西山矿区不同煤种低温氧化时热动力学参数研究

针对数值模拟过程中因煤自然发火导致瓦斯爆炸所需的重要基础数据不足,在试验室借助热重试验研究不同煤种质量和放热量的变化规律,得到不同煤样发生低温氧化时的温度区域。通过管式炉程序升温和色谱仪开展不同煤样产生气体分析试验,确定在不同温度时管式炉出口不同气体的含量,得到耗氧速率、CO与CO2生成速率、放热强度与温度变化规律。试验结果证明:着火温度与煤的变质程度成正比关系,煤的变质程度越高,发生低温氧化时温度区域越宽;温度相同时,煤的耗氧速率、CO与CO2生成速率、放热强度与变质程度成反比,变质程度较差的煤,更加容易发生自燃;CO产生速度高于CO2产生速度;随着温度的升高,耗氧速率、CO与CO2生成速率、放热强度指数关系升高;放热强度与耗氧速率成线性关系。试验结果可用于煤发生自燃时的数值模拟和预测火区发生瓦斯爆炸危险性。     

供风量对褐煤自燃特性参数影响的实验研究

为研究煤自燃时期生成气体对诱发瓦斯爆炸的影响,选取瑞安煤业4^#煤层褐煤为实验煤样,通过管式炉程序升温和色谱分析仪研究供风量为40、120、200 mL/min时对煤自燃时期生成气体的影响,得到不同温度条件下管式炉出口O2、CO、CO2气体摩尔浓度,并计算了褐煤低温氧化阶段耗氧速率、气体生成速率和放热强度与煤样温度之间的关系。结果表明:随着温度升高,煤样的耗氧速率、CO生成速率、CO2生成速率、放热强度与温度之间均呈指数关系变化;煤样的耗氧速率与放热强度呈线性递增关系,相同耗氧速率下,当供风量为120 mL/min时放热强度最大,当供风量为200 mL/min时放热强度最小。     

不同变质程度烟煤的自燃极限参数对比分析

为了掌握不同变质程度烟煤的自燃极限变化规律及特征,通过煤自燃程序升温试验,首先得到了3个不同变质程度烟煤的O2、CO、CO2随煤温的变化规律,据此计算出煤的耗氧速率和放热强度,然后研究得出了煤自燃极限参数(最小浮煤厚度、上限漏风强度和下限氧气浓度)的变化规律.研究结果表明:与变质程度较高煤样相比,相同条件情况下,煤自燃低温阶段低变质程度煤样的耗氧速率、放热强度和上限漏风强度较高,最小浮煤厚度和下限氧气浓度较小;变质程度接近的煤样,极限参数及其临界点均较接近.研究结果可预测预报煤自燃和固定煤自燃危险区域.     

恒温解吸附煤样低温氧化特性试验研究

为了研究解吸附煤样的自燃特性,运用煤低温氧化试验系统测试了煤样在氮气条件下恒温解吸附及解吸附再次氧化升温特性,分析了解吸附过程的气体产物规律和解吸附煤样的自燃特性参数,研究原煤和解吸附煤样的氧化、放热特性。结果表明:恒温解吸附过程中产生CO、CO_2、CH_4气体,CO_2的气体产生量远大于CO、CH_4,随着箱温温度的升高,气体产量也增大;与原煤相比,恒温30℃和50℃解吸附煤样的耗氧速率、放热强度均小于原煤;在70℃之前,恒温70℃解吸附煤样与原煤的耗氧速率和放热强度相似,在90~110℃之间出现交叉温度点,交叉温度点之前原煤的耗氧速率、放热强度大于恒温70℃解吸附煤样,之后小于原煤,说明不同恒温解吸附过程对煤的自燃特性的影响具有一定的差异。     

预氧化煤自燃特性试验研究

为研究预氧化煤自燃特性参数变化规律,采用程序升温试验研究原煤和预氧化煤的自燃特性。结果表明:与原煤相比,随着温度增加,预氧化至90℃的煤样耗氧速率、CO产生率、CO2产生率、放热强度均大于原煤;随着温度的增加,预氧化至130℃的煤样与原煤的耗氧速率、CO产生率、放热强度曲线的交叉温度为80~90℃,预氧化至170℃的煤样的交叉温度为110~120℃,小于交叉温度时,预氧化煤的耗氧速率、CO产生率、放热强度大于原煤,超过交叉温度后小于原煤;小于80℃时,预氧化至130、170℃的煤样的CO2产生率大于原煤,超过80℃后小于原煤;预氧化煤的最小浮煤厚度、下限氧浓度极值减小,上限漏风强度极值增大;煤的氧化程度越高,自燃极限参数极值变化量越大。     

