不同氧浓度下煤体低温氧化过程中物化参数变化规律研究

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,进行煤体在不同氧浓度下的低温氧化实验,通过BEL-MAX型全自动比表面/孔隙分析和蒸汽吸附仪及电子自旋共振波谱仪(ESR),得到不同氧浓度下煤体低温氧化过程中孔隙分布变化特征及自由基变化规律。实验表明:随着氧浓度及氧化温度增加,水分、挥发分、BET比表面积及自由基浓度呈阶段性变化,130℃之后,煤氧复合速度加快,水分及挥发分的不断降低使得煤体孔隙的发育,增加了氧与煤的活性表面接触面积,激活原本不活泼的原生自由基,参与反应并生成更多新的自由基,在200℃的升温区间内自由基浓度(21%)最大上升了12.77×10~(17)/g。     

煤低温氧化过程中自由基浓度与气体产物之间的关系

利用煤低温氧化装置和顺磁共振实验,研究了褐煤、气煤、气肥煤和无烟煤在不同氧化温度下气体及自由基的变化规律,宏观和微观相结合来揭示煤自热低温氧化规律。研究结果表明：煤低温氧化过程中,煤被氧化分子侧链断裂,产生气体与自由基,生成的CO,C 2H 4标志性气体生成量随温度增加而增加,相应地自由基浓度也随氧化温度的增加而增加。煤被氧化生成CO,C 2H 4标志气体量与自由基浓度呈阶段性规律：低温氧化蓄热阶段,CO气体生成量小或未出现CO气体,此时自由基浓度变化小;从开始出现CO至出现C 2H 4气体的氧化自热阶段,CO生成量随氧化温度缓慢增加,而自由基浓度也逐步增加;从出现C 2H 4至出现H 2气体的深度氧化阶段,CO和C 2H 4生成量随氧化温度增加而快速增加,自由基浓度随氧化温度增加而增幅变小。     

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。     

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。     

不同氧浓度下煤自燃CO生成规律研究

采用煤自然发火气体产物分析模拟实验装置对阳泉五矿8132工作面煤样进行煤自燃实验研究,对比在送入氧气浓度分别为20.9%、10.0%、7.0%的情况下,煤样在自燃氧化过程中CO的生成规律;实验发现:煤样氧化温度在180℃之前,CO的生成规律与煤氧化温度呈近似指数关系;氧化温度超过180℃后,煤样进入激烈氧化阶段,CO浓度快速升高,无规律,但氧浓度对其影响明显。不同供氧浓度在煤样进入激烈氧化阶段前对煤样升温的影响不大,进入激烈氧化阶段后,供气氧浓度为20.9%时,煤温出现高低波发展,而氧浓度为10.0%、7.0%时煤温仍持续快速升温。     

自燃煤层放顶煤开采采空区“三带”划分研究

针对采空区遗煤氧化升温导致火灾现象，采用现场实测方法，研究采空区O₂、CO、CH₄浓度以及温度变化特征，结合遗煤氧化升温特性，对采空区发火趋势进行了预测。研究结果表明：当工作面推进超过80 m时，煤体已经充分压实，氧气浓度降低制约遗煤氧化升温反应，采空区进入窒息带，CO浓度稳定在18×10^-6;CH₄浓度变化随推进距离呈现连续增长趋势，略有下降后逐渐稳定，由工作面中部向两侧巷道纵向递减，最大CH₄浓度为1.15%;采空区各测点达到温度峰值呈现滞后性，工作面中部测点温度出现峰值时间早于回风巷早于进风巷，最高温度不超过21.2℃;采用氧浓度指标法确定氧化升温带为42.8 m,工作面最小安全推进速度0.658 m/d,在正常回采期间不会发生遗煤自燃现象。     

不同反应条件对煤中自由基的影响

为了探讨不同反应条件对煤中自由基的影响,根据煤炭自燃的自由基反应机理,利用电子自旋共振（ESR）测谱仪,研究了煤在破碎、低温氧化和紫外光照射过程中自由基浓度的变化. 结果表明,破碎、低温氧化和紫外光照射等不同反应条件均能诱发煤中自由基的形成,影响煤中自由基的浓度. 煤破碎越小,煤中自由基浓度越大;氧化温度越高,煤中自由基浓度越大,当氧化温度超过125 ℃后,煤中自由基浓度显著增大;同一氧化温度下,氧化时间越长,煤中自由基浓度越大,但增加的速度较慢;煤中自由基对紫外光极其敏感,在开始光照的30 min和撤除光照后的5 min内,煤中自由基浓度变化最快.      

