浅谈煤的着火温度测定方法

笔者在2002年<煤质技术>增刊中看到煤科总院煤炭分析实验室施玉英同志的<煤的着火温度测定方法的研究>一文.在此也谈谈自己的一点感受.     

煤自燃过程孔隙结构变化规律试验研究

采用氮吸附和压汞试验联合研究了煤的孔隙结构在自燃过程中的变化。实验数据表明200℃前不同温度煤的最可几孔径均为5 nm,区别主要表现为随着温度的升高煤中小于10 nm的孔越来越多。200℃~300℃煤的最可几孔径激增到350 nm。在煤自燃过程中孔隙率不断升高,比表面积先升高后降低,渗透率先降低再急剧升高然后又降低,密度不断降低,各参数与温度之间的关系可用多项式表达,均方差均大于0.998。     

神府煤孔隙特征及活性结构对自燃的影响研究

利用压汞法和傅立叶红外光谱分析技术,对研究较少的神府煤样进行了测试与分析。结果表明,孔隙结构会影响煤样自燃的难易,但并不能以此判断煤样是否易燃,还要取决于煤表面活性结构的种类和数量;煤氧复合反应中,早期参与反应的活性基团主要有羟基、甲基、亚甲基及酚醇醚酯的碳氧键等活性结构;含氧官能团在SW煤样的氧化过程中起了较大的作用,说明活性结构在煤氧反应中影响较大,其中含氧官能团在煤炭自燃过程中起着关键性作用。     

水分对煤孔隙结构及自燃特性的影响研究现状

概述了近些年国内外学者关于水分对煤孔隙结构及自燃特性的影响研究现状,并以水分对煤孔隙结构、氧化性和放热性的影响3个方面进行了综述分析.研究表明:水分对煤自燃有双重作用——促进作用主要体现在水分增大了煤孔隙结构或羟基、羧酸等易与氧气反应的基团增多,苯环中C-H基团等抑制煤氧反应的结构减少,从而加强了煤氧复合反应;抑制作用...     

煤的着火温度测定仪的试验

介绍了煤着火温度测定仪的技术条件,该仪器测定煤炭着火温度精密度高、数据准确。对比试验结果表明,可替代经典的空气膨胀法。     

基于交叉点温度法的煤自燃临界温度测试方法

 为了快速测试煤的临界温度做好煤矿防灭火的指导工作,提出了一种基于交叉点温度测试的煤自燃临界温度测试新方法。实验采用中国矿业大学自主研制的煤氧化模拟实验系统,对精选的典型煤样进行测试,结果表明：基于交叉点温度测试得到的临界温度与绝热氧化法所测结果基本一致,且实验周期短,单个煤样测试时间在不超过四个小时,证明利用交叉点温度测试获取煤自燃临界温度是一种可行的、快捷的方法。     

基于BP神经网络的煤自燃温度预测研究

为了研究煤在氧化升温过程中CO、CO2、CH4、C2H6、C2H4等气体对温度的反馈作用,并通过各气体的数据准确预测煤自燃的温度。以赵楼煤矿为背景,采集部分煤样,放入煤自然发火实验炉中,通过数控程序系统,模拟煤自然发火时的漏风强度和供氧量,收集指标气体和温度等相关数据。采用气体成分分析法和神经网络算法建立BP神经网络预测模型,选取CO、CO2、CH4、C2H6、C2H4气体浓度作为神经网络的输入层,煤温作为输出层,设置8个隐含层神经元对煤自燃情况进行预测。结果表明：经过训练后,预测温度与实际温度基本吻合,误差控制在0～0.00065,该预测模型的建立对于矿井煤自燃早期预报有着极其重要的指导意义。     

煤自燃特征温度与微观结构变化及关联性分析

煤自燃灾害严重威胁了矿井的安全生产,掌握煤自燃微观基团和特征温度之间的关联性对煤自燃灾害的防治具有积极作用。为确定不同变质程度煤自燃过程中特征温度和煤微观结构的变化及相互联系,利用热重试验和傅里叶红外光谱实验分别测试了4种不同变质程度煤样自燃过程中的质量变化特性和微观结构,采用皮尔逊相关系数法确定了2者之间的联系。结果表明：随着变质程度的增大,煤中的芳香烃和脂肪烃含量增加,含氧官能团含量减少,3种类型的基团中含量最高的基团分别为C=C,—CH₃和—OH。变质程度高的煤失重曲线和特征温度逐渐向高温区移动,且各特征温度间的间距增大。煤自燃特征温度会随着芳香烃含量的增加而增加,随着含氧官能团含量的增加而降低。芳香烃含量越大,煤自燃越难发生,而含氧官能团则恰好相反。皮尔逊相关系数计算结果表明,随着温度的升高,正相关系数最大的官能团分别为C—H,C—H,C—H,取代苯,C=C和C=C,负相关最大的官能团分别为COO—,COO—,C—O—,COO—,—OH和—OH。整体而言,C—H与特征温度之间正向相关性最大,而COO—则与特征温度呈最大的负相关。特征温度的变化与最大官能团的...     

