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。     

采用绝热式自燃测试方法分析煤的自燃倾向

对煤的自燃倾向进行快速有效鉴别,有助于对煤的自燃倾向采取分级分类管理从而有效防治煤矿火灾,因而采用绝热式自燃测试方法对煤的自燃倾向进行准确分析很有必要。简要介绍绝热式自燃测试方法的测试原理及其仪器结构,模拟煤炭自燃的物理过程,通过采用包括反应器、气体预热铜管和跟踪温度控制方式等综合绝热措施以实现300 g煤样的自然发火实验,记录煤样从40℃上升到70℃的升温速率(或前30 h的升温速率),测试煤样的自燃特性曲线并分析曲线特征。即建立煤绝热氧化产热速率计算模型,结合实验数据计算所得的煤在绝热氧化条件下的升温速率和产热速率可鉴定煤自燃倾向性的强弱。采用绝热式自燃测试方法对不同煤的自燃倾向分析后表明,无烟煤和部分烟煤的自燃倾向较低,褐煤的自燃倾向较高,故而在煤矿开采时需特别注意褐煤的自燃倾向。     

蒙西侏罗纪煤层自燃机理参数测定分析研究

为了准确分析我国蒙西地区煤层自燃机理、剖析煤炭自燃微观特性,采用煤的工业分析、静态吸氧量以及程序升温实验方法,研究煤中水分、挥发分、灰分、耗氧量、煤质有机气体等生成速率对煤层自燃倾向特性的影响规律。与石炭纪煤样对比表明:侏罗纪煤层自燃倾向性与煤样中的水分、挥发分含量呈正相关,而与灰分含量呈负相关;侏罗纪煤样静态吸氧量均超过0.70 cm3/g,且高于石炭纪煤样;约130℃处始,侏罗纪煤样CO、CO2生成速率分别为0.08、0.1 t/℃,CH4来源于煤体本身,温度升高至120℃生成C2H6气体、150℃时生成C2H4气体,低温氧化阶段蒙西侏罗纪煤氧化复合作用更加剧烈。     

煤自燃过程中活化能计算实验研究

自燃倾向性反映了煤自燃的难易程度,是反映煤由最初的吸氧生热到开始加速氧化这一变化过程的过程量,而活化能恰恰是一个可以衡量该过程难易程度的过程指标。采集了佳瑞煤矿15#煤层煤样,采用差示扫描量热仪进行了不同煤样粒径、不同升温速率和不同氧气浓度下的煤低温氧化热分析实验。根据Arrhenius方程,分析了煤氧化反应的特点,推导出了煤低温氧化过程活化能计算方法。依据该方法计算了不同实验条件下的煤低温氧化的活化能。实验结果表明:煤样粒径越小,煤的活化能测算值越小,越易着火,即自燃倾向性增大。升温速率越大,煤样的活化能测算值越大;煤的活化能随着氧气浓度的减小而增大,即自燃倾向性减小。     

基于活化能指标研究不同变质程度烟煤的自燃倾向性

为了研究以活化能指标判定不同煤的自燃倾向性,选取了4种不同变质程度烟煤煤样,通过煤自燃性升温实验,并结合公式计算得出不同温度时刻煤样氧化的耗氧速率;运用化学反应动力学原理计算出煤样的表观活化能。研究结果表明:以表观活化能表征煤自燃倾向性,在其他条件相同的情况下,若不同变质程度煤样的指前因子变化不大,则变质程度越高,煤表观活化能越大,煤越不易自燃;若不同变质程度煤样的指前因子变化较大,则需要综合考虑指前因子和表观活化能来判断煤自燃倾向性。煤的指前因子越大且表观活化能越小,表征煤越易自燃;反之,煤的指前因子越小且表观活化能越大,表征煤越不易自燃。     

基于等转化率法的煤氧化自热动力学参数测试方法

准确获得煤氧化自热过程中的反应动力学参数是研究煤自燃及其特性的基础。针对现有方法尚无法获得煤自燃不同反应温度对应的动力学参数这一问题,开展了煤氧化自热动力学参数测试方法的研究。基于热分析动力学理论推导得到了以转化率为纽带的煤氧化自热动力学参数计算模型,提出了多升温速率实验和恒温实验相结合的测试方法。为确定测试方法的最优参数,引入了煤氧化自热反应时间作为对比参量。采用绝热氧化测试装置和同步热分析仪开展了3种不同变质程度的干燥煤样在纯氧条件下的绝热氧化实验、多升温速率实验以及恒温实验。根据多升温速率实验结果,分析了升温速率对煤氧不同反应阶段整体质量变化量的影响,确定了煤氧化自热动力学参数测试的最大升温速率。在此升温速率范围内,依据推导的计算模型,对比分析了不同升温速率组合和转化率计算步长对动力学参数计算结果的影响,发现转化率计算步长主要影响动力学参数计算结果的疏密程度,而升温速率组合对动力学参数计算结果的影响不大。根据绝热氧化实验结果,综合考虑测试时间成本,确定了获得煤氧化自热动力学参数的最优实验和计算参数,并对其准确性和适用性进行了验证。结果表明:当升温速率组合为0.2,0.5,1.0,2.0℃/min,转化率计算步长为0.03时测试得到的煤氧化自热动力学参数与实际最为贴近。     

