煤,表观活化能大于原煤。原煤的自由基浓度随着温度的升高而增大,氧化煤的自由基浓度随着温度的升高先降低后升高;相同温度下,氧化煤的自由基浓度大于原煤,但其自由基浓度的变化速率小于原煤。     

高温贫氧下不同温度阶段煤体自燃指标气体测试

为了研究高温贫氧条件对煤自燃指标气体释放的影响,利用西安科技大学自主研发的高温氧化燃烧特性测试装置,测试30～500℃过程中煤自燃气体变化规律,通过使用指标气体的增长率分析法,并参考热分析实验温度区间划分准则,得出5个特征温度点,以此作为划分煤样常温至高温不同氧化阶段的依据,分为4个阶段:分别是临界温度阶段,干裂-活性-增速温度阶段,增速-燃点温度阶段和燃烧阶段。分析不同阶段的指标气体的变化规律,实验结果表明,CO气体在第1阶段增长较为缓慢,在第2,第3阶段增长较为迅速,呈现出指数级增长态势,当温度超过燃烧温度后,CO气体浓度开始呈现出下降的态势,后由于稳定官能团的断裂,气体浓度有所回升。C_2H_4气体在干裂-活性-增速温度阶段前增长较为缓慢,而后急剧增长,当温度到达燃烧温度时,C_2H_4气体浓度达到顶峰,随后随着温度的上升,气体浓度急剧下降。     

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．