煤的微观孔隙结构对其自燃倾向性的影响

为了考察煤的微观孔隙结构对其自燃倾向性的影响,选取气煤、肥煤和焦煤煤样为研究对象,通过压汞试验测量得到不同煤样的微观孔隙分布数据,结果分析表明:直径小于100 nm的孔隙分形维数在2~3内,煤样微观孔隙具有良好的分形特征,满足分形理论描述多孔介质的微观孔隙分布特性。通过煤自然发火模拟系统,对气煤、肥煤和焦煤煤样进行升温氧化模拟试验,并绘制煤样升温氧化过程中气体产物浓度随温度变化的曲线,试验结果显示了煤微观孔隙结构与其自燃倾向性的关系:煤样的变质程度越高,其内部结构越致密、内生裂隙相对较少,发生氧化反应的温度也越高。     

煤自燃过程中自氧化加速温度研究

基于静态耗氧实验、热分析实验及红外光谱实验结果,结合煤低温氧化阶段的宏观耗氧放热规律及微观活性基团含量变化,对煤的化学动力自氧化加速温度进行了探讨。基于静态耗氧实验结果所得的活化能变化规律显示,随温度升高,煤氧复合的活化能逐渐减小,较高温度时出现负活化能,标志着煤氧复合反应进入自发反应阶段;利用补偿效应推导了等动力学温度点T iso的计算公式,得到实验煤样的T iso为127 ℃。在T iso附近,煤中还原性强的基团急剧减少而含氧基团快速增加;另用热重-差示扫描量热TG-DSC实验结果计算得到在T iso附近活化能达到最低。微观结构变化和宏观放热特征证实了计算所得T iso与煤自氧化加速点的相关性,认为可将等动力学温度点T iso视为煤从低温缓慢氧化进入自活化反应阶段的临界点,即自氧化加速温度点。     

煤低温氧化结构变化规律与煤自燃过程之间的关系

为了更深入地认识煤自燃的发生和发展过程,利用红外光谱对煤在不同氧化温度情况下的结构变化进行了测试,煤中大部分官能团随氧化温度上升其数量不断减少,这些官能团均是还原性较强的基团,是与煤中主体芳环连接的活性结构.与此同时,醛、酮、酯类羰基、芳香酮、醛类羰基等类含氧基团或者从无到有,或者官能团数量不断增加.煤体中不同结构具有不同的氧化活性,不同结构需要不同的温度条件才能够发生明显的氧化反应并释放相应的热量,由此可以得出：煤自燃过程是因为煤结构中不同官能团（活性结构）由于活化需要的温度与能量不一样,先被活化而发生氧化反应的官能团释放能量使其它需要更高活化温度和能量的官能团活化而进一步与氧发生反应释放更多能量,不同官能团依次分步渐进活化而与氧发生反应的自加速升温过程.     

金属离子螯合剂抑制煤自燃试验研究

煤自燃火灾是井下常见的灾害之一,影响煤自然发火的因素有很多,煤中过渡金属离子就是其中之一,但以往的研究更多是侧重于金属离子螯合剂在热力学等方面的影响,而煤中过渡金属离子形成螯合物后,其对煤自燃影响的相关研究还相对较少,为探究金属离子螯合剂抑制煤自燃的效果,将5种金属离子螯合剂溶解于去离子水中,制备质量分数为5%的金属离子螯合剂溶液。随后将煤样和金属离子螯合剂溶液按照质量比4∶1充分搅拌,得到阻化煤样。采用程序升温-气相色谱试验、孔隙结构试验、红外光谱试验,分析加入螯合剂后指标气体CO的浓度变化,螯合剂螯合过渡金属离子后对孔隙结构的影响与螯合煤中过渡金属离子前后煤中活性基团的含量。结果表明：经金属离子螯合剂处理后的煤样CO首次产生的温度点均有推迟,且产生量较原煤减少,金属离子螯合剂可以达到抑制煤自燃的效果;金属离子螯合剂与煤中过渡金属离子可以形成以配位键连接的螯合物,这些螯合物可减小煤的比表面积与孔隙、孔体积的大小,使煤氧复合反应降低;同时分析红外光谱试验结果发现,形成螯合物的过渡金属离子失去催化能力,难以催化煤中甲基—CH3、亚甲基—CH2-与羧基—COOH的转化反应,使煤中官能团能在...     

