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。     

氧气体积分数与升温速率对弱黏煤燃烧特性的影响

采用热重实验研究氧气体积分数和升温速率对弱黏煤燃烧特性的影响,通过分析TG/DTG曲线得出样品的特征温度和反应速率,基于样品的特征温度和反应速率计算得到样品的燃烧特性参数。研究结果表明,改变氧气体积分数和升温速率对煤的着火温度影响不大,主要对煤的燃烧阶段产生影响。提高升温速率会延长煤的氧化反应历程,使煤各特征温度升高,并且增大煤的氧化反应速率;提高氧气体积分数会缩短煤的氧化反应历程,使煤各特征温度降低,并增大煤的氧化反应速率。在煤的氧化过程中,改变氧气体积分数和升温速率都能对煤的特征温度和燃烧特性参数造成影响,但氧气体积分数对他们的影响要大于升温速率造成的影响。     

煤自燃过程中耗氧速率与放热强度的时空变化规律

为研究煤自然发火过程不同区域的动态发展规律,使用大型煤自然发火模拟实验台测试松散煤体在恒风量条件下从常温至140℃的自燃氧化过程,分析了耗氧速率和放热强度在时间及空间上的变化规律。结果表明：松散煤体自燃过程温度随煤体高度的变化在不同温度阶段趋势差异较大,高温点由煤体中上部位置向着进风侧方向移动;不同煤体高度耗氧速率与时间呈现指数增长,且耗氧速率和放热强度随着煤体高度的高温点的运移规律相吻合。75℃前后煤体呈现缓慢和快速增长分阶段特性;松散煤体进风口的放热强度逐渐增强,温度超过75℃后,不同煤体高度的放热强度随时间增长逐渐增长。     

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。     

基于煤火发展演化的松散煤体自燃温度纵深蔓延特征

针对现有对松散煤体自然发火温度场运移特点试验装置的不足,根据实际松散煤体燃烧特点,自主设计研发了煤火发展演化模拟实验系统。选取陕西省咸阳孟村煤矿煤样为研究对象,利用该装置模拟松散煤体燃烧过程,分析松散煤体燃烧过程中高温区域的分布及纵深移动规律,再现松散煤体从着火至燃烧最后燃尽过程中高温区域的蔓延过程,剖析温度区域迁移机制,分析高温区域关键点氧气体积分数变化规律。结果表明,在松散煤体燃烧过程中,煤样体系温度变化尺度随着时间的增加先上升后下降,试验运行600 h后,整体燃烧室降至环境温度;试验过程中松散煤体高温区域集中于煤火发展演化模拟实验装置中部以及西侧部分;高温区域纵深移动方向呈现非线性规律;高温区域在纵深蔓延过程中关键点温度呈依次降低的趋势,且下降到极限氧体积分数(1%～3%)的时间与其达到燃点温度时间相近;温度下降阶段,高温区域关键点在同层测点中下降趋势最慢;随着纵向深度增加,高温区域关键点燃点温度与峰值温度对应的时间差呈指数形式增长,关键点从燃点到达峰值的温度增长速率基本呈线性下降;高温区域关键点氧气体积分数快速下降阶段所经历的时间随着纵深的增加逐渐增大。研究成果可为煤堆、遗煤、...     

高温下煤吸附氮气后氧化特性变化的实验研究

矿井自燃火区注氮气灭火时发现,煤体的温度仍会在高温中维持一段时间,高温下煤样对氮气的吸附影响着煤氧化自燃特性。以锡盟褐煤为研究对象,将煤样分别在200℃下吸附氮气6、12、18 h,通过分析实验煤样的气相产物及氧气消耗,煤氧化表观活化能以及煤孔隙结构参数的变化,研究吸附氮气后煤样的氧化特性。实验表明,煤样经过高温吸附氮气的处理后,气相产物的释放量均高于原煤;高温吸附氮气降低了煤氧化活化能,吸附氮气时间越长,活化能值越低;处理后煤的孔平均直径、孔隙率与渗透率均高于原煤,增加了煤氧反应速率,加快煤氧反应进程。     

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。     

遗煤连续耗氧下供风量对采空区自燃的影响

为提高矿井防治采空区遗煤自燃的能力,文章探究了不同供风量对自燃危险性及最低安全推进速度的影响。以雁南矿I0130101综放工作面为研究对象,由束管监测得到采空区气体体积分数参数,通过封闭耗氧实验测得采空区遗煤不同氧气体积分数下连续的耗氧速度,分析确定其窒息(临界)氧气体积分数。利用FLUENT软件通过编写采空区遗煤耗氧速率的UDF控制程序,对该采空区流场进行不同风量的仿真模拟,得到不同的自燃氧化带宽度。结果表明：工作面风量1 200 m³/min时(实际风量),自燃氧化带宽度120 m,最低安全推进速度2.60 m/d,采空区自燃危险程度低;随着工作面供风量的增加,该工作面采空区自燃氧化带的边界向采空区深部移动且宽度增大、最低安全推进速度也逐渐加大,与风量近似呈现出线性关系,自燃危险程度增加。     

