点火方式对甲烷爆炸生成气体产物的影响研究

采用自主研发的采空区自燃诱发瓦斯爆炸系统,实验研究电火花和高温源2种点火方式引爆CH_4的气体产物变化规律。结果表明:2种点火方式引爆CH_4后,生成的碳氧化合物规律基本一致;低体积分数爆炸几乎不生成CO;CH_4体积分数大于9.5%时,随CH_4体积分数增大,CO的体积分数随之增加;CO_2的体积分数随CH_4体积分数先增大后减小,在CH_4体积分数为9.5%时CO_2生成量的最大;电火花引爆CH_4生成CO的量高于高温源引爆;高温源引爆CH_4生成CO_2的量高于电火花引爆;电火花点火方式在CH_4体积分数9.5%时,CO的生成较高温源点火方式有着更为敏感的表现。引爆CH_4体积分数较高(11.5%以上)的CH_4后会生成C_2H_6、C2H_4和C_2H_2等C_2类烃气。     

受限空间煤尘爆炸残留气体特征分析

采用20 L球形爆炸装置进行煤尘爆炸实验,研究了不同条件下煤尘爆炸后气体体积分数变化及生成规律。结果表明:爆炸残留气体成分及体积分数与煤尘浓度、粒径、点火能量以及煤尘变质程度关系密切。随煤尘浓度升高,爆炸后残留气体体积分数φ(CH4),φ(CO),φ(H2)及φ(CO)/φ(CO2)呈上升趋势,φ(CO2)呈先上升后下降趋势。一定范围内随煤尘粒径减小,φ(CH4)增大,φ(CO)及φ(CO)/φ(CO2)呈减小趋势,当粒径小于25μm时,φ(CH4)急剧减小。随点火能量增大,φ(CH4)及φ(CO)增大,φ(CO)/φ(CO2)整体变化量不大,当点火能量大于10 k J时,φ(O2)明显减小。随煤尘变质程度增加,φ(CO)/φ(CO2)先增大后减小,φ(CH4)整体呈降低趋势,烟煤煤尘爆炸消耗的O2量较褐煤、无烟煤少。     

不同粒径肥煤及其爆炸残留物的爆炸条件 和产物分析

采用20 L球形爆炸装置,实验了多种粒径煤尘及其爆炸残留物在不同煤尘浓度及点火能条件下的爆炸反应,分析了粒径对煤尘和固态残留物的爆炸条件(煤尘浓度、点火能量)和爆炸产物的影响。结果表明:随着煤尘粒径的增加,煤尘及其固态残留物爆炸需要更严格的爆炸临界条件;相比于点火能量,粒径对爆炸临界条件中的煤尘浓度影响较大;在爆炸临界条件下发生爆炸行为的爆炸产物中,小粒径煤尘及其爆炸残留物的孔洞发育程度及颗粒破碎程度远高于大粒径煤尘及其爆炸残留物,与大粒径及其固态残留物的爆炸产物相对比,小粒径煤尘及其固态残留物的爆炸产物O、Si元素的含量较高,而C元素含量较低。     

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。     

不同浓度煤尘云爆炸前后微观结构分析

运用20 L粉尘爆炸特性测试系统,实验研究了某一典型高挥发分煤尘的爆炸压力变化特性,并通过电镜扫描技术对其爆后残留物的微观结构进行了分析。通过研究得出:煤尘爆炸压力和压力上升速率随着煤尘云浓度的增加先增大后减小;平均粒径为19.45μm的煤尘,随着煤尘云浓度的增加,爆后残留物的孔隙率和粒径逐渐增加,且粒径随煤尘云浓度的增加呈指数增大的趋势变化。所得结论为认清煤尘爆炸机理及有效防治煤尘爆炸事故提供了重要的理论依据。     

