高地温环境对煤自燃极限参数的影响研究

针对深井高地温环境对煤自燃极限参数的影响问题,利用程序升温实验研究的方法,进行煤样恒温40℃处理后程序升温和常温条件下程序升温的实验设计,研究煤样的自燃特性,计算两组煤样的耗氧速率、CO产生率、CO2产生率和放热强度,得出煤自燃极限参数的变化规律,实验结果显示:处理后升温的煤样耗氧速率、CO产生率、CO2产生率和放热强度均高于常温条件下升温的煤样,煤自燃极限参数中最小浮煤厚度和下限氧浓度值均减小,上限漏风强度值增大,并且变化率随煤温近似呈线性增长趋势,说明高地温导致煤体的氧化放热性增强,更容易蓄热升温,自燃危险性增大。     

高地温环境对煤自燃特性影响的试验研究

为了研究井下高地温环境对煤自燃的影响,采用程序升温试验装置对煤样预先40℃恒温氧化后进行程序升温试验,通过对比常温下进行的试验过程,得出高温环境下煤体的气体产生率、耗氧速率及放热强度高于常温下氧化煤体,自燃危险性有所增加。     

高地温环境对煤自燃特性影响的试验研究

为了研究井下高地温环境对煤自燃的影响,采用程序升温试验装置对煤样预先40℃恒温氧化后进行程序升温试验,通过对比常温下进行的试验过程,得出高温环境下煤体的气体产生率、耗氧速率及放热强度高于常温下氧化煤体,自燃危险性有所增加。     

水分含量对长焰煤自热反应的影响研究

为解决补连塔矿22煤层采空区煤自燃防治问题,采用程序升温装置对不同含水率煤样进行氧化分析,研究不同含水率煤样耗氧速率、CO和CO_2产生率及放热强度;并推导CO_2绝对生成量与温度之间的关系式,拟合求出煤样临界温度和表观活化能。结果表明:煤样耗氧速率、CO和CO_2产生率以及放热强度随含水率升高先增大后减小,耗氧速率由高至低的含水率为21.55%29.50%13.45%37.56%5.53%,CO、CO_2产生率和放热强度为21.55%13.45%29.50%37.56%5.53%;临界温度随含水率升高先减小后增大,由高至低为37.56%29.50%5.53%13.45%21.55%;水分在临界温度点后对表观活化能影响较为明显,随含水率升高先减小后增大,含水率21.55%煤样表观活化能最低。     

煤自燃动力学参数及氧化反应阶段实验研究

煤自燃现象会造成火灾，给煤矿的安全生产带来了极大威胁。为进一步认识煤自燃进程中不同氧化阶段的特性，开展了三种不同氧气浓度（11%、16%、21%）环境下的煤样程序升温实验，分析了交叉点温度、CO浓度、耗氧速率、放热强度以及表观活化能等重要表征煤自燃的参数变化规律，确定了氧化过程中的三种关键特征温度点，并依此划分了四个煤自燃进程中的氧化阶段，计算各氧化阶段的表观活化能，与前人的历史数据进行了对比验证。研究结果表明：在充足氧气浓度环境下，实验计算的交叉点温度为143.5℃，而且与经验公式的理论计算值误差仅为6.41%;CO浓度、耗氧速率、放热强度均随氧气浓度的增加而增加，且耗氧速率与放热强度符合线性表达式；煤样的临界温度、干裂温度、活性温度三个特征温度点分别为80.4℃、125.9℃，191.8℃；本文研究结果和历史数据均展示了表观活化能随自燃反应的进程呈现先增大后减小的趋势，其中阶段Ⅲ加速氧化反应阶段的表观活化能值最大，达到了52.06 kJ/mol。通过研究以期为煤自燃特性及防治提供一些基础参考。     

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。     

不同漏风条件下卸荷煤体氧化特性研究

为了掌握不同漏风条件下卸荷煤体氧化特性,以便防治煤自燃火灾,采用程序升温试验研究的方法,对易自燃煤样施加相同初始应力后卸荷,通过逐渐增加风量的手段,对比了耗氧速率、CO浓度、CO产生率随煤温和漏风量的变化规律。结果显示:不同漏风条件下,卸荷煤体比原始煤样更易于氧化,各煤样氧化能力由大到小的漏风量分别为150、180、120、90、60、210、240 m L/min,且CO浓度和产生率与煤温呈指数关系;煤温一定时,CO浓度和产生率随漏风量的增加先增加后减小,漏风量达到150 m L/min时,CO浓度和变化率最大,煤样氧化能力最强。基于试验结果,将井下漏风量控制在当量流量以外,避免高温点的形成,可有效防治井下煤体自燃。     

