煤低温氧化标志性气体分析及优选研究

为了预测采空区遗煤自燃问题,以豹子沟煤矿10101综放面采空区遗煤为研究对象,利用煤自然发火气体产物模拟试验系统测试煤低温氧化过程标志性气体释放种类。试验表明:采空区遗煤与氧气发生低温氧化过程中,会伴随产生CO、CO_2、CH_4、C_2H_2、C_2H_4、C_3H_6、C_3H_8和C_4H_(10)等气体。分析发现CO浓度随采空区遗煤低温氧化阶段温度升高而逐渐增大的程度比其他气体更明显。CO是标志煤低温氧化的最佳气体,对采空区CO进行研究有利于早期预测采空区遗煤自燃情况。     

煤氧化过程中CO生成机理的原位红外实验研究

为了明确煤氧化过程中CO的生成机理与生成途径,利用红外光谱仪与原位反应池,研究了煤低温氧化过程中,醛基、酮基与醌基3种官能团与CO产生规律的关联性,并对3种CO前驱体的表观活化能进行了推导计算。结果表明：煤在不同氧化阶段的CO是由不同的前驱体生成;3种CO前驱体生成的表观活化能值均小于CO释放活化能,CO前驱体生成反应速率大于CO前驱体分解反应速率;在煤低温初始氧化阶段,对于变质程度较低的褐煤,酮类化合物为生成CO的主要前驱体,而在变质程度较高的无烟煤中,CO释放的主要前驱体为醌类化合物。当煤体温度升高至80 ℃,醛基、酮基与醌基3种官能团的化合物共同作为煤氧化生成CO的前驱体,当煤体温度高于150 ℃,醛类化合物为生成CO的前驱体,与煤种无关。     

遗煤二次氧化对复合采空区气体浓度场影响

复合采空区内氧化遗煤发生二次氧化是近年来引发煤矿内因火灾的重要原因之一。从气体浓度场的角度定量分析遗煤二次氧化对复合采空区自然发火的影响，是制定重复采动影响下复合采空区防灭火方案的理论基础，对于煤矿安全生产具有重要意义。以内蒙古平庄能源股份有限公司六家煤矿近距离煤层开采的SIIN₂6-9工作面为工程背景，现场采集本煤层原始遗煤与上覆煤层垮落氧化遗煤并制备实验煤样，利用等温差引领升温方法实验测试了2种煤样的宏观自燃特性。实验结果表明：现场采集氧化遗煤二次氧化过程处于激活阶段，煤氧反应更加活跃；相同温度与氧浓度条件下，氧化遗煤耗氧与CO生成速率更高。根据现场采集煤样的宏观自燃特性实验结果，提出采空区多种遗煤氧化情况的煤氧反应源项计算方法，建立了动态推进条件下采空区多种遗煤自然发火过程的数值预测模型。通过对比氧气与CO体积分数的束管监测数据与数值模拟结果，验证了所建立数值模型的可靠性。数值模拟结果显示：上覆采空区遗煤二次氧化增加了采空区遗煤耗氧和CO生成速率，在遗煤二次氧化作用下采空区内氧化带位置较单一煤层采空区向工作面移动约27 m,最大CO体积分数提高了30%。上覆...     

基于耗氧量的煤低温氧化反应机制的试验

煤的常温氧化对采空区煤自热过程以及自燃"三带"的划分具有重要意义。利用实时监测反应装置,模拟采空区遗煤在常温下的氧化过程。根据氧气浓度以及耗氧速率的变化,对采空区煤的氧化机制进行分析研究;同时考察了混合粒径对氧化过程的影响。试验表明混合粒径煤样的耗氧速率并不是各单一粒径耗氧速率的线性叠加,且煤的氧化过程随着氧化时间的增加表现出明显的阶段性。根据不同阶段的反应机制,可采用不同的防灭火方法进行控制。     

