高瓦斯易燃煤层自燃判别指标体系的实验研究

通过煤自燃程序升温实验,分析了在不同温度下平顶山矿区己组煤样的耗氧速度以及CO_2、CO、CH_4、C_2H_4、C_2H_6等气体的产生量,研究了己组煤在整个氧化阶段气体产物的生成规律及其特征,得出煤样耗氧量与煤温升高之间的对应关系。最终确定CO、C_2H_4、C_2H_6作为判断己组煤自然发火的不同阶段的标志性气体,CO/CO_2、C_2H_4/C_2H_6比值作为辅助指标。根据试验结果确定平顶山矿区己组煤自燃标志性气体临界判别指标值,为实现己组煤自然发火的准确预测预判提供依据。     

七五煤矿■煤层自然发火各阶段指标气体优选研究

针对七五煤矿3~#煤层217工作面自然发火问题,通过煤低温氧化试验和灰色关联度分析相结合的方法,优选了自然发火指标各阶段标志性气体的预测指标。通过试验研究得出:在煤自燃早期CO与煤温具有良好的对应关系,可使用CO单个指标进行煤自燃早期预测预报。而在加速氧化阶段:乙烯(C_2H_4)、乙烷(C_2H_6)、丙烷(C_3H_8)、烯烷比(C_2H_4/C_2H_6)和链烷比(C_3H_8/CH_4)等随煤温升高普遍呈现较好的规律性。基于灰色关联度分析,进一步区分预测指标可信度。通过计算煤加速氧化阶段各气体指标与煤氧化温度之间的灰色关联度,得出七五煤矿3~#煤层加速氧化阶段首选预报指标为C_3H_8/CH_4,第二预测指标为CO,第三预测指标为C_2H_6。该研究成果提高了煤自燃预测结果的准确性,为七五煤矿217工作面自然发火治理提供科学依据及理论指导。     

东欢坨矿煤层自燃指标气体分析

为了预防预报东欢坨煤矿的自燃火灾,现利用程序升温-气相色谱联用实验,检测升温过程中指标气体含量,进行了CO、CO_2、CO/△O_2、C_nH_(2n+2)/C_nH_(2n+2)、C_nH_(2n)/C_nH_(2n+2)、C_nH_n/C_nH_n等的计算。结果表明:在煤低温氧化全过程中,都可以检测到CO,在140℃以后可检测到C_2H_4。因此针对东欢坨,在50~350℃,选择CO作为指标,并利用CO_2、C_2H_6和C_3H_8为辅助指标。当温度达到140~300℃,选择C_2H_4作为预测指标气体,并利用C_2H_4/C_2H_6及C_2H_4/CH_4指标气体作为该温度段内的辅助标志气体,由此确定的指标气体,为东欢坨煤层自燃火灾防治提供了依据。     

神东北部矿区水浸煤自燃标志性气体产生规律

采用煤自燃氧化程序升温实验,对水浸煤自燃标志气体产生规律进行了研究,对比分析了不同含水率水浸煤与原煤CO产生率、CO_2产生率、CH_4产生率、C_2H_4浓度、C_2H_6浓度、耗氧速率随温度的变化规律,发现在低温氧化阶段,水浸煤中水分的存在降低了原煤开始快速氧化的温度点,对煤自燃具有促进作用,水浸煤CO和CO_2气体产生率、耗氧速率高于原煤;在快速氧化阶段,水浸煤中水分的蒸发对煤自燃具有阻碍作用,水浸煤CO和CO_2气体产生率、耗氧速率低于原煤;在加速氧化阶段和高速氧化阶段,水浸煤中的水分与煤分子官能团结合生成含水络合物,提高了CO和CO_2气体产生率,以及耗氧速率,同时阻止烷烃和烯烃类气体的产生,降低了C_2H_4和C_2H_6气体浓度;在煤自燃氧化过程中,水浸煤中水分的存在,降低原煤中CH_4气体吸附量,水浸煤CH_4产生率低于原煤。结果表明,含水率对煤自燃氧化过程中的标志性气体产生规律具有明显的影响,经水浸泡的神东北部矿区12煤比其原煤更容易氧化自燃。     