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。     

基于不同含水率气煤的低温氧化实验研究

为了研究不同含水率气煤的自燃特性，通过程序升温实验系统，分别对5种煤样进行低温氧化实验。实验结果表明：在低温氧化过程中，不同含水率气煤的自燃特性参数均随温度的升高呈指数变化趋势；煤样的CO与CO₂体积分数、耗氧速率、放热强度均表现出低含水率下大于原煤，高含水率下小于原煤的规律；在加速氧化阶段，原煤的活化能为75.7 kJ/mol,相比之下含水率为5.87%、9.81%、13.81%的煤样活化能分别降低了6.8、25.6、4.6 kJ/mol,而含水率17.85%煤样的活化能却上升了4.1 kJ/mol。研究结果表明：一定范围内水分含量越大，煤样的表观活化能越小，煤的自燃倾向性越高；而过量水分会抑制热量积聚，使煤的活化能变大，自燃倾向性变低。     

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。     

CO2防控氧化煤复燃效率的试验研究

为掌握不同体积分数CO₂对氧化煤复燃过程的抑制效果,采用自主研制的煤自燃氧化程序升温试验装置,对平煤八矿煤样分别通入体积分数为10 %、20 %、30 % 和40 % 的CO₂进行试验研究,测定了煤初次和二次氧化升温过程中的耗氧速率、CO产生率以及表观活化能的变化规律。结果表明:与煤在纯空气条件下的氧化自燃相比,不同体积分数的CO₂对煤氧化升温过程均具有抑制作用。同时,通入的CO₂体积分数越大,煤初次和二次氧化升温过程的耗氧速率和CO产生率越低,表观活化能越高,即CO₂的体积分数越大,对氧化煤复燃过程的抑制效果越好。     

挥发分对煤自燃特性影响的实验研究

为了研究挥发分对煤本身自燃能力的影响作用,在氮气环境中对同一处采集的煤样分别在300,600,900℃高温下进行了灼烧处理,获得了挥发分不同的5份煤样;利用自制的油浴式煤低温氧化实验系统对所得煤样进行了升温氧化实验,测得了不同温度下煤样罐出口中的O2,CO,CO2等气体的体积分数;推导了煤的耗氧速率与放热强度计算公式,结合实验数据,得到了不同煤样的耗氧速率及放热强度变化情况,以此来判断减少挥发分后煤的自燃能力强弱。结果表明,相同条件下,挥发分越低,煤的耗氧速率、放热强度越小,越不易自燃。     

预氧化煤自燃特性试验研究

为研究预氧化煤自燃特性参数变化规律,采用程序升温试验研究原煤和预氧化煤的自燃特性。结果表明:与原煤相比,随着温度增加,预氧化至90℃的煤样耗氧速率、CO产生率、CO2产生率、放热强度均大于原煤;随着温度的增加,预氧化至130℃的煤样与原煤的耗氧速率、CO产生率、放热强度曲线的交叉温度为80~90℃,预氧化至170℃的煤样的交叉温度为110~120℃,小于交叉温度时,预氧化煤的耗氧速率、CO产生率、放热强度大于原煤,超过交叉温度后小于原煤;小于80℃时,预氧化至130、170℃的煤样的CO2产生率大于原煤,超过80℃后小于原煤;预氧化煤的最小浮煤厚度、下限氧浓度极值减小,上限漏风强度极值增大;煤的氧化程度越高,自燃极限参数极值变化量越大。     

CO_2对煤升温氧化燃烧特性的影响

为了掌握CO2气体防治煤自燃的特性,采用TG-DSC联用分析系统测定煤样在不同CO2体积分数、不同升温速率时反应引起的质量、能量变化,研究CO2对煤升温氧化燃烧过程的影响。通过分析煤升温氧化燃烧过程的TG-DSC曲线,确定了煤氧化燃烧过程的特征温度变化规律,实验表明:煤样变质程度越高,TG曲线越向温度高的方向移动;特征温度T1,T2,T3在不同CO2/空气混合条件下失重曲线差异较小,在失重温度T4时,CO2体积分数越大,其TG,DTG曲线差异越大,着火温度、质量变化速率最大温度点及燃烬温度点延后。CO2体积分数影响了煤样放热强度,CO2体积分数越低,DSC曲线越陡,放热强度越高;CO2体积分数越高,曲线平缓,放热量小,燃烧点放热峰向高温区移动,反应得到了抑制。通过动力学分析计算得出:煤样在空气氛围下的活化能和频率因子均大于在通入CO2气体后,随着CO2体积分数的升高,表观活化能和指前因子减小速度加快,但反应速率常数也减小,表明CO2抑制了煤的氧化燃烧。     

贫氧环境下褐煤升温氧化特性的实验研究

为了研究贫氧环境下褐煤的升温氧化特性,以内蒙古宝日希勒第一煤矿1#煤层煤样为研究对象,利用热重-气相色谱联用技术在不同氧气体积分数下对煤样进行升温氧化实验,得出贫氧环境下褐煤的热特性曲线(TG、DTG、DSC),同时采用Coats-Redfern动力学方程计算了煤样热解阶段和燃烧阶段的活化能。结果表明:贫氧环境对煤升温燃烧的各个阶段产生不同程度的影响;随着氧气体积分数的降低,特征温度T_3、T_4和T_(max)逐渐增大;吸氧增重阶段增重量和放热量逐渐减小;热解和燃烧阶段的失重量逐渐减少,放热量逐渐降低,活化能呈减小趋势;CO和CO_2峰值温度向高温区域偏移且峰值浓度降低。     