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。     

水分含量对长焰煤自热反应的影响研究

为解决补连塔矿22煤层采空区煤自燃防治问题,采用程序升温装置对不同含水率煤样进行氧化分析,研究不同含水率煤样耗氧速率、CO和CO_2产生率及放热强度;并推导CO_2绝对生成量与温度之间的关系式,拟合求出煤样临界温度和表观活化能。结果表明:煤样耗氧速率、CO和CO_2产生率以及放热强度随含水率升高先增大后减小,耗氧速率由高至低的含水率为21.55%29.50%13.45%37.56%5.53%,CO、CO_2产生率和放热强度为21.55%13.45%29.50%37.56%5.53%;临界温度随含水率升高先减小后增大,由高至低为37.56%29.50%5.53%13.45%21.55%;水分在临界温度点后对表观活化能影响较为明显,随含水率升高先减小后增大,含水率21.55%煤样表观活化能最低。     

王洼二矿上分层遗煤自燃特性的试验研究

为了掌握王洼二矿5号煤上分层遗煤的自燃规律,通过程序升温实验台对5号煤上分层遗煤与原始煤样的自燃特性参数进行对比研究。研究发现王洼二矿上分层遗煤的耗氧速率、CO产生率、CO_2产生率与放热强度均要大于原始煤样且120℃后更加明显,而上分层遗煤煤样特征温度及生成C_2H_4和C_2H_6气体所需温度均低于原始煤样,说明王洼二矿5号煤上分层遗煤更易发生自燃,危险性较大。     

变氧浓度条件下煤自燃特性参数实验测试

利用煤自然高温程序升温实验台对清水营煤矿煤样在变氧环境下的耗氧速率、气体释放速率及放热强度等自燃特性参数进行测试。测试结果表明:在不同氧浓度条件下,煤样的耗氧速率在不同阶段变化规律不同;在程序升温过程中,CO和CO2气体产生速度可预报煤层的氧化、自燃状况;在不同氧浓度下煤样的放热强度规律也很明显。测试结果为采空区遗煤自燃防治提供了理论基础。     

瓦斯对煤自燃特性参数影响的实验研究

选取原煤样、经过瓦斯解吸处理和通甲烷处理的3种不同瓦斯含量的混合煤样,利用程序升温实验对其自燃特性参数进行实验研究,通过对不同煤温条件下的耗氧速率、CO产生率、CO2产生率及放热强度进行分析,得到了氧化自燃过程中瓦斯对煤氧化自燃特性的影响规律,揭示了瓦斯对煤自燃的抑制作用。     

高地温环境对煤自燃极限参数的影响研究

针对深井高地温环境对煤自燃极限参数的影响问题,利用程序升温实验研究的方法,进行煤样恒温40℃处理后程序升温和常温条件下程序升温的实验设计,研究煤样的自燃特性,计算两组煤样的耗氧速率、CO产生率、CO2产生率和放热强度,得出煤自燃极限参数的变化规律,实验结果显示:处理后升温的煤样耗氧速率、CO产生率、CO2产生率和放热强度均高于常温条件下升温的煤样,煤自燃极限参数中最小浮煤厚度和下限氧浓度值均减小,上限漏风强度值增大,并且变化率随煤温近似呈线性增长趋势,说明高地温导致煤体的氧化放热性增强,更容易蓄热升温,自燃危险性增大。     

风量对煤自燃极限参数影响的实验研究

为了研究不同的风量条件对煤自燃极限参数的影响,采用煤自燃程序升温实验系统,测试了5种不同风量条件下煤样的耗氧速率、CO产生率、CO_2产生率和放热强度,在此基础上计算煤自燃极限参数并分析其变化规律。实验结果表明:不同的供风量导致煤体的氧化放热强度不同,在风量为60 m L/min的情况下煤体放热强度最大;煤自燃极限参数随风量的变化可以分为2个阶段:风量在40 m L/min之前,煤样的最小浮煤厚度和下限氧浓度均随风量的增加而减小,煤样的上限漏风强度随风量的增加而增加。风量在40 m L/min之后,最小浮煤厚度和下限氧浓度随风量的增加近似呈线性增加,上限漏风强度随风量的增加近似呈线性减小,说明在井下开采过程中要注意风量的调节,使煤的自燃极限参数向不利于煤自燃的方向发展。     

