浸水过程对长焰煤自燃特性的影响

为揭示长期浸水长焰煤的自燃特性及影响机制,实验研究了长焰煤原始煤样和长期浸水风干煤样的低温氧化特性,分析了长期浸水对煤微观结构、氧化升温过程及活化能等方面的影响规律。研究结果表明:长期被水浸泡煤样的表面孔隙结构更发达,平均孔径、介孔孔容和微孔孔容都有不同程度的增大;同时,浸水煤样表面的部分有机物和无机物会溶解在水中,煤中自由基浓度增加,基团分布与原煤相比存在明显变化;与原煤样相比,经过90,180 d浸水过程后的煤体,低温氧化过程的气体产生量和产生速率更高,交叉点温度由原煤的160.9℃降低至157,151.5℃,活化能分别降低了3.84,4.18 k J/mol,表现出更高的自燃倾向性。研究结果可为西部浅埋藏近距离煤层群开采上覆采空区长期浸水煤的自燃防治提供借鉴。     

水浸长焰煤自燃预测预报指标气体试验研究

为解决补连塔矿22煤采空区长期浸水的遗煤自燃预测预报问题,针对含水煤样自燃预测预报研究较少的问题,通过对5种不同含水率的长焰煤进行程序升温试验研究,分析温度升高过程中的遗煤自热氧化气体产物及其浓度变化规律,对煤自燃预测预报指标气体进行优选。研究结果表明:浸水的遗煤低温氧化具有分阶段特性,在煤样浸水程度不同的复杂情况下,提出以φ(CO)/φ(CO_2)、φ(O_2)/Δφ(CO_2-CO)、φ(C_2H_4)/φ(C_2H_6)以及C_2H_6、C_2H_4和C_3H_8作为煤自燃预测预报指标,并且当φ(CO)/φ(CO_2)≤0.1或φ(O_2)/Δφ(CO_2-CO)≥0.02时,则煤处于吸氧蓄热阶段(30～100℃),当0.8≤φ(C_2H_4)/φ(C_2H_6)≤1.10时,则煤处于自热氧化阶段(100～140℃),当φ(CO)/φ(CO_2)≥0.5或φ(O_2)/Δφ(CO_2-CO)≤0.005时,则煤处于加速氧化阶段(140～230℃)。研究结果对采空区遗煤的自燃防控具有一定的指导作用,结合现场实际情况,及时对参数指标进行修正,完善煤自燃预测预报指标,可有效预防煤自燃灾害事故的发生。     

煤自燃中的各种基元反应及相互关系:煤氧化动力学理论及应用

针对煤结构及其反应的复杂性,在综合分析煤中活性基团种类、结构形式及其在反应中转化特性的基础上,构建了煤自燃中的活性结构单元,采用前线轨道理论和量子化学计算分析了活性位点上的电子转移及其完整反应路径、活化能及放热量,建立了煤自燃过程中的13个基元反应及其反应顺序和继发性关系,揭示了以氧气引发的持续将煤中原生结构转化为碳自由基并释放气体产物的低活化能链式循环的煤氧化动力学过程,提出了煤氧化动力学理论,阐明了煤自燃产热产物的反应机理,该理论在煤自燃倾向性鉴定和煤自燃高效化学阻化技术研究中得到了成功应用。     

硫对煤自燃特性参数影响的实验研究

选取硫含量不同的3种相同煤种在相同条件下进行程序升温实验,对CO、CO2、CH4产生率以及耗氧速率等特性参数进行了研究,从而进一步了解硫对煤自燃的影响,为高硫煤层自然发火防治技术提供理论支持。     

抚顺西露天矿长焰煤高温氧化自燃特性实验研究北大核心

为了研究抚顺西露天矿矿坑内煤自燃氧化特性,在物理性质测试的基础上进行了原煤的自燃氧化特性实验研究,得到了30~600℃高温氧化过程中的宏观自燃特性及其表征参数,并应用标志气体的增长率分析法确定出露天矿长焰煤高温氧化的特征温度点。结果表明:抚顺西露天矿原煤样品含水率含硫量均较低,挥发分高达42%,煤样比表面积较大,微观结构显示大孔和介孔占95%以上,为煤氧化合反应提供了有利的条件;低温氧化阶段氧气体积分数和耗氧速率变化平缓,200℃以后急剧变化,析出的CO和CO_(2)体积分数呈现指数级增长;CH_(4)、C_(2)H_(4)、C_(2)H_(6)、C3H8体积分数随温度的变化规律相似,即在低温阶段都比较小,随着温度的升高缓慢增大,大约350℃之后均迅速增大至峰值。实测煤样临界温度75℃、干裂温度120℃、活性温度195℃、增速温度240℃以及燃点温度315℃,煤样中挥发分含量高导致临界温度较为提前,但燃点温度较常规偏低。热分析实验结果表明:DSC和放热过程可划分为4个阶段,煤样放热量达到了4714 J/g;自由基浓度与温度成递增关系,活性温度时的浓度相较临界温度阶段增长了约50%,燃点温度时自由基浓度达到了临界温度时刻的2倍,自由基活跃会更加促进煤氧化合反应。     

