水浸煤体自燃极限参数和氧化动力学的研究

煤经水浸泡后的自燃特性会发生变化,为了研究水浸煤的自燃特性,采用煤自燃程序升温实验装置,进行经过3个月水浸泡煤样和原煤样的程序升温实验,研究煤的自燃特性。计算了两种情况下煤样的耗氧速率、放热强度,得出了煤自燃极限参数和表观活化能。煤经水浸泡后,煤分子的表面活性官能团增加,低温阶段的氧化放热性增强,自燃危险性增大。     

浸水过程对长焰煤自燃特性的影响

为揭示长期浸水长焰煤的自燃特性及影响机制,实验研究了长焰煤原始煤样和长期浸水风干煤样的低温氧化特性,分析了长期浸水对煤微观结构、氧化升温过程及活化能等方面的影响规律。研究结果表明:长期被水浸泡煤样的表面孔隙结构更发达,平均孔径、介孔孔容和微孔孔容都有不同程度的增大;同时,浸水煤样表面的部分有机物和无机物会溶解在水中,煤中自由基浓度增加,基团分布与原煤相比存在明显变化;与原煤样相比,经过90,180 d浸水过程后的煤体,低温氧化过程的气体产生量和产生速率更高,交叉点温度由原煤的160.9℃降低至157,151.5℃,活化能分别降低了3.84,4.18 k J/mol,表现出更高的自燃倾向性。研究结果可为西部浅埋藏近距离煤层群开采上覆采空区长期浸水煤的自燃防治提供借鉴。     

水浸煤二次氧化特性研究

为了研究水浸煤二次氧化特性参数,对实验的6种煤样进行程序升温实验,检测其比表面积及孔径并进行分析。结果表明:预氧化后的水浸煤较预氧化后的原煤二次氧化气体生成速率及放热强度均有所增大,并且随着预氧化的温度升高,气体生成速率及放热强度也有所增大;预氧化后的水浸煤活化能较预氧化后的原煤和未氧化的原煤均低,随着预氧化温度的升高,活化能也有所降低,导致其自燃倾向性增加;水浸煤比表面积在同等条件下远大于原煤,随着预氧化温度的提高,原煤和水浸煤的比表面积均呈现下降趋势;二次氧化对实验所用的原煤、水浸煤的最可几孔径几乎没有影响,均为4 nm,在最可几孔径下,煤的微分孔体积/平均孔径随着预氧化的温度升高而逐渐降低。     

煤的微观孔隙结构对其自燃倾向性的影响

为了考察煤的微观孔隙结构对其自燃倾向性的影响,选取气煤、肥煤和焦煤煤样为研究对象,通过压汞试验测量得到不同煤样的微观孔隙分布数据,结果分析表明:直径小于100 nm的孔隙分形维数在2~3内,煤样微观孔隙具有良好的分形特征,满足分形理论描述多孔介质的微观孔隙分布特性。通过煤自然发火模拟系统,对气煤、肥煤和焦煤煤样进行升温氧化模拟试验,并绘制煤样升温氧化过程中气体产物浓度随温度变化的曲线,试验结果显示了煤微观孔隙结构与其自燃倾向性的关系:煤样的变质程度越高,其内部结构越致密、内生裂隙相对较少,发生氧化反应的温度也越高。     

密闭火区内惰性环境下烟煤自燃特性变化

在注惰后的井下密闭火区中，氧浓度较低，高温与惰性气体共存，高温与CO2或N2等惰性气体的共同作用会在一定程度上影响煤的自燃特性。以安徽淮北青东8号煤为例，在200 ℃下的惰性或低氧环境（CO2,N2,10%O2）内对煤样预处理12 h。通过红外光谱、孔隙分析、热重测试研究煤样处理后的物理化学变化，并通过程序升温氧化实验对比煤的氧化产物浓度。结果表明，处理后煤样的活化能降低，临界温度降低，自燃特性增强，中孔及大孔的比例增加，渗透率和孔隙率明显增高；煤中C-O，C〖CDS1〗O等活性基团增多，而-OH和杂原子官能团含量减少。煤表面形成各类裂隙孔隙相互沟通，增强了气体在煤中的流动性。     