煤自热低温阶段“自限制”特征的理论与试验研究

为深入分析煤自燃特性,以有效减少煤矿内因火灾,根据气固反应动力学相关理论,提出外部环境允许条件下煤氧反应低温阶段温度也并非始终"加速上升",在一定时期会内出现"自限制"特征,基于此,对颗粒煤低温绝热条件下的反应步骤进行分析,推导出考虑界面效应的煤低温绝热氧化升温理论模型,然后根据4个不同变质煤样的绝热氧化试验结果进行论证。结果表明:煤颗粒的绝热氧化反应前期,温度随时间不断增长且升温速率随试验的进行而加快,呈类指数分布特征,但后期中低变质煤升温速率随试验进行开始逐渐减慢,服从半抛物线趋势变化;随着变质程度的提高,煤低温绝热氧化反应"自限制"温度有向高温方向偏移的趋势,极大升温速率逐渐降低;低温绝热氧化升温过程可分为物理吸氧放热升温阶段、自由加速升温阶段、受限减速升温阶段和全面反应阶段,其中受限减速升温阶段主要是由于"氧化层"界面作用产生,实际自燃状态分析中应注意该效应的影响。     

新疆和丰沙吉海矿区主采煤层自然发火特性研究

为了研究新疆和丰沙吉海矿区主采煤层自燃氧化特性,利用程序升温氧化试验装置,研究了不同煤样自燃临界温度、煤自燃特征气体浓度随温度的变化规律,根据试验数据,计算了各煤样不同氧化阶段的温度耗氧速率和放热速率。研究表明:沙吉海矿区煤层不同升温氧化阶段耗氧速率可分为2个阶段,所确定的煤层自燃氧化规律,可为判定煤层自燃氧化的临界温度提供依据。     

煤的自燃倾向性新分类方法

应用热重分析仪实验研究了神东矿区不同层位和不同工作面煤的自燃特性，结果表明：煤氧化燃烧过程分为3个阶段,即升温失水失重阶段、升温增重氧化阶段、升温燃烧失重阶段.对应3个阶段的活化能分别为失水活化能、着火活化能和燃烧活化能.着火活化能是指从增重开始到增重结束转为失重的拐点处阶段的活化能，以煤的着火活化能判定煤炭的自燃难易程度的新方法.着火活化能越小煤样越容易自燃，着火活化能越大煤样越不易自燃.     

煤二次氧化的自燃特性实验研究

为了研究不同程度的预氧化对煤二次氧化的影响,采用程序升温试验装置先对2组煤样分别进行不同程度的预氧化,再与未做任何处理的原煤样共同程序升温至170℃。结果表明:预氧化温度越高,煤样生成C2H4和C3H6所需温度越低;通过对低温氧化阶段煤分子活化能的计算,得出预氧化170℃的煤样自燃倾向性最强;预氧化75℃的煤样,最大放热强度和耗氧速率大幅度提高,且超过预氧化170℃的煤样及原煤样。     

采用快速氧化实验研究大同煤的自燃特性

采用辅助热源外加热实验装置,得到了煤样快速氧化的温升速率、耗氧速率、一氧化碳以及二氧化碳气体生成速率；根据实测的自燃过程特性参数,将煤低温氧化过程分为潜伏期阶段和自热期阶段.潜伏期阶段氧气消耗量较少,自热期阶段会生成大量的一氧化碳和二氧化碳气体.在低温氧化过程的2个阶段,分别确定出煤氧化的耗氧速率计算表达式,得到了煤低温氧化过程的动力学参数活化能和指前因子.     

煤特征参数与氧元素关系的实验研究

为进一步揭示煤自燃内部因素对煤自然发火的影响,基于热重实验分析,得出了6种煤样在10℃/min升温速率下的特征参数值(活化能、吸氧量、特征温度点、自然发火期)与氧元素的关系。实验结果表明:随着煤氧元素的增大,煤自然发火期越短,而煤吸氧量则呈现先增大后减小的趋势,煤的活化能、燃烧特征温度点则越小。该实验结果指出煤的吸氧量与氧元素含量并非成正比,而是存在一个最佳浓度值,且氧元素并不是影响煤特征温度点大小的唯一因素,还可能与其他因素相关,为此有必要进一步研究煤内部因素对煤自燃的影响。     

煤自燃特性的油浴程序升温实验研究

煤自燃严重威胁着煤矿的安全生产,研究煤的自燃特性,掌握煤自然发火规律,对预测和预防煤层自燃火灾具有重要的理论指导意义。采用油浴程序升温实验系统,分别对亭南煤矿和白胶煤矿不同粒度煤样进行程序升温实验,根据煤样氧化后出口气体浓度的变化分析,得出了不同煤样的耗氧速率、放热强度、气体产生速率等参数和与煤样温度的对应变化关系。通过分析计算,确定出了亭南煤样和白胶煤样的自燃临界温度,最后得出了煤样粒度对自燃临界温度的影响关系。     

