煤自燃階段特征及活化能變化規(guī)律的實(shí)驗(yàn)研究.pdf

1、煤是重要的能源。隨著煤礦相關(guān)產(chǎn)業(yè)技術(shù)的快速升級(jí)，其生產(chǎn)開(kāi)始集中于高產(chǎn)能、高效率，但同時(shí)也伴隨著高危險(xiǎn)性。特別是特厚煤層回采率低，留保護(hù)煤柱多，且開(kāi)采深度不斷加大，致使采空區(qū)遺煤頻繁發(fā)生自燃著火事故，這就使得礦井火災(zāi)危險(xiǎn)性加大。因此，認(rèn)識(shí)煤自燃氧化特性對(duì)指導(dǎo)煤礦及與煤相關(guān)產(chǎn)業(yè)制定統(tǒng)一的防滅火技術(shù)和措施具有重要意義?；诖?，本文選取不同自燃性煤，測(cè)試了煤升溫氧化過(guò)程中指標(biāo)氣體產(chǎn)物，耗氧量、吸熱和放熱等參數(shù)，并結(jié)合不同階段煤中活性物質(zhì)與官能團(tuán)

2、，分析了煤自燃階段特征及低溫氧化過(guò)程中活化能變化規(guī)律，并在此基礎(chǔ)上對(duì)比研究了CO2和N2防治煤氧化燃燒的不同效果。
　　氧氣是煤自燃發(fā)生必不可少的關(guān)鍵因素。低溫氧化過(guò)程中，煤中活性物質(zhì)和官能團(tuán)與氧復(fù)合發(fā)生物化反應(yīng)，放出熱量使煤溫升高，并伴隨著氣體產(chǎn)物的生成。因此，根據(jù)煤氧化實(shí)驗(yàn)過(guò)程中耗氧及氣體生成規(guī)律，分析研究了不同自燃性煤的氧化階段特征。結(jié)果表明：隨著煤自燃性的增強(qiáng)，單一氣體生成量、耗氧量及耗氧速率逐漸增大，且各煤樣C2H4氣體

3、出現(xiàn)的溫度與CO生成量和耗氧速率快速增大的拐點(diǎn)溫度相同。各煤樣 CO、CO2和 C2H4氣體產(chǎn)生率具有明顯的階段性，且CO和CO2最大產(chǎn)生率的溫度相同。單一氣體只能對(duì)煤早期自燃發(fā)火進(jìn)行預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)，但礦井下風(fēng)量等環(huán)境因素對(duì)單一氣體量有較大影響，使得預(yù)測(cè)不準(zhǔn)確、不及時(shí)。復(fù)合氣體指標(biāo)可消除環(huán)境因素的影響，且不同復(fù)合氣體可對(duì)煤低中高溫的自燃氧化進(jìn)程進(jìn)行預(yù)測(cè)，分析煤的氧化狀態(tài)。依據(jù)四種復(fù)合氣體 CO2/CO、CH4/C2H6、C2H4/C2H6、C

4、3H8/C2H6隨溫度的變化趨勢(shì)，結(jié)合煤氧化特性，可預(yù)測(cè)煤樣的氧化進(jìn)程及煤體溫度。同時(shí)對(duì)三種煤樣進(jìn)行升降溫實(shí)驗(yàn)，得到升降溫過(guò)程中 CO，O2， C2H4差量及差率的變化規(guī)律，進(jìn)而分析煤的氧化狀態(tài)。
　　通過(guò)對(duì)各煤樣的低溫氧化實(shí)驗(yàn)，基于CO濃度與煤溫間的線性函數(shù)關(guān)系，根據(jù)計(jì)算模型求解出各煤樣的特征溫度和活化能，同時(shí)結(jié)合TG－DSC研究數(shù)據(jù)，分析了不同自燃性煤活化能的低溫表征規(guī)律。結(jié)果表明：低溫氧化階段，不同自燃性煤活化能變化規(guī)律具有

5、明顯差異。當(dāng)不同煤樣的溫度到達(dá)各自活性溫度時(shí)，其活化能迅速降低，且活化能變化階段點(diǎn)對(duì)應(yīng)煤自燃氧化過(guò)程發(fā)生轉(zhuǎn)變的特征溫度。根據(jù)不同氧化階段活化能大小及其變化規(guī)律與理論模型擬合函數(shù)的交點(diǎn)計(jì)算出煤自燃特征溫度，將煤的低溫氧化過(guò)程分為表面氧化階段、氧化自燃階段、加速氧化階段和深度氧化階段。
　　煤自燃研究機(jī)理的成果最終都會(huì)歸合為煤氧化燃燒的如何防治。為了研究二氧化碳和氮?dú)夥乐蚊貉趸紵牟煌Ч?TG-DSC聯(lián)用分析系統(tǒng)測(cè)試了不同自

6、燃性煤不同試驗(yàn)條件下質(zhì)量和能量的變化，同時(shí)分析了自燃性和升溫速率對(duì)煤氧化燃燒過(guò)程的影響。在不同氮?dú)?空氣比例和二氧化碳-空氣比例混合氣體失重曲線中，煤氧化前三個(gè)階段及特征溫度T1、T2、T3差異較小。直至著火溫度T4時(shí)，隨著N2和CO2的增多，TG-DTG曲線差異增大，燃燒滯后現(xiàn)象更明顯，對(duì)應(yīng)的特征溫度T4和T5升高。同時(shí)DSC曲線向高溫區(qū)移動(dòng)，曲線變平緩，氧化燃燒緩慢，且放熱強(qiáng)度逐漸降低，放熱峰值減小，對(duì)應(yīng)峰溫升高，CO2抑制煤氧化燃