松散煤体低温氧化放热强度的测定和计算

根据煤低温自然火实验台测定的温度场变化和传热理论,推导出计算不同温度松散煤体低温氧化放热强度的热平衡法;由实验测定的气体浓度变化量,推算出不同温度时煤氧复合的耗氧速率、ＣＯ和ＣＯ２产生率;结合煤氧复合过程的键能量变化量,得出低温氧化放热强度的键艰算法,确定其上限和下限,为煤自燃特性的定量分析及自然发火预测提供了理论依据。     

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。     

煤自燃过程温升特性及产生机理的实验研究

为了研究煤在自燃过程中会出现温度上升突然加快所产生的原因,为煤矿现场煤炭自然火灾的防治工作提供理论依据,采用绝热法、程序升温法对北皂褐煤氧化过程中自热升温特性、耗氧、CO,CO2气体产物特性的研究,提出煤的氧化过程具有分阶段性,主要可以分为2个阶段:低温缓慢氧化阶段和高温快速氧化阶段;并采用原位傅里叶红外光谱实时连续地采集了北皂褐煤表面主要活性官能团在氧化过程中的变化规律。实验结果表明:煤的分阶段特性主要是由于OH的反应导致的,OH反应吸热是低温阶段热量难以积聚的主要原因,当OH反应消耗殆尽时,煤中热量迅速积聚,煤温迅速升高。     

煤自燃过程指标气体产生规律的系统研究

煤自燃过程指标气体广泛用于煤自燃情况的判定。利用程序升温对煤进行低温氧化的方法,对煤自燃过程指标气体产生规律进行系统研究和分析,发现煤低温氧化过程指标气体产生的主要规律有:不同指标气体开始出现的温度不一样;同一种指标气体在不同氧化活性的煤体中出现的温度不同;各种指标气体产生速率随温度上升而增大。并利用煤自燃过程产生自由基和逐步自活化反应的机理对煤自燃过程指标气体产生规律进行了科学合理的解释。     

CO_2浓度对煤低温氧化影响的试验研究

采用程序升温试验装置,通过模拟煤炭低温氧化自燃过程的升温条件和环境,利用黄岩汇矿煤样在不同CO2浓度条件下进行程序升温试验,研究了不同浓度CO2对煤低温氧化(160℃以下)过程的影响规律。结果表明:温度160℃条件下,CO2浓度和温度对煤自燃惰化性能影响较大;温度100℃以上时,CO2对煤的惰化作用得到明显体现;体积分数50%以上CO2对煤氧复合惰化作用较明显。     

基于CO浓度的煤低温氧化反应机制实验研究

论文利用实时监测反应装置,模拟采空区遗煤在低温下的氧化过程。发现采空区CO释放速率随氧化时间的增加表现出明显的阶段性,并利用数据拟合方法找出CO的产生速率与时间的函数关系式。同时,通过实验对比研究证实,CO的释放速率除了受到氧气浓度和煤体表面活性位点的影响外,主要还是由于煤氧化产生抑制反应的氧化产物。     

基于动力学的煤低温氧化机理研究

利用恒温反应实验装置,研究了煤低温氧化行为。根据CO2和CO气体解析过程特性,提出了煤低温氧化的两条途径,分别通过计算其反应活化能验证了这两条机理的存在性。研究了这两条机理在煤低温氧化过程中的不同的温度阶段所发挥的作用。结果表明:生成CO2的活化能很低,煤低温氧化很容易进行;CO的生成对温度有较高的敏感性。在温度低于70℃时,吸附途径在低温氧化过程中起主导作用,煤低温氧化主要生成CO2;当温度高于70℃时,燃烧途径起主导作用,煤低温氧化会产生大量CO。     