低变质程度煤二次氧化自燃特性试验

为了控制复采工作面的自然发火,遏制二次氧化灾害的发生和发展,采用煤自燃程序升温试验系统对选取的榆树井褐煤、玉华长焰煤、安山不黏煤和黄陵1号弱黏煤4种低变质程度煤样进行二次氧化自燃特性试验研究。结果表明:煤自燃氧化反应前期,二次氧化煤样产生的CO浓度、耗氧速率和放热强度等自燃特性参数均高于一次氧化煤样产生的量;而煤自燃氧化反应后期,二次氧化煤样的自燃特性参数低于一次氧化煤样。反应后期裂解产生C2H4,且二次氧化煤样产生的气体浓度小于一次氧化煤样。二次氧化煤样的特征温度点均向前移动,低于一次氧化煤样,说明二次氧化煤样氧化性增强,自然发火的危险性增大。     

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。     

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。     

水分影响高硫煤低温氧化自燃特性参数实验研究

针对我国高硫煤层普遍存在自然发火期短、自燃特性参数不明确、自燃预测、预报难度大等难题,现场采集某高硫矿煤样,配制成不同含水量的水浸高硫煤混合煤样,采用XK型程序升温试验系统测试了高湿环境下煤样低温氧化过程中的耗氧速率、CO生成量、放热强度等煤自燃特性参数。     

煤氧化特性的STA-FTIR实验研究

采用同步热分析-红外联用技术(STA-FTIR),以4种不同变质程度的新鲜煤样为研究对象,从特征温度点、热量变化、逸出气体、氧化反应动力学等多角度分析煤的氧化放热特性及其规律。研究结果表明,随着煤变质程度降低,煤中挥发分含量增高,煤氧化过程特征温度点逐渐减小;各个阶段反应活化能逐渐变小,最大热释放速率和放热量相应增加;同时,氧化过程中所释放的CO,CO2,H2O,CH4等气体的初始温度和峰值温度均呈现出逐渐减小趋势,生成CO量减少,CO2和水量增加;此外,不同煤样在水分蒸发及脱附阶段、吸氧增重阶段的反应机理接近。实验结果说明不同煤样的氧化反应过程具有相似性,变质程度越低的煤,发生氧化和燃烧反应越容易,自燃危险性越高。应根据煤样存储、开采、运输环境,针对初始放热温度较低的低变质煤样,及时采取冷却降温、封堵裂隙、阻化剂阻化等措施预防煤自燃发生和发展。     

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。     

高地温环境对煤自燃危险性影响试验研究

为了掌握高地温环境对煤自燃的影响规律,基于程序升温试验,测试分析了恒温40℃处理后升温煤样和常温条件下升温煤样的自燃特性参数,并利用CO浓度随温度变化求解煤体表观活化能的计算模型,对比分析了2组煤样在不同温度阶段的表观活化能变化规律。试验结果表明:高温处理后升温的煤样耗氧速率、CO产生率、CO2产生率和极限放热强度均高于常温条件下升温的煤样,且随着温度的升高该趋势越发明显,同时,其表观活化能均低于常温条件下升温煤样,尤其在低温阶段差异较大,表观活化能更低,说明高温环境导致煤体氧化放热性增强,氧化反应所需能量更低,同等条件下氧化反应速度更快,更容易氧化升温发生自燃,自燃危险性增大。     

煤氧化产物生成速率与Graham′s Ratio关联性研究

对混合粒径的煤样通入4组不同进气氧浓度的氮氧混合气体,利用自主研发的油浴式煤低温氧化试验系统进行试验。通过检测煤样罐出口气体浓度,计算标准耗氧速率、标准CO生成速率及标准CO_2生成速率,研究标准CO_2生成速率与格雷哈姆系数的变化规律以及两者之间的关系。