抑制煤自燃的脱氧剂耗氧与阻化效果试验研究

为改善阻化剂抑制煤自燃的效果,通过正交试验,配制出由铁粉、氯化物无机盐、硅藻土组成,具有快速耗氧与阻化双重作用的脱氧剂。根据不同配比脱氧剂达到最大阻化率(0.75)和耗氧浓度(5%)时间之和,耦合分析添加不同阻化剂(Na Cl,CaCl_2和MgCl_2)的脱氧剂在快速耗氧和阻化2方面的最佳效果。结果表明,添加NaCl,CaCl_2和MgCl_2三种无机盐的脱氧剂对快速耗氧和阻化的时长促进作用的显著性从大到小为MgCl_2、Na Cl、CaCl_2。因此添加CaCl_2作为阻化剂的脱氧剂抑制煤自燃的效果最好,确定其最佳配比为1.5 g还原性铁粉、0.6 g硅藻土和0.3 g CaCl_2,质量比为5∶2∶1。通过测定脱氧剂作用于不同粒径煤样消耗氧气的快慢与CO产生量,结果显示煤样粒径越大,阻化率越大,耗氧越快,对抑制煤样自燃的效果最好。针对某矿密闭墙距21102工作面300 m氧气体积分数依然高达14%的情况,采用脱氧剂喷洒系统注入脱氧剂,注入后监测到氧气体积分数由14%降低到4%,达到了快速抑制煤自燃的效果。     

复合阻化剂抑制煤自燃的红外光谱实验研究

为研究聚丙烯酸钠—花青素复合阻化剂对煤自燃的阻化效果,选用褐煤和气煤制备阻化煤样进行对比实验。通过傅里叶红外光谱系统对比褐煤和气煤的原煤煤样与阻化后煤样的活性基团变化规律,开展指标气体测试,验证复合阻化剂对煤自燃的阻化效果。结果表明:聚丙烯酸钠—花青素复合阻化剂对褐煤及气煤自燃过程均起到持续抑制作用,在煤自燃的链式循环反应中,阻化剂阻断了煤氧化学吸附过程中过氧化自由基向碳氧双键中间产物的转化反应,使不稳定的过氧化自由基转化为氢过氧化物并进一步分解生成醇和水,使循环反应终止。聚丙烯酸钠—花青素复合阻化剂有效降低了煤的自热氧化能力,在煤自燃氧化的过渡阶段有显著抑制效果。     

氯盐阻化剂抑制煤初次和二次氧化特性的实验研究

为了研究阻化剂对煤样初次与二次氧化特性的影响,选用KCl、Ca Cl2、Mg Cl2和Na Cl等4种常用阻化剂对原煤样和初次氧化煤样分别进行处理,通过程序升温实验,研究阻化剂对煤的两次氧化过程自燃特性的影响程度。研究结果表明:阻化剂对初次氧化煤样的阻化率影响较大,对二次氧化煤样的耗氧速率影响较大,对两种煤样自燃的临界温度均有较大的提高;阻化剂对煤的初次氧化和二次氧化过程均有较好的阻化作用,对初次氧化煤样的阻化效果更明显;4种常见的氯盐类阻化剂对煤样两次氧化过程阻化能力大小的排序均为Mg Cl2Ca Cl2Na ClKCl。     

化学阻化剂防治煤自燃及其阻化机理分析

为分析化学阻化剂防止煤自燃的阻化机理,选用质量分数为1%～20%的过硫酸钠阻化剂对煤样进行化学阻化处理,同时用清水处理的煤样作为参考。采用程序升温氧化法对煤样进行模拟氧化试验,从宏观上分析阻化前后煤样自燃特性的变化;用傅里叶红外光谱仪对煤样进行测试,从微观上分析阻化前后煤样主要活性基团的变化规律。综合分析得出：在低温阶段使用质量分数为5%的过硫酸钠阻化剂效果最好。过硫酸钠阻化剂可以促使煤中活性基团生成比较稳定的醚类、烷基类、羧酸类,可以有效防治煤自燃。     

钠盐微胶囊制备及其阻化性能研究

微胶囊包裹技术可以保护芯材并使芯材缓慢释放。为提高盐类阻化剂阻化效果,基于微胶囊包裹技术,采用融化分散冷凝法制备出微胶囊阻化剂;优选出常温下吸湿率最低的壁芯比,利用程序升温实验系统对添加不同质量分数阻化剂的不黏煤进行阻化性能测试。结果表明：随着添加微胶囊阻化剂质量分数的增大,煤样耗氧速率和CO释放速率先降低后增加,且在质量分数为15%时阻化效果最优;110℃时达到最大阻化率83%,整个温度范围内的平均阻化率为67%;相同质量分数下微胶囊阻化剂的阻化性能优于钠盐阻化剂;微胶囊阻化剂壁材在煤样升温过程中吸收热量,相变熔融后包裹在煤样表面并缓慢释放出芯材,能在煤温较高时保持优良的阻化效果。     