长焰煤燃烧特性热重实验及动力学分析

为了进一步了解和掌握长焰煤的自然发火过程,利用热重—差热同步热分析仪对唐家会矿长焰煤进行热重实验,分析了不同氧气体积分数及升温速率下煤样的TG、DTG曲线、特征温度、DSC、DDSC曲线和热反应动力学参数。结果表明,同一氧气体积分数下,升温速率增大时TG、DTG、DSC、DDSC曲线的变化趋势相同且均向高温侧偏移,而相同升温速率下,氧气体积分数增大时TG、DTG、DSC、DDSC曲线均向低温侧偏移。氧气体积分数分别为6%、12%、18%时,煤样活化能分别为187.65、194.13、200.78 kJ/mol,随氧浓度增大而增大;升温速率分别为2、5、10℃/min时的煤样活化能分别为242.94、208.51、200.78 kJ/mol,活化能随着升温速率的增大而减小。此研究结果可以为类似赋存长焰煤的矿提供防治煤自燃灾害的理论基础。     

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。     

应用热分析技术研究煤的氧化自燃过程

采用国产4.1型精密热分析天平和日本产 DSC—8230B 型差热扫描量热计,对我国褐煤、长焰煤、气煤、肥煤、焦煤、贫煤及无烟煤八个煤种的70个煤样进行了 TGA、DTA、DSC 试验:还进行了热分析逸气分析和热分析红外光谱试验。察清了变质程度浅的煤容易自然的主要原因是空气氧化放热量大于变质深煤的氧化放热量。提出了 CO 和 CO/ΔO_2为最好的煤矿自然发火标志气体。首次用热量法测定煤的自燃倾向性。煤的分子结构红外光谱试验加深了对煤的自燃机理的认识。     

煤粒分散度对遗煤自燃影响的试验研究

为研究采空区遗煤粒度分布规律对煤氧化升温的影响,将采空区遗煤筛分成5组,分别计算各组筛分的煤样占整体遗煤的概率;然后分别对5组煤样和复合粒径煤样进行升温氧化试验。试验结果表明:采空区遗煤粒度分布密度,随粒径的增大呈现先增加后减少的变化特点;不同粒度的煤样耗氧速率随温度升高呈指数变化;在相同温度下,煤样复合粒度耗氧速率与不同粒径煤样的质量加权平均耗氧速率基本一致。     

长焰煤低温氧化主要官能团迁移规律研究

煤自燃是引起煤矿火灾的主要原因,宏观上表现为煤自燃释放热量不断积聚,最终导致煤体升温引发火灾;微观上表现为煤中的活性官能团不断与氧进行各种氧化反应产生热量,不同煤种微观结构的种类和数量不同导致煤自燃倾向性不同。为研究典型杨伙盘长焰煤的原始波谱图、特征温度点的红外结构参数变化规律和主要官能团的迁移规律,采用原位漫反射傅里叶变换红外光谱测试系统,测量煤氧化过程中官能团的变化,得到了长焰煤原始煤样的波谱图;采用Origin软件对原始波谱进行分峰拟合,得出了各官能团的含量;计算分析了不同特征温度点下的红外结构参数,并与阳泉无烟煤进行了对比分析。结果表明:原始煤样中长焰煤的内表面积比较大,内部结构疏松,脂肪氢含量较多,脂肪链长度较短,芳香缩合度较低,更易发生自燃;随温度升高,各个温度点结构参数I_1长焰煤小于无烟煤,结构参数I_2长焰煤大于无烟煤,结构参数I_3长焰煤为先递减后递增的趋势;长焰煤中羟基、脂肪烃和含氧官能团是较活跃的基团,主要受自身羟基含量、烷基侧链和脂肪烃长链的影响,在煤氧化过程中变化较大,对煤的氧化反应影响较大;芳香烃在长焰煤中的变化较小,相对比较稳定。     