高温氧化条件下风化煤自燃特性试验研究

为掌握煤层露头火灾的发展演化规律,采用高温程序升温试验系统模拟了风化煤的高温氧化自燃过程,得到了从常温到650℃高温氧化过程中的宏观自燃特性及其表征参数,并应用指标气体的增长率分析法确定出风化煤高温氧化的特征温度点。结果表明:风化煤在高温低氧浓度条件下仍能持续发生氧化反应,并放出大量的热量,来维持其自燃;风化煤内含有的腐植酸会随着煤温的升高,逐渐发生热分解反应,从而导致氧化反应,产生的CO_2、CH_4、C_2H_4、C_2H_6浓度增加,且CH_4、C_2H_4、C_2H_6浓度随煤温的变化规律相似,由于风化煤受到化学风化作用,使这3种气体在低温阶段的浓度都比较小,之后随着温度的升高而迅速增大;此外,煤样粒径0.9 mm时高温氧化产生的CO浓度,比其他粒径下的CO浓度总体上都大;在400~590℃,煤样粒径为7~10 mm时,高温氧化产生的CO浓度最小。     

煤自燃复合指标气体生成规律实验研究

复合指标气体受环境因素影响较小,能对矿井煤自燃的发生进行及时准确的预报。应用煤恒温氧化装置,模拟采空区蓄热环境,研究采空区遗煤发生氧化反应时指标气体的生成特性,实验选用不同粒径的官地矿焦煤煤样。研究结果表明,随温度增加,H_2/CH_4、O_2/(CO+CO_2)比值减小,CO/CO_2的比值增大,且温度超过80℃后,上述比值会发生剧烈变化。随煤样粒径减小,H_2/CH_4、CO/CO_2比值增大,O_2/(CO+CO_2)比值减小,粒径越小,比值变化趋势越明显。煤样在150℃温度下加热60 min后,复合指标气体比值变化率发生较大改变,这段时间是煤由快速氧化到自燃的关键时期。     

灰色关联法在煤自燃标志气体优选中的应用

鉴于目前以CO、C_2H_4和C_2H_2为标志性气体已不能满足煤层自然发火的早期预测预报,以神华新疆能源公司碱沟煤矿B_2煤层自然发火标志气体产物测试数据为例,选取100～300℃煤样氧化产物浓度,运用灰色关联法计算分析煤体升温时所产生的气体浓度与燃烧温度的关联度,根据计算结果对关联度进行排序,确定合理的煤层自然发火指标气体。计算结果表明:关联度γ_3>γ_5>γ_4,即φ(C_3H_8)/φ(CH_4)、φ(CO)/φ(CO_2)、φ(C_3H_8)/φ(C_2H_6)与煤燃烧温度关系最为密切,3种标志气体关联度大于0.6,并与φ(C_2H_4)/φ(C_2H_6)进行对比,验证了3种标志气体选取的合理性。因此,φ(C_3H_8)/φ(CH_4)、φ(CO)/φ(CO_2)、φ(C_3H_8)/φ(C_2H_6)可作为碱沟煤矿B_2煤层自然发火早期预测预报标志气体。     

煤的自燃和氧化对瓦斯爆炸压力和温度的影响

应用GRI Mech 3.0甲烷燃烧反应机理,建立相应的定容燃烧模型,对瓦斯爆炸过程中影响其温度、压力的C_2H_6,C_2H_4和C_2H_2三种气体进行分析研究。结果表明:在混合气体中充入C_2H_6、C_2H_4和C_2H_2气体,瓦斯爆炸的温度以及压力会显著增加;使得爆炸最大压力和最高温度所对应的CH4体积分数减小,对应最高温度和最高压力值亦变大。气体C_2H_2对瓦斯爆炸的促进效果最强,其次是C_2H_4,相比C_2H_4和C_2H_2气体,C_2H_6的影响效果相比较弱。     

灵泉煤矿煤层自然发火标志性气体优选

煤自燃火灾严重威胁煤炭工业的安全,煤自燃火灾指标气体的早期预测预报可以判断采空区煤层自然发火情况。通过采集内蒙古扎赉诺尔煤业有限责任公司灵泉等煤矿的8个煤样,煤种都是褐煤,在自然发火气体产物模拟实验装置上进行实验,分析了CO、C_2H_4、C_3H_6、C_2H_2指标气体的析出规律,绘制的气体体积分数随温度的变化曲线,并根据以往实验数据指出C_2H_4、C_3H_6出现的临界温度,提出用浓度差值法对CO气体体积分数校正,最后指出CO、C_2H_4,C_3H_6、C_2H_2作为灵泉煤矿煤层自然发火的标志性气体。