水分对煤孔隙结构及自燃特性的影响研究现状

概述了近些年国内外学者关于水分对煤孔隙结构及自燃特性的影响研究现状,并以水分对煤孔隙结构、氧化性和放热性的影响3个方面进行了综述分析。研究表明:水分对煤自燃有双重作用——促进作用主要体现在水分增大了煤孔隙结构或羟基、羧酸等易与氧气反应的基团增多,苯环中C-H基团等抑制煤氧反应的结构减少,从而加强了煤氧复合反应;抑制作用主要体现在水分占据在煤内表面、煤表面产生的水膜和升温过程中的蒸汽压等阻隔了煤与氧的接触。针对目前研究存在的局限性,提出应加强水分对煤孔隙结构的扩容机理研究,建立不同含水量对煤自燃影响程度的鉴定准则及评价指标,得到不同含水量对煤自燃促进或抑制作用的阶段划分及临界含水量范围。     

基于DSC测试的含水煤自燃规律实验研究

为了有效防治吕家坨5424Z采煤工作面煤自燃,通过采取差示扫描量热技术(DSC),分析了不同含水量对煤样吸、放热参数的影响规律。研究表明:煤样水分增量在1%～9%范围内,其热流差零值点温度在230～250℃之间,其对应温度普遍较高,说明煤样的放热整体出现较晚,不易发生自燃现象。但煤样水分增量在1%～4%时,吸收峰峰值温度较低,且吸热速率此时达到最值,则这一水分段煤样较其他实验水分段易发生自燃现象;煤样水分增量在6%～9%时,其曲线斜率较大,较其它含水量煤样而言,该区间内的煤样放热速率较高。     

含水量对煤自燃特性的影响实验研究

为有效防治吕家坨5424Z采煤工作面含水煤自燃,通过采用差示扫描量热技术(DSC)与程序升温相结合的方法,分析了不同含水量对煤样吸、放热参数的影响规律。研究表明:水分增量在1%～9%范围内,其热流差零值点温度普遍较高,说明煤样不易发生自燃现象。但在煤样水分增量为1%～4%时,其吸收峰峰值温度较低,且此时吸热速率达到最值,这部分煤样与其他实验水分段相比较易发生自燃现象。随着煤样含水量增大,其产生的CO、CO_2的量也逐渐增大,但是差别不明显,说明对煤层增加1%～7%含水量时,能适当促进煤升温氧化、自燃的过程。     

煤中水分作用于煤自燃反应过程的原子尺度表征

为了探讨煤中水分作用于煤自燃过程的反应机制，创新性地引入同位素标记方法，利用元素示踪原理探讨水分子中各元素的迁移转化规律。将实验煤样用3种同位素水(蒸馏水、D₂O、H₂¹⁸O)进行浸泡、干燥、浸泡等一系列过程处理，得到同位素标记的不同形态水分煤样。通过程序升温氧化实验模拟煤自燃反应过程，利用气相色谱仪测定气体产物体积，同时借助于在线质谱仪测定同位素原子参与生成各类气体的离子流强度，研究水分子中H、O原子作用于气体生成的迁移规律和生成机制。在煤自燃气相产物中检测到了C¹⁸O₂、C¹⁸O和CH₃D等同位素气体，说明水分子中H、O原子可以直接参与煤自燃反应过程。煤中不同形态水分在煤自燃反应不同阶段发挥作用：外在水分在煤自燃反应缓慢氧化阶段初期开始参与反应，在快速氧化阶段后期作用减弱；内在水分在煤自燃反应的加速氧化阶段与快速氧化阶段参与反应，在140℃左右作用效果最强。水分子中H与O原子在煤自燃反应过程中参与方式不同，H原子会与煤分子中甲基类...     