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。     

置于楔形热板上的煤自燃特性数值模拟

基于着火和阴燃蔓延两步化学反应,构建了煤自燃楔形热板模型,考虑了热对流以及热辐射,研究了置于楔形热板上的煤自燃特性.首先进行了模型可靠性验证,之后对楔形热板上的煤样自热温度特性、自热过程的多物理参数的变化以及最敏感点火位置进行研究.研究结果表明:构建的数值模型与实验结果有较好的一致性,楔形热板上的煤样发生热失控的临界温...     

煤自燃全过程高温区域及指标气体时空变化实验研究

煤自燃是煤矿开采过程中诱发瓦斯爆炸灾难的主要安全隐患之一,为了研究煤自燃高温区域的动态变化规律,利用煤自然发火实验炉模拟了煤样从常温至着火点的全过程,全面分析了煤自然发火过程中高温区域、指标气体的时空变化规律,得出：① 在煤自燃过程中,高温点首先出现在低氧浓度分布区,逐步向高氧浓度分布区偏移,即高温点由离进气孔较远的上部逐渐向下部进气孔位置移动。低温阶段,高温点下移缓慢;高温阶段,高温点快速下移。煤体高温点最终停留在约为煤堆高度的3/10处;② 实验中炉内各个区域温度变化差异较大,相应区域指标气体生成速率也随之不同。实验确定了煤自氧化加速点（130 ℃）,当煤体温度达到大约130 ℃时,高温点所处的高度大约为127 cm（煤堆高度的6/10处）,各项指标气体的生成速率v急剧增大,127 cm可作为指标气体生成速率的分界线。分界线之上,v缓慢增大,指标气体产量占总量的比例极小;分界线之下,v急剧增大,指标气体产量所占总量的比例极大。     

利用热重法研究不同氧浓度对煤自燃特性的影响

煤自燃受到多种因素影响,为了研究煤与氧气反应的机理,通过热重(TG)实验测试了褐煤、1/3焦煤和无烟煤在不同氧气体积分数条件下的自燃特性,分析了煤样氧化过程的特征温度、质量损失、热效应及热反应动力学参数.研究结果表明:不同煤阶的煤样对氧气的化学响应特征不同,煤阶越高,越难以发生氧化反应,体现为特征温度增大,放热峰值减小...     

含瓦斯风流条件下煤自燃产物CO生成规律的实验研究

针对高瓦斯采空区漏风流内含有瓦斯的实际情况，自制了含瓦斯风流条件下煤的低温氧化实验系统，按拟定的配气方案开展了低温氧化实验，分析了CO的生成规律。结果表明：随氧气体积分数的降低或甲烷体积分数的升高，CO生成的初始温度滞后，相同温度时CO的生成量减小。因此，用新鲜空气来预测高瓦斯采空区的煤自燃状态，易造成错判、误判。根据气固多相反应动力学原理，分析了化学反应速率变化的原因，从而合理解释了实验结果。     

多场耦合下煤堆自燃过程及影响因素分析

为研究煤堆自燃特征及发火规律,建立了风力和浮力驱动下煤堆的多场（速度场、温度场和氧气浓度场）耦合自然发火模型,并运用COMSOLMultiphysics软件对煤自燃的过程及其影响因素进行了数值模拟分析。研究结果表明：在风速3．6m／h条件下,煤堆自燃最高温度点位于进风侧的煤堆中下部,最终于第65d在此位置开始自燃;随着风速的增大,煤堆自然发火点往风流的下方向迁移,自然发火周期缩短;煤堆孔隙率、高度和角度的减小能延长煤堆的自然发火周期。     

基于大尺寸隔热氧化试验的银洞沟煤矿110201工作面煤自燃特性研究

为了准确研究银洞沟煤矿2^#煤层110201工作面煤自燃特性,采用大尺度煤隔热氧化装置模拟煤自然发火过程中煤体温度变化,确定煤层最短发火期,研究煤氧化过程中的耗氧率、气体产生规律,最终确定该煤层临界温度和标志性气体。结果表明:2^#煤层煤最短发火期为37 d;煤自热氧化分为2个阶段,煤体温度缓慢上升阶段和煤氧化加速阶段,在第2阶段,O₂消耗率、CO生成速率加快,并出现C2H4,从而确定该工作面临界温度为101.6℃,C₂H₄为主要标志气体,CO相对量变化趋势为辅助标志指标。通过大尺度煤隔热氧化实验优选的临界值和标志气体能更加准确地反应煤的自然发火和产气规律,对煤自燃的早期预测预报更加准确。     