CEPPA抑制煤自燃热动力学研究

为了研究有机磷系阻化剂2-羧乙基苯基次膦酸(CEPPA)对煤自燃的抑制效果,采用同步热分析仪进行热重实验,对比分析原煤样和4种浓度CEPPA阻化煤样的煤自燃特征温度点,各浓度阻化剂均可提高煤自燃氧化过程中的特征温度点(活性温度和燃尽温度等),当CEPPA阻化剂浓度为20%时阻化效果最佳。CEPPA阻化剂的加入,使煤自燃的最大释热功率温度显著提高,降低了煤自燃最大释热功率,抑制了煤自燃过程中热量的释放。动力学分析结果表明,阻化煤样的表观活化能在煤自燃氧化3个阶段较原煤均增加,且在受热分解阶段增加量最大为31.34 kJ/mol。因此,CEPPA阻化剂可在煤自燃氧化全过程起到抑制作用。     

复合阻化剂抑制煤自燃的热重动力学实验研究

为研究聚丙烯酸钠-花青素复合阻化剂对煤自燃的阻化效果,选用褐煤和长焰煤制备阻化煤样,并与原煤和常规阻化剂CaCl_2溶液处理的煤样进行对比。首先通过煤自燃倾向性氧化动力学测试实验对比原煤煤样与阻化后煤样的70℃出口氧浓度与交叉点温度(CPT)。其次开展热重动力学实验,选取特征温度点进行分析,并基于4种升温速率下煤氧化自燃过程3个阶段的热重数据,利用Starink模型等转化率法求解动力学参数。结果表明:聚丙烯酸钠-花青素复合阻化剂对褐煤及长焰煤自燃过程起到持续抑制作用,阻化后煤样自燃氧化动力学判定指数I大幅下降,高温下阻化效果显著优于CaCl_2溶液,具有较好的温度适应性。阻化煤样自燃过程的低温氧化阶段、吸氧增重阶段及着火阶段的表观活化能值均相应提高,煤氧复合放热反应活性大幅降低。     

次磷酸盐对煤自燃的阻化特性实验研究

为了探究次磷酸盐阻化剂对煤自燃氧化的抑制特性,制备了原煤样以及浓度分别为15%、17%、20%的次磷酸钠、次磷酸铝阻化煤样。采用程序升温氧化实验、阻化率计算和同步热分析实验,分析了次磷酸盐阻化剂对煤自燃过程中CO生成的影响,确定了各磷酸盐阻化剂的最佳浓度,分析了其抑制煤自燃氧化的热失重特性及放热特性。结果表明:次磷酸盐阻化剂能够抑制煤自燃过程中CO的生成,其最佳阻化浓度均为20%;次磷酸盐阻化剂可显著提高煤的着火温度、燃尽温度等特征温度点,其中次磷酸钠阻化剂的阻化效果优于次磷酸铝阻化剂。此外,次磷酸钠阻化剂能够显著提高煤自燃初始放热温度和最大释热功率温度,降低煤自燃最大释热功率和总放热量。     

2-羧乙基苯基次膦酸抑制煤自燃特性研究

为了研究2-羧乙基苯基次膦酸(CEPPA)对煤自燃特性的影响,制备原煤样及阻化剂浓度分别为5%、10%、15%、20%的阻化煤样,采用程序升温-气相色谱仪联用试验,对比分析了4种不同浓度阻化煤样在自燃氧化过程中生成的CO浓度随温度变化曲线,得到最佳阻化剂浓度。结合同步热分析试验,对比分析原煤样和最佳阻化煤样的热失重特性及放热特性,分析CEPPA的阻化效果。程序升温氧化试验结果表明:加入浓度为15%的CEPPA的煤样在升温过程中CO浓度最小,此浓度抑制煤自燃效果最佳。同步热分析试验结果表明:浓度为15%的CEPPA可提高煤自燃的特征温度(干裂温度、着火温度和燃尽温度等),最佳阻化煤样的DSC曲线的拐点处数值明显滞后,总放热量较原煤减少104.83J/g。     

植酸抑制煤自燃的热分析试验研究

煤中的金属元素对煤自燃氧化具有明显的催化作用,含磷化合物作为１种重要的环境友好型阻化剂受到广泛关注.基于此,选取含磷量较高且具有金属螯合能力的生物基植酸作为阻化剂,选用３种不同浓度的植酸溶液,采用ICPＧMS测试植酸对煤样中金属元素的螯合作用,并对原煤和阻化煤样进行热重 差热联用(TG/DTGＧDSC)试验,分析植酸的阻化效果.结果表明:植酸可有效螯合煤中 Ca、Fe、Mg、Mn等促进自燃的金属元素,浓度越高螯合效果越明显;植酸液体推高了煤失重过程中的特征温度点,尤其提高了煤样自燃过 程 中 动 态 平 衡 阶 段 的 温 度,活 性 温 度 点 提 高 了２０．５℃,同时不同程度提高了初始放热温度、放热速率最大温度,对最大放热量有着明显的抑制效应,且植酸浓度越高,阻化效果越好,说明植酸降低了煤的氧化反应活性,抑制煤对氧的化学吸附,从而延缓了煤的自燃.研究结果可为具有螯合作用的含磷化合物抑制煤自燃的研究和推广提供借鉴.     