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。     

煤低温氧化标志性气体分析及优选研究

为了预测采空区遗煤自燃问题,以豹子沟煤矿10101综放面采空区遗煤为研究对象,利用煤自然发火气体产物模拟试验系统测试煤低温氧化过程标志性气体释放种类。试验表明:采空区遗煤与氧气发生低温氧化过程中,会伴随产生CO、CO_2、CH_4、C_2H_2、C_2H_4、C_3H_6、C_3H_8和C_4H_(10)等气体。分析发现CO浓度随采空区遗煤低温氧化阶段温度升高而逐渐增大的程度比其他气体更明显。CO是标志煤低温氧化的最佳气体,对采空区CO进行研究有利于早期预测采空区遗煤自燃情况。     

基于信息熵的煤自燃标志气体优选

为更好预测预报王庄煤矿3号煤层自然发火进程,通过程序升温氧化实验并采用基于信息熵的C4.5决策树算法,分析煤自燃不同阶段标志气体及相关比值的信息增益率。结果表明:CO的信息增益率在整个升温氧化过程中都很高,而C_2H_4只有在进入高危险期时信息增益率才较高,因此CO应作为煤自燃低危险期—较高危险期的主要标志气体,C_2H_4作为进入高危险期的主要标志气体;同时φC_2H_4/φC_2H_6和φC_2H_4/φCH_4在进入高危险期时信息增益率也较高,其分裂阈值分别为0.042和0.026,该阈值有效避免了现场风量等因素的影响,可作为高危险期的辅助指标。     

柴家沟矿4~(-2)煤层自燃标志气体优选实验研究

为提高柴家沟矿4~(-2)煤层自燃预测预报准确性,采用XK-Ⅶ大型煤自燃实验台模拟4~(-2)煤层自然发火过程,对自燃特性参数、单一标志气体、复合标志气体进行分析。实验证明:当煤温在70～80℃时,煤样耗氧速率明显加快,放热强度曲线斜率逐渐增大,当煤温在100～120℃时,耗氧速率迅猛增加,放热强度曲线斜率明显增大,故推断4~(-2)煤层自燃临界温度在68～80℃,干裂温度在100～120℃;由于φ(CO)、φ(O_2)/φ(CO+CO_2)随煤温变化的灵敏性和规律性强,且在井下容易检测,故将φ(CO)、φ(O_2)/φ(CO+CO_2)选作预测4~(-2)煤层自燃的主要标志气体参数;由于φ(C_2H_4)、φ(CH_4)/φ(C_2H_6)、φ(C_2H_4)/φ(C_2H_6)能从一定程度上反映4~(-2)煤层自燃发展阶段,故将φ(C_2H_4)、φ(CH_4)/φ(C_2H_6)、φ(C_2H_4)/φ(C_2H_6)选作预测4~(-2)煤层自燃高温阶段的辅助标志气体参数。     

煤自燃复合指标气体生成规律实验研究

复合指标气体受环境因素影响较小,能对矿井煤自燃的发生进行及时准确的预报。应用煤恒温氧化装置,模拟采空区蓄热环境,研究采空区遗煤发生氧化反应时指标气体的生成特性,实验选用不同粒径的官地矿焦煤煤样。研究结果表明,随温度增加,H_2/CH_4、O_2/(CO+CO_2)比值减小,CO/CO_2的比值增大,且温度超过80℃后,上述比值会发生剧烈变化。随煤样粒径减小,H_2/CH_4、CO/CO_2比值增大,O_2/(CO+CO_2)比值减小,粒径越小,比值变化趋势越明显。煤样在150℃温度下加热60 min后,复合指标气体比值变化率发生较大改变,这段时间是煤由快速氧化到自燃的关键时期。     

灵泉煤矿煤层自然发火标志性气体优选

煤自燃火灾严重威胁煤炭工业的安全,煤自燃火灾指标气体的早期预测预报可以判断采空区煤层自然发火情况。通过采集内蒙古扎赉诺尔煤业有限责任公司灵泉等煤矿的8个煤样,煤种都是褐煤,在自然发火气体产物模拟实验装置上进行实验,分析了CO、C_2H_4、C_3H_6、C_2H_2指标气体的析出规律,绘制的气体体积分数随温度的变化曲线,并根据以往实验数据指出C_2H_4、C_3H_6出现的临界温度,提出用浓度差值法对CO气体体积分数校正,最后指出CO、C_2H_4,C_3H_6、C_2H_2作为灵泉煤矿煤层自然发火的标志性气体。     