变氧浓度条件下煤自燃特性参数实验测试

利用煤自然高温程序升温实验台对清水营煤矿煤样在变氧环境下的耗氧速率、气体释放速率及放热强度等自燃特性参数进行测试。测试结果表明:在不同氧浓度条件下,煤样的耗氧速率在不同阶段变化规律不同;在程序升温过程中,CO和CO2气体产生速度可预报煤层的氧化、自燃状况;在不同氧浓度下煤样的放热强度规律也很明显。测试结果为采空区遗煤自燃防治提供了理论基础。     

浅埋综采面采空区遗煤CO产生规律实验研究

为探究浅埋综采面采空区遗煤氧化过程中的CO产生规律,本文以高家梁矿浅埋煤层为研究对象,与阳泉矿深埋煤层相对比,利用油浴升温氧化系统对高家梁矿不同煤层的综采工作面煤样和阳泉矿煤样进行了升温氧化实验。研究表明:高家梁矿浅埋深各煤样在低温40 ℃时消耗O₂产生CO体积分数达到1×10-4;各煤样在氧化升温过程中的耗氧速率、CO产生速率和放热强度随温度升高逐渐增加;高家梁矿浅埋深煤样产生了40 ℃和130 ℃两个临界温度,分别对应加速氧化反应起点和剧烈氧化反应起点,而阳泉矿深埋煤层煤样只有一个不明显临界温度,且相对滞后,达100 ℃~120 ℃;在相同煤温下,高家梁矿浅埋深各煤样CO产生量和产生速率、O₂的消耗量和消耗速率均明显大于阳泉矿深埋煤层;高家梁矿浅埋深各煤层比阳泉矿煤层更早进入加速氧化阶段,且所需温度更低。可见,煤层埋藏越浅,升温氧化时煤的耗氧速率和CO产生速率越快,升温对浅埋深煤样的氧化放热促进作用更强。     

预防高地温深井煤自燃的阻化惰泡防灭火技术

为预防高地温深井煤自燃,提出了灌注阻化惰泡防灭火技术,介绍了阻化惰泡的组成及防火机理,采用程序升温,对比分析了煤样经阻化隋泡溶液处理前后CO产生率与耗氧速率比值随温度的变化情况,经现场工业性试验,利用预埋束管采集处理区域气体,分析CO浓度的变化。结果表明:原煤样氧化加速临界温度为60℃,处理后煤样氧化加速临界温度是110℃,通过拟合公式预测当煤温超过174℃时,处理后的煤样氧化性强于原煤样,在稳泡期内能够减少采空区CO的产生。因此,阻化惰泡能够延长煤自燃进入化学吸附阶段的时间,对预防高地温深井采空区煤自燃火灾优势明显。     

低温氧化过程中氧浓度对煤体自由基反应 特性的影响

为了探究矿井采空区不同氧浓度对煤低温氧化过程的微观特性影响规律,利用自主搭建的煤体低温氧化模拟实验系统模拟煤体在采空区不同深度下的自然氧化状态;基于电子自旋共振波谱仪(ESR)技术,分析不同氧浓度下煤低温氧化过程中自由基变化规律,并测定了煤体氧化过程中气相产物的释放规律。结果表明:在温度节点130℃左右,由缓慢变化转为快速变化,煤体由缓慢氧化进入快速氧化阶段,但g因子在2.001 41～2.002 034,变化不大;随着氧气浓度的升高,各参数随氧化温度的变化趋势不变,但整体变化量逐渐增大;当氧浓度≤9%时,在低温阶段,自由基反应较慢,CO产生也出现了明显的滞后;当氧浓度9%,煤氧复合几率变大,温度的提高更容易激发自由基反应,CO浓度呈指数增长。     

实验模拟采空区煤自燃早期气体释放规律研究

为探究煤矿采空区煤自燃早期气体释放规律,预防采空区火灾,采用实验室模拟采空区不同氧浓度下煤氧化升温过程。实验设计煤样在17%、14%、12%、8%氧浓度气流下进行程序升温。研究结果表明:在220℃温度以下,煤体释放CO、CH4和CO2气体量与煤温成正相关,在12%氧浓度与14%氧浓度间煤的自燃能力被明显抑制;采用CO2/CO比值与煤体温度关系进行指数函数式拟合采空区煤自燃早期较为准确。     