火成岩侵蚀对煤自燃特性及其结构的影响

为探究火成岩侵蚀对煤自燃特性及结构的影响规律,以陕西、辽宁区域两煤矿同工作面原生煤及火成岩侵蚀煤为研究对象,采用程序升温试验、红外光谱分析、低温氮气吸附和压汞实验,分别从宏观和微观角度对煤的氧化特性、自燃极限参数、活性官能团含量以及孔隙结构特征进行分析。结果表明：火成岩侵蚀增大煤的自燃风险,会提升煤体内部的气体流通性,火成岩侵蚀煤体具有更高的氧化活性;此外,火成岩侵蚀改变煤层赋存条件,增大煤层开采难度,提高采空区内漏风强度,延长采空区“氧化升温带”遗煤的氧化时间,从外部影响因素层面提升煤炭的自燃风险;火成岩侵蚀改变煤自身结构和煤自燃外部环境因素,加剧了侵蚀煤层的自燃风险。     

采用热重分析法研究煤自燃过程的特征温度

采集兴隆庄矿煤样,分别选取不同的升温速率、氧浓度、粒度等试验条件进行热重分析(TG),得出了75条相应的TG和热重微分(DTG)曲线,通过分析得出了煤自燃过程的7个特征温度,并确定出了相应的温度范围,为研究煤自燃氧化提供了具体的依据。     

基于灰色关联理论的煤自燃氧化预测模型研究

简单描述了灰色关联理论的分析原理和分析步骤,并对指标气体进行定性分析。结合定性分析的结果,计算出煤炭氧化自燃过程中每个反应阶段内指标气体与煤体温度之间相互对应的关联度值。同时把该关联值当做选择煤炭自燃程度预测指标的量化依据,挑选出可靠度最高的预测指标。并对得到的最优指标和温度之间的关系用Origin软件进行多项式和指数函数拟合优化,使用拟合相关性系数最高的指数函数建立了煤自燃氧化早期预测模型。     

原生煤与构造煤孔隙结构的压力响应特征

为模拟原生煤和构造煤在煤层中的加压和解吸后的性能,实验选取原生煤赵庄3#原生煤和阳泉二矿8#煤构造煤,利用BSD-PH全自动高压气体吸附分析仪进行甲烷气体逐梯次加压到10 MPa,然后开始解吸甲烷气体到大气压,再抽真空处理。处理后的样品,利用Tristar II比表面仪进行低温氮实验研究煤孔隙结构。结果表明：（1）原生煤和构造煤在加压后,均发生孔隙结构变化,原生煤比构造煤的抗压能力强。（2）加压后,原生煤和构造煤最可几孔径均有往后移动的趋势,表明压力会影响孔径大小。（3）原生煤吸附性能较好,构造煤吸附性能稍次,甲烷解吸后,原生煤孔隙结构影响较小,构造煤孔隙结构易受到破坏。研究成果可为构造煤层气开采及煤矿瓦斯突出防控提供一定的依据。     

对国标《煤的着火温度测定方法》的补充建议

判定煤的着火温度较为困难,导致实验过程返工率较高.以云南省高灰分煤为例,通过摸索和试验,在国标GB/T 18511-2001规定的总原则下,适当调整试样质量、试剂用量、试样粒度等实验条件,能提高燃爆点观测、捕捉的准确性.     

构造煤与原生结构煤孔隙结构及瓦斯解吸特征对比研究

为了研究构造煤的孔隙结构对瓦斯解吸特征的影响,选取了发耳煤矿和青龙煤矿的煤样,进行了压汞试验和瓦斯解吸试验,对构造煤和原生结构煤的孔隙结构及解吸特征进行了对比分析,结果表明:原生结构煤中的大孔和中孔的孔容含量约占总孔容的12.81%～12.19%,构造煤中的大孔和中孔的孔容含量约占总孔容的69.85%～82.15%,原生结构煤和构造煤的孔比表面积占比较高的都是微孔和小孔,表明构造煤结构变化主要体现在大孔和中孔的孔容占比增加;构造煤的初期瓦斯解吸速度和瓦斯解吸量明显大于原生结构煤,主要原因是构造煤的大孔和中孔的孔容含量增加,使瓦斯有了更多的渗流通道和储存空间,增加了瓦斯解吸速度。