最低点火温度条件下煤粉自燃特性试验研究

火电厂及煤化工行业中需要将原煤加工成煤粉,煤粉在制备及输送过程中具有粒度小、环境温度高和供氧条件充分等特点,易发生自燃现象。最低点火温度Tm指在一定条件下煤粉能够发生自燃的最低环境温度,是衡量煤粉自燃危险性的重要参数。因此,研究煤粉在最低点火温度下的自燃特性参数及热动力学行为,对了解在最低点火温度时煤粉自燃行为、建立相应的预警机制具有重要意义。以3种不同变质程度的煤粉(张家卯弱黏煤ZJM、兖州气煤YZ和长治贫瘦煤CZ)为研究对象,采用油浴程序控温试验装置对煤样自燃特性进行测试,确定了3种煤粉的Tm和延迟点火时间ti;得出最低点火温度下各煤样耗氧速率、CO及C2H4产生量的变化规律;采用热动力学分析方法计算了3种煤粉的表观活化能。试验结果表明:①ZJM、YZ和CZ煤粉的最低点火温度分别为120、130、164℃,随变质程度的增加而增加;煤的变质程度越高,内部活性基团数量越少,自燃需要热量更多,导致高变质程度煤的最低点火温度较高;3种煤粉在最低点火温度处的延迟点火时间均约为20 min。②耗氧速率呈现出先增加后缓慢减少的趋势,在试验后期由于氧气浓度较低,引起煤粉氧化反应强度降低,最终导致耗氧速率出现缓慢下降;最低点火温度处的CO产生量随时间呈现出先升高后降低趋势,当煤粉温度约120℃时,产生C2H4。③最低点火温度处ZJM、YZ和CZ煤粉的表观活化能分别为24.33、29.50和18.67 kJ/mol,其中变质程度最高的CZ煤粉的表观活化能低于另外2个煤样,这表明高变质程度煤样的最低点火温度高,初期氧化反应速率较高。     

基于交叉点法的煤自燃低温氧化阶段特性和关键参数

煤炭开采过程中,由煤自燃引起的矿井火灾是煤矿主要灾害之一。交叉点温度法(CPT)是测试煤自燃倾向性指标及温升特性参数的一种实验方法。基于交叉点温度法,通过程序升温测试系统对0.45~0.60 mm粒径的烟煤在氧体积分数分别为20.65%,17.80%,13.62%,10.49%,5.00%和3.00%的贫氧环境中分别进行了升温测试。通过煤体温升速率、炉温与煤温温差特性以及耗氧规律进行分析,结合程序升温过程煤样产热速率特性曲线,将煤自燃低温氧化过程划分为4个阶段:阶段Ⅰ-无反应阶段,阶段II-吸热阶段,阶段Ⅲ-快速放热阶段,阶段Ⅳ-稳定放热阶段。同时通过对煤自燃升温过程能量守恒公式进行归一化处理,加热炉体与煤体温差在阶段Ⅰ和阶段Ⅳ分别为由ατ和(B-1)ατ决定,而在阶段Ⅲ出现交叉点温度必须满足B1这一条件,经对比实验数据契合理论推导结论。     

火成岩侵蚀煤层易自然发火特性及关键致因研究

为探明火成岩侵蚀导致侵蚀煤层自燃特性变化的关键致因,以受火成岩侵入范围广、煤自然发火严重的铁法煤田大兴煤矿为研究对象,采集火成岩侵蚀形成的变质煤和未受影响的原生煤进行研究。本文利用同步热分析仪、煤自燃特性测定装置等测试了煤样的产热升温特性、气体产生规律、微观结构参数的差异。结果表明,变质煤在低温阶段的放热量较原生煤显著提高,交叉点温度降低了13.2℃,更早进入氧化增重阶段;当环境温度超过90℃,变质煤的氧化产热与反应速率急速增加,CO和CO₂等氧化气体产物生成速率显著升高,表明变质煤的氧化活性高于原生煤;火成岩侵蚀煤层的高温高压作用改变了煤体的孔隙结构,导致煤中有机物质热解与挥发,使得变质煤中的微孔和介孔孔容减小、比表面积降低,宏观孔的孔容达到原生煤的3倍,平均孔径和孔隙率显著增大,有利于氧气分子在煤体内部的输送运移与吸附反应,同时变质煤的含氧官能团较原生煤减少,脂肪烃含量由27.98%提高至29.07%,增强了变质煤的氧化活性。此外,火成岩侵蚀活动导致侵蚀煤层开采时漏风加剧、遗煤氧化时间长、氧化带范围广。火成岩对煤层自然发火内在因素和外在因素的影响,导致侵蚀煤层...