煤特征放热强度的实验研究

通过煤自燃程序升温实验,测定出煤体的耗氧速度、CO和CO2的产生率,采用键能平衡法推算煤体的最大和最小放热强度,并通过与相关大型煤自然发火实验结果的关联分析,建立了煤体实际放热强度与最大和最小放热强度的函数关系,提出了表征煤体低温氧化放热性且仅与煤体破碎程度和氧气浓度有关的综合指标——特征放热强度.然后根据不同粒度和入口氧气浓度不同条件下程序升温实验的结果分析,得出表征煤体自燃性的强弱——煤体特征放热强度与粒度和入口氧气浓度的实验关系式,从而为定量判定不同条件下煤体自燃性的大小提供理论依据.     

复合型煤炭自燃阻化剂的制备及性能研究

为了开发出环保高效的无机—有机复合型煤炭阻化剂，通过先添加3%的聚丙烯酸酯乳液在煤体表面形成一层有机高分子覆盖膜，然后与10%的水滑石混合，在其表面形成一层吸水隔热层，以两步法制备得到聚丙烯酸酯-MgAl水滑石复合阻化剂，并研究了其热解特性及阻燃性能。TG-FTIR试验证明，新型阻化煤样的TG特征温度显著提高，并能够抑制氧化燃烧过程中H₂O、CO₂以及CO的释放，阻化性能试验证明其阻化率及阻燃稳定性得到显著提高。可见两步法制备的聚丙烯酸酯—水滑石煤炭阻化剂发挥无机阻化剂与有机阻化剂的协同作用，能够应用于煤炭自燃的阻燃领域。     

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。     

煤自燃影响因素权重的灰色关联度分析

基于灰色关联理论,建立了斜率关联度改进模型,以70℃作为煤自燃实验过程高低温段的分界点,定量研究了不同煤种自燃实验高温段和低温段各影响因素与煤耗氧速率之间的关联度,并以此作为衡量各因素对煤自燃影响的指标。结果表明:在高温段,挥发分和孔隙率是煤自燃最主要的影响因素;在低温段,氧浓度的影响最大,水分和灰分的影响最小。     

基于“O”型冒落及耗氧非均匀采空区自燃分布特征

从采空区自燃温度场计算角度,研究了基于“O”型冒落压实及耗氧非均匀性采空区自燃分布特征。建立了采空区非线性渗流-多组分气体-温度场和非均匀耗氧的数值模型,该模型考虑了矿井通风和工作面推进的动态变化;给出一种按“O”型圈压实分布来描述顶板岩层冒落的模型表达式;考虑到灌浆、灌注水、喷洒阻化剂和局部风流变化等导致采空区耗氧非均匀性,构造了阻化后耗氧非均匀0-1随机变化模型;模拟结果中表明（显示）,尽管区域耗氧存在波动,阻化后的采空区整体耗氧能力在下降,表征温度有所降低,CO分布区域大大缩小,模拟结果符合现场实际情况。研究指出采空区耗氧非均匀性模型,能够解释实际采空区自燃升温的突变性和因素多变性的影响过程,成果对于工作面后方采空区遗留煤的防灭火工作起到了辅助指导作用。     

易自燃煤层静态吸氧量影响因素实验研究

为了控制易自燃煤层自然发火问题,采用ZRJ-1型煤自燃倾向性测定仪,分别就粒度、温度以及孔隙发育3种因素对静态吸氧量影响规律展开研究。结果表明：煤层静态吸氧量随粒度增大先增加,粒度为35～60目达到最大吸氧量,随后减小|随温度升高静态吸氧量先增加后减小,100℃时最大|大孔和中孔是煤孔隙体积主要构成,孔隙比表面积占比约10%,在升温氧化过程中对吸氧量影响较小,而过渡孔和微孔孔隙比表面积占比分别为75%和15%,对吸氧量影响大。     

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。     

Dynamic mathematical model and numerical calculation method on spontaneous combustion of loose coal

Through the experiment of coal spontaneous combustion and relationship particle size with oxidation character of loose coal, some calculation formula of characteristic parameters is got in the process of coal spontaneous combustion. According to these theories of porous medium hydrodynamics, mass transfer and heat transfer, mathematical models of air leak field, oxygen concentration field and temperature field are set up. Through experimental and theoretical analysis, 3-D dynamic mathematical model of coal spontaneous combustion is set up. The method of ascertaining boundary condition of model is analyzed, and finite difference method is adopted to solve 2-D mathematical model.