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。     

氧化煤低温氧化特性及演化规律

为了探究氧化煤的低温氧化特性及演变规律,采用程序升温实验系统,对平煤八矿煤样分别预氧化至60 ℃、90 ℃、120 ℃、150 ℃、180 ℃、210 ℃时通入N₂绝氧降温形成的氧化煤,进行低温氧化程序升温实验;为进一步揭示不同灭火条件下形成的氧化煤低温氧化行为特征,对煤样预氧化至120 ℃时,通入3种不同体积分数N₂灭火后形成的氧化煤,开展低温氧化程序升温测试,测定这两类氧化煤低温氧化过程耗氧速率、标志性气体(CO、CO₂)产生率以及放热强度的变化规律。结果表明:氧化煤的耗氧速率、标志性气体产生率和放热强度均小于原煤;预氧化至90 ℃煤样的自燃特性参数更接近原煤,说明预氧化至临界温度的煤更易发生复燃;而预氧化至120 ℃时通入N₂的体积分数越高,这类氧化煤的自燃特征参数越接近原煤,说明通入N₂体积分数越高的煤复燃能力越强。因此,开采近距离煤层群、复采工作面以及启封火区等区域的煤体时,应防范其发生复燃。     

煤低温氧化CO与CO2的同位素指标研究

煤自燃火灾是矿井生产过程中的重大灾害之一，对矿井安全生产存在巨大威胁；煤自燃是一个复杂的氧化过程，要经历不同的氧化阶段，故要建立相应指标来判断不同的煤氧反应阶段。利用程序升温-气相色谱联用实验，分析了长焰煤自燃氧化过程中标志气体随温度变化规律，依据升温氧化实验数据，将煤自燃划分为4个阶段；以φ(CO)/φ(CO₂)和第三火灾系数R₃作为辅助指标，对煤氧反应阶段进行划分；同时通过检测低体积分数CO、CO₂中氧同位素的丰度值，得到气体产物中δ¹⁸O(氧同位素值)随温度变化的规律，并以δ¹⁸O为指标，根据δ¹⁸O变化规律将煤自燃划分4个阶段。     

N2和CO2对煤明火燃烧灭火性能的对比实验研究

为掌握N₂和CO₂对煤明火燃烧过程的不同灭火效果,采用自主研制的煤明火燃烧实验装置,对平煤八矿煤样进行了通入相同流量N₂和CO₂气体灭火剂的煤明火燃烧灭火实验,测定了在煤有焰燃烧和阴燃熄灭阶段的温度场温度、标志性气体(O₂、CO和CH₄)组分、热释放速率以及火焰图像面积的变化规律。结果表明:相比于煤自由燃烧,在煤有焰燃烧阶段,通入CO₂时明火火焰熄灭时间、煤温上升速度、耗氧量、热释放速率以及CO和CH₄浓度的下降速度比通入N₂时更低;同时,通入CO₂时火焰图像面积呈指数下降,而通入N₂时呈线性下降;在煤阴燃熄灭阶段,通入CO₂时煤温、CO和CH₄浓度下降速度比通入N₂时的更高,而通入CO₂时的耗氧量和热释放速率比通入N₂时的更低;说明CO₂比N₂具有更好的熄灭煤明火燃烧的能力。     

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。     

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。     

不同瓦斯浓度条件下弱黏煤低温氧化动力学参数研究

为研究采空区内部不同瓦斯浓度条件下弱黏煤低温氧化特性及动力学参数变化规律，采用煤自燃程序升温实验系统测试分析了不同瓦斯浓度条件下弱黏煤低温氧化过程中气态产物随温度变化规律，并计算得到弱黏煤低温氧化过程中的极限参数及活化能。结果表明：CO可以作为弱黏煤自燃防控的主要预测指标气体，C₂H₄和第二火灾系数R₂可以作为预测弱黏性煤自燃程度的辅助指标；不同瓦斯浓度煤样的极限参数的最值都分布在60～85℃的温度范围内，与煤自燃临界温度比较相近；随着甲烷体积分数从0增加到4%时，弱黏煤表观活化能呈现出逐渐上升的趋势，分别增加了35.061、18.426、25.837 kJ/mol。     