浸水程度对煤自燃特性影响研究

煤矿开采过程中,地下水流入煤层裂缝,煤体受到不同程度水量浸泡,其自燃特性受到影响不利于矿井防灭火工作。为研究不同浸水程度煤体自然特性,对唐山矿0250煤层煤样进行水浸煤制作,对不同浸水程度煤样进行程序升温、低温液氮吸附、傅里叶红外光谱实验。得出实验结果：随着浸水程度的提高,比表面积下降,大孔比例增加,耗氧速率和CO、CO2产生率提高;脂肪烃基团含量降低,芳香烃和含氧官能团含量增大。实验结果表明：浸水导致煤体小孔向大孔转化,孔隙与裂隙的连接性增强,导致煤体与氧气接触面积增大,有利于对氧气的物理吸附;浸水促进过氧络合物的生成,有利于对氧气的化学吸附;随着浸水量的增加,羟基（-OH）含量提高,煤体在低温氧化阶段表现出氧化特性越明显,羰基（C=O）、羧基（-COOH）含量增加,导致煤体氧化燃烧阶段氧气消耗量、耗氧速率及CO、CO2产生率提高;浸水促进了煤体内官能团的相互转化。     

水浸煤二次氧化自燃危险性实验研究

为研究水浸煤二次氧化升温和降温全过程的自燃危险性,采用程序升温实验方法对原煤、水浸煤初次及二次氧化升温和降温的自燃特性参数进行对比研究,并利用表观活化能计算模型,在直角坐标系中通过线性拟合的方法计算不同温度阶段的表观活化能。实验结果表明:在升温过程干裂温度之后和降温全过程中,煤样的耗氧速率、自燃特征气体的产生率和极限放热强度均符合水浸煤高于对应原煤、二次氧化高于对应初次氧化的规律;表观活化能方面,水浸煤低于对应原煤、二次氧化低于对应初次氧化。因此水浸煤的自燃危险性更大。     

高温下煤吸附氮气后氧化特性变化的实验研究

矿井自燃火区注氮气灭火时发现,煤体的温度仍会在高温中维持一段时间,高温下煤样对氮气的吸附影响着煤氧化自燃特性。以锡盟褐煤为研究对象,将煤样分别在200℃下吸附氮气6、12、18 h,通过分析实验煤样的气相产物及氧气消耗,煤氧化表观活化能以及煤孔隙结构参数的变化,研究吸附氮气后煤样的氧化特性。实验表明,煤样经过高温吸附氮气的处理后,气相产物的释放量均高于原煤;高温吸附氮气降低了煤氧化活化能,吸附氮气时间越长,活化能值越低;处理后煤的孔平均直径、孔隙率与渗透率均高于原煤,增加了煤氧反应速率,加快煤氧反应进程。     

火成岩侵入条件下煤低温氧化特性实验研究

为了研究火成岩侵入条件下煤的低温氧化特性,以大兴矿南五709、南二905 2个工作面的正常煤与受火成岩侵入影响的变质煤为研究对象,采用程序升温实验测煤的耗氧特性、产气特性(CO、C_2H_4)及交叉点温度Tcpt,同时采用低温氮气吸附法、压汞法研究火成岩对煤孔隙结构的影响。结果表明:受火成岩侵入影响,煤中部分介孔、宏观孔的比表面积、孔容增加,煤的平均孔径增大,煤中具备更多可与氧气结合的反应点位;变质煤较正常煤的耗氧量及耗氧速率更大,Tcpt更低,煤自燃倾向性指数也大幅降低,S5709煤样由正常煤的605.69降至310.62,S2905煤样由正常煤的761.34降至382.91;且整个低温氧化过程表现出变质煤释放CO、C_2H_4含量更大的特点。火成岩侵入的高温高压作用使煤中孔结构(孔径20 nm)发育,增加了煤的自燃危险性。     

水分影响高硫煤低温氧化自燃特性参数实验研究

针对我国高硫煤层普遍存在自然发火期短、自燃特性参数不明确、自燃预测、预报难度大等难题,现场采集某高硫矿煤样,配制成不同含水量的水浸高硫煤混合煤样,采用XK型程序升温试验系统测试了高湿环境下煤样低温氧化过程中的耗氧速率、CO生成量、放热强度等煤自燃特性参数。