复采煤层氧化煤的自燃特性研究

针对复采煤层的煤的自然发火现状,分析荆各庄矿的4种不同复采时间的氧化煤自燃特性的差异。采用程序升温-气相色谱联用实验,对比不同复采时间煤样的自燃氧化过程中的特征气体含量变化和自燃倾向性变化。结果表明:4种煤样产生的CO体积分数在170℃前后呈现不同的变化规律;复采时间越长的氧化煤,煤样产生CH_4、C_2H_4、C_2H_6气体的时间越晚;通过对不同煤样交叉点温度和FCC复合指标的综合分析,得出短时间复采的煤样其自燃氧化能力强于长时间复采的煤;在同一种煤的低温段和高温段,自燃倾向性也随着表观活化能在不断变化。     

基于标志气体统计学特征的煤自燃预警指标构建

采空区煤自燃是影响矿井安全生产的主要灾害之一,标志气体与煤温是煤自燃预警的关键参数,2者之间的数学模型及其统计学特征是构建煤自燃预警指标体系的基础。通过程序升温控制实验,获得了88组煤样气体体积分数随煤温的变化曲线,选择指数函数、多项式函数和Logistic回归函数对气体体积分数进行拟合,以R~2,方差SSE和均方差MSE等参数为评价指标,确定了Logistic回归函数为最佳拟合函数;利用Logistic函数拟合标志气体的变化曲线,得到CO与C_2H_4体积分数的4个参数A_1,A_2,p和x_0,基于统计学特征确定上述4个参数的值并检验其有效性,得到"气体-温度"的本构方程;最后,归纳了不同标志气体的初现温度、拐点温度的统计学特征,构建了基于气体统计学特征的煤自燃预警体系并进行了煤自燃危险阶段划分。结果表明:(1) 30～350℃实验温度内,标志气体体积分数变化分为波动段、稳定段和衰减段,气体体积分数与煤温符合Logistic回归模型:CO与C_2H_4的拟合参数分别为A_1(CO)=23,A_2(CO)=14 990,p(CO)=11,x_0(CO)=294;A_1(C_2H_4)=0.3,A_2(C_2H_4)=27,p(C_2H_4)=17,x_0(C_2H_4)=283;(2) CO初现温度、第1拐点温度、C_2H_4初现温度、第1拐点温度和C_2H_2初现温度可作为煤自燃预警指标,预警值分别为30,156,120,204和285℃;(3)基于初现温度和拐点温度将煤自燃分为6个危险等级:安全、低风险、一般风险、较大风险、重大风险和特大风险,可根据等级不同采取相应的响应措施。     

高温氧化条件下风化煤自燃特性试验研究

为掌握煤层露头火灾的发展演化规律,采用高温程序升温试验系统模拟了风化煤的高温氧化自燃过程,得到了从常温到650℃高温氧化过程中的宏观自燃特性及其表征参数,并应用指标气体的增长率分析法确定出风化煤高温氧化的特征温度点。结果表明:风化煤在高温低氧浓度条件下仍能持续发生氧化反应,并放出大量的热量,来维持其自燃;风化煤内含有的腐植酸会随着煤温的升高,逐渐发生热分解反应,从而导致氧化反应,产生的CO_2、CH_4、C_2H_4、C_2H_6浓度增加,且CH_4、C_2H_4、C_2H_6浓度随煤温的变化规律相似,由于风化煤受到化学风化作用,使这3种气体在低温阶段的浓度都比较小,之后随着温度的升高而迅速增大;此外,煤样粒径0.9 mm时高温氧化产生的CO浓度,比其他粒径下的CO浓度总体上都大;在400~590℃,煤样粒径为7~10 mm时,高温氧化产生的CO浓度最小。     