瓦斯对煤自燃过程中官能团演变的影响

为了探究瓦斯与煤自燃复合灾害演化过程中瓦斯对煤自燃进程的影响机制,以煤体内部化学官能团作为指标变量,基于正交实验设计及分析方法,分别研究了煤自燃过程中CH₄浓度、O₂浓度、N₂浓度及氧化温度对煤体内部不同种类官能团的影响规律。实验结果表明:与—CH₂—/—CH₃、C—H或—OH等其他官能团相比,—COOH与煤体氧化程度的线性拟合相似度最高,能够准确地反映煤体氧化进程。煤自燃过程中CH₄对—COOH占比的影响可分3个阶段进行,CH₄浓度＜6.0%时,CH₄有助于—COOH等官能团的氧化消耗,且浓度增加激励作用更为显著;6.0%＜CH₄浓度＜13.6%时,CH4仍起到促进作用,但促进幅度逐步降低;CH₄浓度＞13.6%时,CH₄起到抑制作用,且随着浓度的增加抑制作用逐步加剧;相较于N₂,低浓度和中浓度时CH₄对—COOH消耗的促进效应更强,高浓度时对—COOH消耗的抑制效应则更弱。     

空气湿度对煤自燃特征参数及热效应的影响研究

为了考察不同湿度条件对煤自燃过程参数及热效应的影响，搭建了湿度可调的精密型空气发生装置，并与煤自燃程序升温氧化装置联用，测定煤自燃过程指标性气体的释放规律；利用热分析设备定量表征不同空气湿度条件下煤自燃热量释放规律；结合数值模拟方法探究空气湿度对煤自燃过程热效应影响。结果表明：通入潮湿空气可显著提高煤样耗氧速率，促进CO和CO₂的生成，空气湿度对煤自燃过程热效应呈现出阶段性特征；水分在刚接触到煤体时，短时间内会释放大量的吸附热，促进煤体升温；空气中水分参与煤自燃体系热效应主要通过水的吸附热、煤氧反应热、热对流和热传导4个途径，其中吸附热和导热传热起到主导作用。     

气化灰渣凝胶制备及其对煤自燃阻化性能研究

针对凝胶防灭火技术现场使用成本高,难以大范围使用等问题,以廉价的煤化工固废料-气化灰渣作为基料,并添加羟丙基甲基纤维素凝胶剂(HPMC),制备出一种新型气化灰渣凝胶材料。同时,以褐煤为研究对象,借助煤自燃程序升温-气相色谱联用实验和FTIR傅里叶变换光谱仪,比较分析CaCl₂阻化剂、气化灰渣凝胶的煤自燃阻化性能。结果表明:随煤温不断升高,CaCl₂阻化剂和气化灰渣凝胶的煤样中CO与C₂H₄释放体积分数明显低于原煤,且CO抑制率在煤温110℃时分别达到46%、67.5%;气化灰渣凝胶可使30~200℃温度范围内的煤氧活化能增长25.2%;气化灰渣凝胶能够显著降低C-O、C=C官能团含量,有效阻断自由基链式反应,其阻化性能更佳。     

青岗坪煤矿自然发火标志气体来源研究

为优化顶板含油煤层自然发火预测预报标志气体指标体系，采用现场取样和实验室检测方法研究了青岗坪煤矿采空区内气体的来源，确定了煤层原生气体和含油顶板气体的具体成分。研究结果表明:青岗坪煤矿42016工作面采空区内CO来源于采空区遗煤的低温氧化，煤层原生气体与油气成分中都含有C₂H₆，但都不含有C₂H₄、C₂H₂，烯烷比（C₂H₄/C₂H₆）与链烷比（C₃H₈/C₂H₆）均不适合作为判断青岗坪煤矿自然发火进程的指标。     

羊场湾矿2号煤层自燃指标气体及其阈值研究

为研究羊场湾煤矿2号煤层自燃预测预报指标体系，采用程序升温方法测试了不同粒径实验煤样在氧化过程中气体产生规律，确定了煤样自燃的气体指标及其临界值。结果表明:CO/CO₂值可以作为煤自燃低温阶段的主要指标，ΔCO/ΔO₂值为辅助指标，C₂H₄在煤温达到90 ℃后出现，可以作为煤自燃进入高温阶段的指标气体，ΔCO/ΔO₂值可以作为煤自燃高温阶段指标。研究结果为羊场湾煤矿2号煤层自燃预测预报及主动防控提供了依据。     