不同应力对煤自然氧化的影响规律试验研究

为研究应力对煤自然氧化的影响规律，设计1套应力对煤自然氧化影响规律试验装置，通过该试验装置对煤样施加不同应力模拟采空区破碎煤体在承压环境中受压变形、温度及气体体积分数变化特征，定量分析不同应力作用下破碎煤体相关参数的变化规律。研究结果表明：升应力作用阶段破碎煤体较恒应力作用阶段受压变形、升温幅度更为明显且煤体升温速率与位移变化速率大小正相关，进一步验证了应力对于煤体自然氧化具有促进作用；破碎煤体在不同应力作用下煤自燃倾向性进一步加剧，煤体内分子更易氧化，从而导致CO、CH₄的产生；根据试验所测CO体积分数，从而推断有煤氧复合反应和煤体机械破碎激活脱碳2种产生途径。     

瓦斯矿井煤氧化生成CO规律及控制技术措施研究

针对瓦斯矿井CO来源丰富且易引发煤层自然发火问题,在理论分析煤氧化生成CO过程的基础上,采用煤程序升温实验系统对煤氧化生成CO规律进行研究,结合采空区遗煤氧化过程CO产生规律测试,提出控制井下CO体积分数的技术措施。     

风窗调压防灭火技术在5305综放工作面的应用

应用风窗调压防灭火技术减少地面裂隙向采煤工作面采空区的漏风,预防采空区内遗煤氧化,并对已经发生采空区遗煤氧化的工作面,抑制采空区内CO等有害气体向工作面释放,确保工作面有害气体浓度不超标,保障安全生产。     

不同氧气体积分数下风化煤自燃特性研究北大核心

采空区遗煤在漏风环境中被氧化,逐渐形成风化煤,经过风化后的煤在宏观形态和微观结构等与原煤有所差异,同时风化煤所处的环境氧气体积分数也是时刻变化的;为此采用程序升温系统模拟风化煤的自热氧化过程,分析了变氧气体积分数下风化煤氧化升温过程中CO、C_(2)H_(4)体积分数和交叉点温度的变化规律;采用热重分析仪研究了变氧气体积分数下风化煤的特征温度和热失重速率变化规律。结果表明:风化煤在氧化升温过程中释放的气体体积分数始终高于原煤,交叉点温度和从缓慢氧化到加速氧化的临界温度始终低于原煤;氧气体积分数越低,风化煤和原煤在氧化升温过程中释放的气体体积分数和热失重速率越小,交叉点温度、缓慢氧化到加速氧化的临界温度和最大失重速率温度越高;与原煤相比,风化煤对氧气体积分数的变化更加敏感,自燃危险程度更高。     

浅埋厚煤层易燃综放工作面CO主要来源判定

根据乌苏四棵树煤炭有限责任公司七号平硐A504综放工作面位置关系和邻近采空区CO检测数据,得出A504综放工作面CO来源于超前预裂爆破和采空区遗煤氧化。综合统计分析3个月超前预裂钻孔布置组数、炸药使用量,结合炸药年检报告,计算出炸药产生的CO量,确定出A504综放工作面CO主要来源于采空区遗煤氧化。为综放工作面采空区遗煤自燃预测预报提供了一种新的判定方法。     

限定封闭空间内基于CO浓度的煤低温氧化反应特性的试验研究

为了进一步了解煤低温阶段氧化反应特点,运用鼓风恒温箱装置和GC-950型气相色谱仪对褐煤在80℃恒温密闭环境中CO的生成规律进行了研究,研究表明,当氧气浓度充足时,CO生成速率随着煤温的稳定而保持恒定,CO生成量呈线性增加,当氧气浓度下降后,CO生成速率随着恒温时间的延长呈递减趋势,并满足一定关系式。同时,利用电子自旋共振测谱仪(ESR)测试恒温过程不同时间的自由基浓度,从微观上揭示煤的氧化进程,并通过对比研究了80℃临界温度的特殊性。     