褐煤在不同水分情况下氧化气体生成规律的探讨

指标气体预报煤炭自燃在煤矿安全生产中得到广泛的应用,指标气在实验分析过程中,多以自然水分煤样进行的。众所周知,水分对煤自燃有一定的影响,为探讨水分对煤自然发火的影响,首先要进行配制适合实验分析的不同水分煤样,结合18.0%和8.96%水分情况下气体分析,得出水分对煤自然发火指标气体产生了一定的影响,因此指标气体在实际应用时,应结合井下实际具体情况为预防煤自燃早期发火提供更科学的依据。     

水分对煤低温氧化耗氧量影响的研究

水分在煤低温氧化过程中的作用具有两面性,根据其水分含量的多少促进或抑制煤的自燃。采用程序温升法研究了原煤样和50℃干燥煤样低温(≤100℃)氧化过程的耗氧量变化规律。对比分析表明,不同水分条件煤样耗氧量随温度的升高总体呈增加趋势,义马和朱仙庄原煤在初始阶段出现耗氧量减小,说明在100℃以前煤的升温特性主要受外在水分的影响;干燥后耗氧量相对原煤有显著增大,外在水分蒸发时吸收大量的热,以汽化潜热的方式带走,使煤体周围的热量不易聚集,且蒸汽压阻止了煤与空气中氧气的接触,外在水分在低温缓慢自热阶段主要起阻化作用;较低含水量与煤表面接触会释放一定量的润湿热而起到促进作用。     

姜家湾煤矿11号煤层最短自然发火期实验研究

以姜家湾煤矿11号煤层为研究对象,采用煤工业性分析、煤自燃倾向性色谱吸氧鉴定、差示扫描量热与气体示踪等实验手段,测定了该煤层工业性成分、煤自然发火倾向等级、不同温度煤的比热以及煤自燃指标气体,以此综合确定该煤层最短自然发火期。研究结果表明：煤的水分含量为0.90%,灰分含量为6.58%,挥发分含量为29.02%;煤层自燃倾向性等级属于Ⅰ类,自燃倾向性为易自燃。煤升温加热氧化的临界温度为162℃,且以CO为煤自燃评判的敏感气体。基于该煤层煤自燃特性,结合煤自燃发火数学模型,计算出该煤层最短自然发火期为48 d。该数据可为11号煤层开采速率以及采空区自燃发火防控提供技术参数支撑。     

水分在煤低温氧化过程中的影响研究

通过理论分析和实验研究相结合的方法,分析了水分与煤低温氧化阶段升温进程和产热速率的关系,并基于分形维数研究了水分对煤孔隙结构的影响,讨论了水分在煤氧化学反应中所起的作用,最后就水分对煤低温下吸氧速度和吸氧量的影响进行了探讨,对进一步加深对煤低温氧化过程的认识和准确对煤的自燃倾向性进行鉴定具有十分重要的意义。     

褐煤自燃过程中自热特性的试验研究

系统研究了褐煤自燃过程并分析该过程的自热特征;结合气体氧化产物的生成,研究煤质量、粒径、气流速率、水分对褐煤自燃过程中自热特征的影响。煤样自燃过程中经历的交叉点温度(CPT)、燃烧温度(CT1、CT2)等特征温度反映出褐煤自燃过程中的自热特征。研究表明:较小质量的煤样特征温度均偏高;粒径较小的煤样自燃所需时间缩短,CO2生成速率加快;随着气流速率升高,褐煤在CT1点后的温度逐渐升高,CO2生成速率逐渐加快;不同含水量褐煤的自燃时间不同,这可能是水分脱除过程孔结构坍塌所致。     

煤中原始水分对煤自燃影响的绝热氧化试验研究

为研究煤样中原始水分对煤自燃的影响,对同一煤样的干燥煤样和新鲜煤样进行了绝热氧化试验。通过对试验数据的处理分析发现新鲜煤样在自然升温过程中确实存在一个水分蒸发阶段,该阶段内温度无规律地上下波动、升温缓慢,能延缓煤自燃进程。通过对煤自燃动力学参数分析,拟合得出了两类煤样的ln((dT)/(dt))和-1/(RT)关系,干燥煤样的ln((dT)/(dt))和-1/(RT)基本呈线性关系,新鲜煤样则只在水分蒸发阶段前呈线性关系。干燥煤样和新鲜煤样在低温时期的活化能基本相同,即煤样原始水分对煤自燃倾向性鉴定没有影响。     