自然发火实验测定煤低温氧化活化能

煤低温氧化活化能是分析煤自燃特性的重要指标。文章提出了利用可加热的小型自燃发火实验台测定煤低温氧化活化能的方法。利用该方法测试了不同自燃倾向性、不同粒度范围煤样的低温氧化活化能,并研究了动态吸氧量、粒度与活化能之间的关系。运用自然发火实验可以准确测定实际煤体的低温氧化活化能,测试结果符合实际的煤低温氧化特性,可以较好地表征煤自燃倾向性。     

煤矸石绝热氧化的失重阶段及特征温度点分析

为研究煤矸石绝热氧化过程的具体失重阶段和失重特征温度点,采用综合热分析仪研究了不同工况下氧气浓度和升温速率对煤矸石绝热氧化进程的影响。实验结果表明:煤矸石在不同工况下的绝热氧化失重过程可划分为4个阶段,即外在水分失水失重阶段、内在水分失水失重阶段、挥发分燃烧失重阶段和固定碳燃烧失重阶段。在同一氧气浓度（20%）下,随着升温速率的提高,煤矸石绝热氧化的TG曲线向高温区偏移,4个阶段的特征温度点（起点、中点、拐点和终点）随升温速率的增大而线性增大,挥发分和固定碳燃烧失重阶段的最大燃烧速率呈增大趋势,但各个阶段的质量变化基本相同。在同一升温速率（10.0 ℃/min）情况下,随着氧气浓度的提高,煤矸石绝热氧化的TG曲线向低温区偏移,外在水分和内在水分失水失重阶段的特征温度点（起点、中点、拐点和终点）和失重质量基本不受氧气浓度增大的影响,挥发分和固定碳燃烧失重阶段的特征温度点（起点、中点、拐点和终点）随氧气浓度的增大而降低。     

采空区氧化-升温耦合模拟相似准则及传热相似性研究

氧化升温规律是衡量采空区内自燃的重要指标。使用相似材料在室温下进行采空区升温规律相似实验是制约采空区温度场实验发展的瓶颈。根据采空区氧化升温耦合数学模型,导出了保证温度场相似比为1的相似准则,研制出了一种与煤氧化机理相似度极高的自热型相似材料,并通过DSC-TG联用实验和程序升温实验,对相似材料的放热特性、耗氧特性、活化能的变化及其与煤的传热相似性进行了实验研究。研究表明:相似材料与煤的氧化机理相似,且在室温下就开始放出大量的热,放热量可以达到煤的4.5倍,耗氧速率是煤的120倍,添加自热材料使得煤的活化能降低了20~30 k J/mol。相似材料在动态采空区实验中的应用结果表明,采空区升温规律实验值与模拟值及实测值基本吻合,可以从氧化升温耦合的角度对采空区升温规律进行模拟研究。     

高地温环境对煤的自热危险性影响分析

为确定高地温环境中煤的自热危险性,进行了不同初始氧化温度的煤绝热氧化实验。结果表明:初始氧化温度升高,煤绝热氧化温升到70℃所用的时间(t70)大大降低,且煤阶越高,t70值受初始氧化温度的影响越大。随着地温的升高,煤的自燃倾向性增大,会由不易自燃煤变为自燃煤。地温升高导致初始氧化时即有大量的原生活性基团参与反应,继而产生更多的次生活性基团,微观反应序列的强度增大,宏观上表现为放热速率明显增强,绝热氧化时间缩短,自热危险性增大。     

多元硫化物对煤体微观形貌和自燃特性影响的研究

为了研究井下多元硫化物对煤体微观形貌和自燃特性的影响,分别测试了不同含硫量煤样的真密度、孔隙率、微观形貌和吸氧量等参数。结果表明:煤样孔隙率随含硫量的增大而增大;原煤样加入FeS2和FeS,使表面细微颗粒物增多;经氧化升温,块状煤体破碎成若干细颗粒,促进了煤的自燃;FeS对促进煤的低温吸氧和缩短煤的自然发火期的作用略大于FeS2;在相同煤温条件下,CO产生量随硫含量的增大呈先增大后减小的趋势,硫含量分别为3%和4%时,CO和C2H4的产生量最大。     

鑫安煤矿复杂地质构造3号煤自燃规律研究

选取鑫安煤矿同一煤层不同地质构造区域煤样为研究对象，利用红外光谱分析各煤样氧化官能团的变化；利用热重实验，分析了煤氧复合过程，得到了煤样自燃过程中的特征温度及规律。红外光谱表明，不同地质构造条件下煤的氧化活性基团峰值变化规律，断层及地应力作用下化学活性键较活跃；热重实验结果表明，自燃氧化初期在断层及应力场处煤样的氧化活性和挥发性活跃，易被氧化失重；进入后期加热燃烧阶段，受地应力作用的煤样进入燃烧阶段温度点升高，失重百分比增加；煤层自燃倾向性差异受地质构造影响，同一煤层，相同工作面，不同地质构造区域煤层自燃倾向性不同，自燃氧化过程也有差异。