抚顺西露天矿长焰煤高温氧化自燃特性实验研究北大核心

为了研究抚顺西露天矿矿坑内煤自燃氧化特性,在物理性质测试的基础上进行了原煤的自燃氧化特性实验研究,得到了30~600℃高温氧化过程中的宏观自燃特性及其表征参数,并应用标志气体的增长率分析法确定出露天矿长焰煤高温氧化的特征温度点。结果表明:抚顺西露天矿原煤样品含水率含硫量均较低,挥发分高达42%,煤样比表面积较大,微观结构显示大孔和介孔占95%以上,为煤氧化合反应提供了有利的条件;低温氧化阶段氧气体积分数和耗氧速率变化平缓,200℃以后急剧变化,析出的CO和CO_(2)体积分数呈现指数级增长;CH_(4)、C_(2)H_(4)、C_(2)H_(6)、C3H8体积分数随温度的变化规律相似,即在低温阶段都比较小,随着温度的升高缓慢增大,大约350℃之后均迅速增大至峰值。实测煤样临界温度75℃、干裂温度120℃、活性温度195℃、增速温度240℃以及燃点温度315℃,煤样中挥发分含量高导致临界温度较为提前,但燃点温度较常规偏低。热分析实验结果表明:DSC和放热过程可划分为4个阶段,煤样放热量达到了4714 J/g;自由基浓度与温度成递增关系,活性温度时的浓度相较临界温度阶段增长了约50%,燃点温度时自由基浓度达到了临界温度时刻的2倍,自由基活跃会更加促进煤氧化合反应。     

易自燃煤低温氧化过程中表面活性反应分析

为了从微观层面上探寻易自燃煤体低温氧化过程中表面活性基团的反应机理,基于低温氧化模拟实验平台,采用FTIR技术,分析煤体低温氧化过程中官能团反应特性。实验表明:随着煤体氧化温度的升高,-OH相对峰强度持续减少了67.04%,在氧化温度100℃时开始缓慢减少,C=O相对峰强度先减少后增加,氧化温度80℃后进入快速增加阶段,C-O相对峰强度变化不大,-COOH相对峰强度先减少后增加,氧化温度80℃后进入快速增加阶段。含氧官能团在氧化温度80℃时存在一个明显的拐点,得到80℃是煤体低温氧化的容许最高温度。     

硅化作用对煤低温氧化特性参数的影响规律北大核心

为研究硅化作用对煤低温氧化特性参数的影响,采用电镜扫描技术,分别对硅化煤与非硅化煤进行扫描电镜试验,观察其孔隙结构的差异;并利用煤自燃程序升温试验系统进行试验测试,得到不同温度下2种煤样低温氧化特征与标志气体变化规律,在此基础上分析其在低温氧化进程中不同温度下的耗氧速率。结果表明:硅化作用使煤体孔隙变大,比表面积增加,一方面有利于气体在煤体中赋存,另一方面煤体与氧气的复合反应更充分,硅化煤更容易氧化自燃;硅化煤氧化过程中生成的标志气体体积分数始终高于非硅化煤,且在温度升高至110℃以后,2种煤样气体产物体积分数差异逐渐变大,可能是因为硅化作用使煤体及其分子结构产生物理化学变化,导致硅化煤更容易氧化裂解;硅化煤的耗氧速率和CO生成速率始终高于非硅化煤,说明硅化作用增强了煤的低温氧化特性。     

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...     

神东北部矿区水浸煤自燃标志性气体产生规律

采用煤自燃氧化程序升温实验,对水浸煤自燃标志气体产生规律进行了研究,对比分析了不同含水率水浸煤与原煤CO产生率、CO_2产生率、CH_4产生率、C_2H_4浓度、C_2H_6浓度、耗氧速率随温度的变化规律,发现在低温氧化阶段,水浸煤中水分的存在降低了原煤开始快速氧化的温度点,对煤自燃具有促进作用,水浸煤CO和CO_2气体产生率、耗氧速率高于原煤;在快速氧化阶段,水浸煤中水分的蒸发对煤自燃具有阻碍作用,水浸煤CO和CO_2气体产生率、耗氧速率低于原煤;在加速氧化阶段和高速氧化阶段,水浸煤中的水分与煤分子官能团结合生成含水络合物,提高了CO和CO_2气体产生率,以及耗氧速率,同时阻止烷烃和烯烃类气体的产生,降低了C_2H_4和C_2H_6气体浓度;在煤自燃氧化过程中,水浸煤中水分的存在,降低原煤中CH_4气体吸附量,水浸煤CH_4产生率低于原煤。结果表明,含水率对煤自燃氧化过程中的标志性气体产生规律具有明显的影响,经水浸泡的神东北部矿区12煤比其原煤更容易氧化自燃。