水分对孟巴矿煤氧化自燃特性影响的实验研究

采用程序升温实验对孟巴矿不同含水量煤样的自燃特性进行实验研究,通过对不同含水量煤样在程序升温氧化过程中,不同温度条件下的气体产生率、放热强度及耗氧速率分析,得出了孟巴煤矿煤样在氧化自燃过程中,含水量对其氧化自燃性的影响规律,确定出了孟巴矿煤样氧化自燃性最佳的临界水分含量,为孟巴矿煤层自然发火的有效预防提供了基础数据与理论支持。     

蒙西侏罗纪煤层自燃机理参数测定分析研究

为了准确分析我国蒙西地区煤层自燃机理、剖析煤炭自燃微观特性,采用煤的工业分析、静态吸氧量以及程序升温实验方法,研究煤中水分、挥发分、灰分、耗氧量、煤质有机气体等生成速率对煤层自燃倾向特性的影响规律。与石炭纪煤样对比表明:侏罗纪煤层自燃倾向性与煤样中的水分、挥发分含量呈正相关,而与灰分含量呈负相关;侏罗纪煤样静态吸氧量均超过0.70 cm3/g,且高于石炭纪煤样;约130℃处始,侏罗纪煤样CO、CO2生成速率分别为0.08、0.1 t/℃,CH4来源于煤体本身,温度升高至120℃生成C2H6气体、150℃时生成C2H4气体,低温氧化阶段蒙西侏罗纪煤氧化复合作用更加剧烈。     

煤实验最短自然发火期的快速测试

基于煤实验最短自然发火期确定煤的自燃倾向性是一种科学、可靠的鉴定方法。但由于在实验室测试煤在绝热条件下的实验最短自然发火期周期长,难以实现测试的标准化,此方法的应用受到限制。因此研究煤实验最短自然发火期的快速测试方法具有重要意义。通过理论分析与实验研究,确定70℃时煤样罐出气口的氧气体积分数(C70)与交叉点温度(Tcpt)是分别能体现出煤在低温缓慢氧化阶段及快速氧化阶段氧化升温特性的特征参数。通过程序升温测试煤低温氧化过程的特征参数C70指标和Tcpt指标,实现了煤实验最短自然发火期的快速测试。基于程序升温测试得到的实验最短自然发火期与绝热测试结果的一致性表明了此方法的准确性、可靠性及基于实验最短自然发火期确定煤的自燃倾向性的可行性。     

不同初始应力下卸荷煤体氧化特性

为探讨不同初始应力下卸荷煤体氧化特性,采用程序升温实验、煤岩三轴蠕变实验、压汞实验对易自燃原煤样及其不同初始应力下卸荷煤样进行微观氧化特性对比研究。结果表明:宏观方面,不同初始应力下卸荷煤体比原始煤样更容易氧化,特征温度点下各实验煤样的CO产生量-应变曲线与轴应力-应变曲线具有相似的规律,且煤样氧化能力随初始应力大小变化曲线呈"驼峰状",当初始应力达到15 MPa,煤岩处于塑性变形裂隙扩展阶段,煤样卸荷后与氧气接触能力显著增强;初始应力达到25 MPa,煤岩处于应变软化阶段,煤样卸荷后与氧气接触能力最强,间接增强了煤样的氧化能力。不同初始应力下卸荷煤体的特征温度点均提前于原始煤样,使得发生氧化自燃的时间提前。微观方面,煤体总孔容和孔径分布共同制约着氧化反应进程,初始应力使煤体的孔容积、孔径增大,小孔和微孔是O_2与煤基质氧化反应区域的主要贡献者,小孔、微孔孔容值和比表面积随初始应力的变化趋势与实验煤样氧化能力随初始应力变化趋势相同。根据实验结果,随着煤层埋深增大,地应力增高,采动卸荷后煤体氧化危险程度增大;当煤层赋存地应力随埋深达到临界值后,采动卸荷后煤体氧化危险性程度将会降低;对于同一开采水平,应力相对集中区卸荷后煤体将更易发生氧化自燃,其氧化难易程度与煤体强度、赋存应力存在一定关联。     