过渡金属对煤自燃影响的实验研究

为了分析过渡金属对煤自燃特性的影响,选用煤中含量较高的Fe、Mn、Cu三种金属离子的化合物添加到煤中进行实验研究。首先,利用热重分析法、差示扫描量热法分析了煤的着火温度、质量变化、表观活化能、放热量参数;其次,根据氧化过程中指标性气体的释放情况来分析三种金属离子对煤自燃的影响;最后,通过红外光谱测试分析了三种金属离子对煤低温氧化过程中活性基团的影响。实验结果表明：添加Fe²⁺和Cu²⁺后,分别使煤样的着火点温度降低了23℃和20℃,并降低了煤氧反应的活化能,且增加了煤样的氧化放热量324.1 J/g和42.6 J/g,说明Fe²⁺对煤自燃的促进作用最强,Cu²⁺对煤自然氧化前期影响明显,而Mn²⁺对自燃过程中的特征温度、放热量和气体释放量影响较小。通过红外光谱测试得到Fe²⁺和Cu²⁺加速了煤低温氧化过程中-COOH、-CH₃、-CH₂-和-OH活性结构的反应,而Mn²⁺     

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。     

氧化煤复燃过程自燃倾向性特征规律

煤自燃是矿井安全生产中的主要灾害之一,火区启封时的氧化煤复燃问题尤其需要重视。为揭示不同氧化程度煤复燃特性,研究分析氧化煤指标性气体产生规律,并对特征官能团进行吸光度定性分析和峰面积定量分析。结果表明氧化煤自燃倾向性判定指数为I_(ym)I_(80℃yh)I40_(℃yh)I_(120℃yh)I_(160℃yh)I_(200℃yh)(ym代表原煤,yh代表氧化煤),原煤中还原性官能团多于氧化煤,含氧官能团少于氧化煤,低温氧化析出指标性气体速率大于氧化煤,氧化煤较原煤与氧结合能力减弱,煤自燃倾向性降低,80℃氧化10 h后的煤气体析出速率较其他温度更接近原煤,还原性官能团亦接近原煤,煤自燃倾向性更高,更易复燃。基于以上研究,确立了不同氧化程度煤复燃规律。     

煤氧化过程中气体的形成特征与煤自燃指标气体选择

利用氧化模拟实验和色谱分析，结合煤岩学分析，对不同性质煤样在氧化模拟实验过程中生成气体的组成和数量进行了详细分析，提出生成气体的组成和数量在内因上主要取决于煤温、煤阶和显微组分组成３个主要因素。将煤自燃指标气体分为三类，建立各类指标气体与煤温、煤阶、煤岩类型之间的数量关系。煤自燃指标气体产率随煤温上升基本上呈指数上升，但煤自燃指标气体产率与煤温相关关系曲线型式受控于煤阶和显微组分组成。不同煤阶煤应     

预氧化不粘煤自燃过程热输运特性研究

为了探究煤氧化后微观基团变化对热输运特性的影响,选用不粘煤作为研究对象,运用程序升温装置将其氧化升温至90℃、150℃、210℃和300℃,采用傅里叶红外光谱仪和激光导热仪分别测定5种煤样的官能团分布及热物性参数的变化,并通过皮尔逊相关分析法得到氧化煤中微观基团与煤热输运特性之间的关联性。结果表明,随着温度的升高,原煤及氧化煤热扩散系数均先降低后升高,比热容先迅速增大后趋于稳定,导热系数先缓慢增加后快速增加。氧化煤的比热容均低于原煤的比热容,预氧化温度为150℃煤样的热扩散系数及导热系数最大。随着氧化温度的升高,氧化煤中羟基—OH含量逐渐减少,煤中含氧官能团—CO—O—和C—O含量缓慢增加,含氧官能团和羟基是影响煤热物理特性的主要因素。     

山西矿区煤自燃指标气体预测研究

通过煤自燃指标气体实验系统,对山西某矿煤层自燃过程中产生的气体种类,以及各气体出现与煤温度的对应关系进行了对比分析,结合指标气体选择的一般原则,确定山西煤矿工作面煤自燃指标气体的选择应以CO和C2H4为主,并辅助参考C2H2指标气体。准确选择煤自燃指标气体对提高煤炭早期自燃预测、预报,防止矿井火灾具有重要指导意义。     

硫含量煤样自燃特性参数影响研究

根据程序升温实验原理,对不同黄铁矿硫含量的煤样进行程序升温实验,对潮湿环境下不同黄铁矿硫含量煤样的气体衍生规律及耗氧速率等特性参数进行了研究,宏观分析煤层中不同黄铁矿硫含量对耗氧速率、指标气体、放热强度等方面的影响规律。进一步了解硫对煤自燃的影响,为高硫煤层自然发火防治技术提供理论支持。