煤自燃加速氧化阶段指标气体优选实验研究及分析

以林南仓矿11~#煤层为研究对象,通过程序升温实验确定了煤自燃加速氧化阶段(100~200℃)各指标气体浓度与温度的对应关系并分析了其变化规律,利用灰色B型关联度分析法对指标气体进行优选筛选,并计算了各指标气与煤自燃氧化温度的关联程度,确定了各指标气体的可信度。结果表明:在加速氧化阶段,林南仓矿11~#煤层的C_3H_8/C_2H_6与温度的关联度最大,其次是C_2H_4/C_2H_6,因此选择C_3H_8/C_2H_6为最优指标气体,C_2H_4/C_2H_6为辅助指标气体。该研究结果对提高煤层自燃预报的准确性具有重要意义。     

基于大佛寺矿的煤自燃多参数指标气体实验研究

针对采用CO单一指标气体作为煤自燃判别依据的局限性,通过模拟采煤工作面真实漏风、蓄热环境,研究了大佛寺矿煤自燃多参数预报指标气体随煤温升高的变化规律。根据实验结果确定了以CO/ΔO_2,CO/CO_2,C_2H_4/C_2H_6为主要指标气体的多参数预报体系。研究成果对大佛寺矿的防灭火工作具有很好的指导意义。     

煤自燃阶段性预测预报临界指标实验研究

以杭来湾煤矿3~#煤层为研究对象,采用煤自燃程序升温与色谱分析联用实验系统,对不同粒度的煤样进行氧化升温实验,测算了耗氧速率、气体产生率及放热强度等煤自燃特征参数,确定了划分煤自燃缓慢、加速及剧烈氧化阶段的临界温度值,优选了不同氧化阶段的指标气体及其临界范围,得到了C_(CO)/C_(CO_2)与Δ_(CO)/Δ_(O_2)为煤自燃进入加速氧化与剧烈氧化的临界判别指标,为杭来湾煤矿3~#煤层自燃的分级预警及科学防控提供了理论依据。     

煤矿采空区自然发火指标气体的选择研究

采用CSC-B2煤低温自燃实验台测试了井下混合粒度煤样,研究煤样解析出的各指标性气体(CO、CO_2、C_2H_6、C_2H_4、C_2H_2、C_2H_4/C_2H_6)与温度的变化关系,即得到不同温度条件下的自燃指标气体,确定煤层自燃早期预测预报指标气体。     

基于多指标参数的煤自燃进程分析及应用

提出了火灾四象限法则。建立了多指标参数煤低温氧化进程分析体系,确定了煤自然发火的临界值:CO浓度高且持续增加,表明煤正在氧化,煤温小于90℃;C_2H_6/CH_4、CO/CH_4的安全临界值分别0.06和0.6,超过临界值说明煤氧化加剧;C_2H_4、C_2H_2为辅助指标,2种气体初现对应煤温80℃~90℃、190℃。利用该指标体系判定煤氧化,指导现场火灾防治。     

高地温条件下的煤自燃预报指标优选实验研究

高地温环境对矿井煤自燃过程及指标气体的产生有较大的影响,从而影响煤自燃早期预报。针对这一问题,通过对煤样进行充氮40℃恒温处理,模拟矿井高地温环境使其以40℃为起点进行程序升温实验,分析指标气体变化规律,并对比常温煤样实验结果,进而进行预报指标优选。结果表明:高地温环境会使得煤体特征温度出现明显降低,指标气体浓度及增长率出现显著升高,更容易发生自然氧化;CO、C_2H_4、φ(CO)/φ(CO_2)、链烷比能够作为主要的预报指标进行煤自燃的早期预测,CH_4、C_2H_6只可作为辅助预报指标。     

煤与油页岩共采条件下自然发火标志气体及预报指标体系研究

针对梁家矿煤与油页岩共采条件下采空区自然发火情况下的标志性气体优选的问题,选取1105工作面样品运用程序升温实验进行了煤与油页岩自然发火气体产物模拟试验,分析了CO、烯烃、烷烃及其比值的产生规律,进行了煤与油页岩自燃预测预报体系研究。结果表明:CO出现的临界值温度在40℃左右,标志着煤与油页岩已经开始产生反应;C_2H_4出现在120℃左右,标志着煤与油页岩进入加速氧化阶段;C_2H_4/C_2H_6、C_2H_4/C_3H_8可以作为预测煤与油页岩自然发火进程的辅助标志气体。同时,根据CO、C_2H_4等气体释放量,确定了梁家矿煤与油页岩自然发火标志气体判别参数。