“隔离水墙+泄放钻孔”技术在治理煤壁内煤炭自燃中的应用研究

矿井巷道煤壁内煤炭氧化自燃事故的处理，常规方法是采取挖出着火点煤炭、向煤壁内注水等措施，但某矿井出现巷道煤壁内煤炭氧化自燃事故后，常规方法不仅未能有效处理，反而出现随着灭火钻孔注水范围扩大。煤炭氧化范围顺巷道向着火点两侧扩大的异常现象。针对此种异常现象，研究分析了煤炭氧化范围自着火点向两侧扩大的原因，创新地采用“隔离水墙+泄放钻孔”技术，即在着火点两侧施工注水钻孔构建“隔离水墙”，阻止着火点高温气体向周围扩散，同时在着火点范围两侧、“隔离水墙”之内，施工开口不封闭的“泄放钻孔”，构建高温气体“泄放通道”，使着火点内的高温气体从“泄放钻孔”泄出。采用“隔离水墙+泄放钻孔”技术，成功治理了煤壁内煤炭氧化自燃事故。该研究成果对类似事故的处理具有借鉴意义。     

地表沉陷初期漏风对采空区遗煤自燃影响的分析和治理措施

煤层开采引起的地表沉陷能够产生与采空区贯通的裂缝,导致地面向采空区漏风,会引发采空区遗煤自燃。根据元堡煤矿9号煤层埋深浅、采用综采放顶煤技术、易自燃等特点,分析了地表沉陷初期漏风对采空区遗煤自燃的影响,通过对进、回风巷风量对比证实了地表漏风的存在,采取地表填土掩埋裂缝的措施,有效地解决了地表漏风的问题。     

清水灌注抑制易燃采空区遗煤氧化及自燃的机理研究与应用

通过对灌注清水抑制易燃采空区遗煤氧化及自燃的机理分析与现场应用研究实际效果,提出了一种新的、简便廉价 的防治采空区遗煤自燃的 技术措施。同时,对传统的黄泥灌浆技术措施中的泥浆浓度要求提出 了新的不同看法。即认为无论泥浆浓度如何,只要能确保适时充足的灌注量,即便是清水,也能起到防止采空区遗煤自燃的效果。     

色连煤矿煤自燃标志气体试验研究

为有效预测色连煤矿8109工作面采空区自燃状况,指导煤矿采取针对性防灭火措施,需确定煤自然发火标志性气体.通过对煤样进行程序升温试验方法,研究煤的低温氧化特性并对煤自燃预测指标进行了优选.结果 表明:煤低温氧化过程中活性较大,常温下就可以生成CO,干裂温度在100～110℃之间.使用格雷哈姆系数R2、R3区分化学吸附阶...     

鑫安煤矿复杂地质构造3号煤自燃规律研究

选取鑫安煤矿同一煤层不同地质构造区域煤样为研究对象,利用红外光谱分析各煤样氧化官能团的变化;利用热重实验,分析了煤氧复合过程,得到了煤样自燃过程中的特征温度及规律。红外光谱表明,不同地质构造条件下煤的氧化活性基团峰值变化规律,断层及地应力作用下化学活性键较活跃;热重实验结果表明,自燃氧化初期在断层及应力场处煤样的氧化活性和挥发性活跃,易被氧化失重;进入后期加热燃烧阶段,受地应力作用的煤样进入燃烧阶段温度点升高,失重百分比增加;煤层自燃倾向性差异受地质构造影响,同一煤层,相同工作面,不同地质构造区域煤层自燃倾向性不同,自燃氧化过程也有差异。