基于大型煤堆实验台的煤自燃过程模拟研究

为研究王台铺矿15号煤层的自然发火规律,利用大型煤堆实验台对其进行了试验模拟研究,通过热电偶测得煤体的温度变化情况,得到煤体内的升温速率、耗氧速度、临界温度及干裂温度等煤样自燃特性参数,结合气相色谱仪对煤自燃过程中产生的指标气体进行分析。结果表明：煤温在临界温度80℃以下时,煤的自身氧化反应过程中产生的热量小,煤样耗氧速度较低,煤体很难发生自燃;在80～110℃时,耗氧速度逐渐增加,反应逐渐加强;当煤温超过干裂温度110℃后,氧化反应急剧加快,放热量也随着增大,同时CO和CO2产生率加快,煤体易发生自燃。     

粒径对煤低温氧化阶段表观活化能影响试验研究

为探究不同粒径对煤自燃表观活化能的影响，对青龙煤矿三个煤层的不同粒径煤样进行程序升温试验，分析其耗氧速率、CO和C2H4产生规律，得到不同煤样的临界温度点和干裂温度点，并据此将煤低温氧化过程分为3个阶段。通过建立的基于耗氧速率的阿伦尼乌斯公式对试验数据进行处理，得出各煤样不同阶段的表观活化能和指前因子。结果表明：处于相同变化阶段的煤样表观活化能随粒径的增大而增大|对相同粒径煤样而言，若S1阶段的指前因子变化较小，其表观活化能随反应的进行而增大，若S1阶段的指前因子变化较大，则其S1阶段表观活化能大于S2阶段。5～7mm粒径作为临界粒径，其S1、S2阶段表观活化能相较大于其他粒径。混合粒径煤样各阶段的表观活化能较小。对比各组煤样的表观活化能可知，在相同的情况下，18#煤层发生自燃的难度相对较大，16#煤层次之，17#煤层难度相对较小。     

火成岩影响区CO异常涌出机理及预测研究

为探究火成岩影响区CO涌出原因及预测技术,火成岩入侵中高温作用对煤结构、自然氧化能力的影响,以模拟热环境和实际火成岩影响区煤样结合的方法进行试验研究。采用了不同温度预处理煤样模拟岩浆侵入热变质作用,进行了压汞试验和煤体CO吸附试验以探究热环境对煤变质、CO吸附和孔隙结构的影响;选用林南仓矿距火成岩入侵距离不等的3个工作面煤样进行对比试验,分别进行了程序升温、红外光谱、热重等试验来探究煤体CO释放规律及其升温氧化原因分析,确定了林南仓矿火成岩影响区CO赋存情况及其自然发火预测指标。结果表明,在试验温度(300℃)下,热作用是煤体煤阶升高的主要原因,温度升高可使煤中微孔和大孔数量增加,煤体表面积和孔容相应增加,孔隙连通性增强;程序升温试验中,林南仓矿距火成岩入侵距离小的煤样能更早进入剧烈氧化阶段,更容易在较低温度释放大量CO,因此可以判断火成岩入侵造成的高温环境改变煤体结构(煤体孔容增加、孔隙连通性增强),从而提高了煤体吸附CO的能力和自然氧化中氧气与煤体接触的能力;提出以φ(CO2)/φ(CO)浓度比值作为林南仓矿的自然发火预测指标,解决了现场回采工作面自然发火的预报预测难题,对同类矿山煤自燃的防治有较高的应用价值。     

瓦斯对煤自燃特性参数影响的实验研究

选取原煤样、经过瓦斯解吸处理和通甲烷处理的3种不同瓦斯含量的混合煤样,利用程序升温实验对其自燃特性参数进行实验研究,通过对不同煤温条件下的耗氧速率、CO产生率、CO2产生率及放热强度进行分析,得到了氧化自燃过程中瓦斯对煤氧化自燃特性的影响规律,揭示了瓦斯对煤自燃的抑制作用。     

二氧化碳和氮气对煤自燃性能影响的对比试验研究

为研究二氧化碳和氮气对于抑制煤自燃的不同效果,设计了煤自燃程序升温静态试验和动态试验,测试了在不同试验条件下煤的耗氧速度和一氧化碳的产生速度,验证了二氧化碳气体和氮气对煤的氧化反应速度产生不同的影响,得到煤样在分别通入空气、氮气-空气混合气体和二氧化碳-空气混合气体后的表观活化能,分别为38.952 75,40.600 59和46.795 35 k J/mol。可见惰性气体可以增大煤样的表观活化能,但是氮气-空气的混合气体只是略微增大了煤样的表观活化能,而二氧化碳-空气混合气体则显著增大了煤样的表观活化能,说明在通入二氧化碳气体情况下煤样更不易自燃,二氧化碳比氮气具有更好的抑制煤炭自燃的能力。