红阳二矿12号煤层标志性气体实验研究

针对红阳二矿12号煤层遗煤氧化的规律与特点，有效地进行防灭火工作，掌握采空区中遗煤氧化的速度，对红阳二矿12号煤层进行了煤样升温氧化实验，在温度不断升高的过程中检测出CO与多种烯烃气体，并且在不同温度下煤体析出气体的速度不同，最终选择CO、C₂H₄、C₂H₂作为标志性气体，产生的临界温度分别为59、176、403 ℃。在采空区检测出CO气体，说明采空区遗煤进入快速氧化阶段；检测出C₂H₄气体时，遗煤进入剧烈氧化状态；检测出C₂H₂气体时，说明采空区中已经产生明火，井下人员需要迅速撤离。通过煤体标志性气体的确定，建立12号煤层自燃预警系统，保证井下工作人员的生命安全与能源的充分利用。     

活鸡兔井田延安组煤层地球化学特征与沉积古环境研究

通过对活鸡兔井田钻孔岩心的采样和测试分析，查明延安组煤层显微煤岩特征、物理化学性质、煤灰成分等，采用煤层CIA和ICV方法对物源区风化程度和沉积过程进行分析，采用碳氮比(C/N)方法对成煤植物类型进行判别，采用镜/惰比(V/I)、元素比值等方法对其古沉积环境进行了恢复。研究结果表明：延安组煤具有水分低、灰分低、挥发分中等、含硫特低的特点，煤层中氧化物主要为SiO₂、Al₂O₃、CaO、Fe₂O₃、SO₃等，煤层矿物物源区化学风化作用程度中等，沉积物未经历物质的再循环过程，成煤植物来源主要为湿润气候条件下发育的裸子植物体；延安组沉积期古气候较潮湿，主要为低位泥炭沼泽沉积环境，古水体较浅，呈半咸水的水体环境，古生产力较高，有利于煤炭的聚集和成煤演化；从延安组沉积早期(5煤组)到延安组沉积晚期(1煤组),煤系地层主要发育湖泊三角洲平原沉积体系，古气候主要为温湿、半湿润气候，水体古盐度中等，主要为半咸水相，古氧化相为弱还原环境。     

高位钻孔抽瓦斯与压注CO2防灭火一孔两用技术

采空区瓦斯与遗煤自然发火耦合极易诱发瓦斯爆炸。结合唐口煤矿现场条件,分析了煤层瓦斯涌出规律及采空区自然发火特性,采用高位钻孔抽采瓦斯及压注液态CO₂防治采空区煤自然发火一孔两用技术。结果表明:高位钻孔抽采瓦斯能使回风隅角和回风流的瓦斯浓度分别降低到0.05%~0.10%和0.10%~0.15%;监测束管CO平均浓度由原来的4.2×10^-6降低到1.8×10^-6,O₂浓度由原来的18.5%降低到11.5%,压注液态CO₂能有效杜绝采空区煤炭自燃;回风隅角未再出现瓦斯超限现象,上隅角对应采空区氧气浓度不高于5%,应用效果良好。     

采场覆岩两带与采空区自燃三带相关关系研究

为研究采煤工作面覆岩两带（冒落带、裂隙带）与自燃三带（散热带、窒息带、氧化带）的关系，通过建立覆岩运移模型，应用CDEM软件模拟分析了试验工作面采动空间上覆岩层两带的扩展过程，分析垂向方向覆岩两带分布对水平方向上垮落煤岩堆积状态的影响情况。通过现场埋管实测的手段以及氧体积分数法进行了采空区煤自燃三带的划分。研究表明，冒落带高度稳定情况下，采煤推进距离（48 m）与采空区散热带和氧化带的分界线（进风侧采空区以里50 m左右，回风侧采空区以里40 m左右）有较好的吻合关系。裂隙带高度稳定情况（顶板150 m处的岩层最大下沉值趋于基本稳定）下，采煤推进距离（126 m）与采空区氧化带和窒息带的分界线有较好的对应关系。