煤低温氧化标志性气体变化规律

利用煤在低温氧化过程中会产生一些氧化气体产物,而这些气体产物中有些可以作为指标气体,了解这些气体的变化规律可以有效的预报采空区煤炭的自然发火.通过对龙东煤矿7128工作面煤层的新鲜煤样和氧化煤样进行低温氧化实验对比,测量新鲜煤样和氧化煤样在不同的温度下产生的气体产物,结果表明:氧化煤样是新鲜煤样的延续,新鲜煤样和氧化煤样在进行低温氧化都能够产生CO,CO2,CH4,C3H8,C2H4,C2H6,C2H2,C4H10和iC4H10等氧化气体,但所产生气体时的温度不一.7煤在达到70℃后可将CO作为煤炭自燃早期预报的指标气体,C2H4可作为辅助指标气体.需要采用指标气体增长趋势与临界值共同预报采空区遗煤氧化情况.对煤的低温氧化实验规律研究可以用来对采空区内温度进行监测以防止煤炭自然发火.     

神东矿区工作面CO来源分析及超限控制措施

针对神东矿区采煤工作面回风隅角出现CO超限问题,在调研及现场观测的基础上,认为神东回风隅角CO来源主要是由于采空区浮煤氧化、采煤机割煤破碎煤体,胶轮车尾气产生,其中采空区浮煤低温氧化是主要来源。为采取合适的超限控制技术措施提供了依据。     

小风量对煤低温氧化产生气体的影响研究

为了明确小风量对煤自燃产生气体的影响,采用自制煤自燃程序升温实验装置,研究分析了不同小风量(1、2 mL/min及3 mL/min)条件下气体产生规律。结果表明:常温下氧浓度在13.08%时,煤样仍能够发生氧化;风量越小,氧浓度越低,CO气体浓度越高;工作面供风量减小,导致采空区出现CO气体浓度增大,停采时间越长,采空区CO气体浓度越大,但是并不能证明采空区温度有上升趋势。     

煤与油页岩共采条件下自然发火标志气体及预报指标体系研究

针对梁家矿煤与油页岩共采条件下采空区自然发火情况下的标志性气体优选的问题,选取1105工作面样品运用程序升温实验进行了煤与油页岩自然发火气体产物模拟试验,分析了CO、烯烃、烷烃及其比值的产生规律,进行了煤与油页岩自燃预测预报体系研究。结果表明:CO出现的临界值温度在40℃左右,标志着煤与油页岩已经开始产生反应;C_2H_4出现在120℃左右,标志着煤与油页岩进入加速氧化阶段;C_2H_4/C_2H_6、C_2H_4/C_3H_8可以作为预测煤与油页岩自然发火进程的辅助标志气体。同时,根据CO、C_2H_4等气体释放量,确定了梁家矿煤与油页岩自然发火标志气体判别参数。     

煤氧化特性的STA-FTIR实验研究

采用同步热分析-红外联用技术(STA-FTIR),以4种不同变质程度的新鲜煤样为研究对象,从特征温度点、热量变化、逸出气体、氧化反应动力学等多角度分析煤的氧化放热特性及其规律。研究结果表明,随着煤变质程度降低,煤中挥发分含量增高,煤氧化过程特征温度点逐渐减小;各个阶段反应活化能逐渐变小,最大热释放速率和放热量相应增加;同时,氧化过程中所释放的CO,CO2,H2O,CH4等气体的初始温度和峰值温度均呈现出逐渐减小趋势,生成CO量减少,CO2和水量增加;此外,不同煤样在水分蒸发及脱附阶段、吸氧增重阶段的反应机理接近。实验结果说明不同煤样的氧化反应过程具有相似性,变质程度越低的煤,发生氧化和燃烧反应越容易,自燃危险性越高。应根据煤样存储、开采、运输环境,针对初始放热温度较低的低变质煤样,及时采取冷却降温、封堵裂隙、阻化剂阻化等措施预防煤自燃发生和发展。