新疆106煤矿不粘煤不同氧化程度自燃特性_李恩国.pdf
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1、第 卷 第 期 年 月西安科技大学学报 .李恩国,李庆彬,杨继林,等 新疆 煤矿不粘煤不同氧化程度自燃特性 西安科技大学学报,():,():收稿日期:基金项目:国家自然科学基金项目()第一作者:李恩国,男,山东临清人,工程师,:通信作者:肖旸,男,贵州湄潭人,博士,教授,:新疆 煤矿不粘煤不同氧化程度自燃特性李恩国,李庆彬,杨继林,赵佳蓉,肖 旸(中煤能源新疆天山煤电有限责任公司,新疆 昌吉;西安科技大学 安全科学与工程学院,陕西 西安)摘 要:新疆 煤矿开采 煤层存在二次氧化威胁,自燃危险性大大增强。为探究氧化程度对煤自燃特性的影响,选取 工作面不粘煤,对原煤和预氧化(,)煤样开展程序升温和
2、差式扫描量热()试验,分析氧化煤样的气态产物及热释放规律,并采用 法计算表观活化能。结果表明:在低温阶段(),氧化煤的气体产物、耗氧速率、最大放热强度明显高于原煤。煤温高于 后,预氧化 煤样的反应减缓,各项参数均低于原煤,其中 与 分别在 和 后低于原煤。此外,随着氧化温度的升高,煤样的 曲线峰值增大并向高温区域略微偏移,特征温度范围缩小,放热时间缩短,释放热量增多。对低温及放热阶段进行动力学分析,发现预氧化温度越高,煤样的表观活化能值越低。试验结果揭示了不同氧化程度煤样的自燃特性,对该矿煤火灾害防治提供了基础和参考。关键词:预氧化;程序升温;气体产物;特征温度;活化能中图分类号:文献标志码:
3、文章编号:():开放科学(资源服务)标识码():,(,;,):,(,)(),:;引 言随着矿井开采强度及深度的增加,采空区遗煤量增大、漏风严重,大大增强了煤自燃发生的可能性,严重威胁着煤矿安全生产及矿工生命安全。中国煤层赋存条件复杂,煤层回采过程中经过地质构造带,或采用近距离煤层群开采、厚煤层分层开采等方法,造成采空区遗煤量增多,由于开采后的煤体以破碎状态长时间暴露在空气中,与氧接触的面积增大,令遗煤易被氧化形成氧化煤。国内外学者对氧化煤开展了大量研究,表现在耗氧速率、放热强度及极限参数、活性官能团、热物性参数等的变化。等对煤氧复合反应中燃烧阶段的微观特征进行研究,确定了影响煤样质量损失的关键
4、官能团。陆新晓等结合程序升温及傅里叶红外光谱分析了不同氧化程度煤样的指标性气体浓度及官能团变化。张辛亥等采用激光导热分析仪测试煤样的热物性,发现氧化煤的比热容以及导热系数均高于原煤。陈荣芳等通过程序升温试验发现预氧化温度在临界温度附近易造成煤层复燃。等通过红外光谱仪和扫描电镜研究氧化煤的孔隙形态以及活性官能团变化。等通过 试验研究了不同预氧化条件下煤样的燃烧特性,发现在低温氧化阶段的影响最明显。综上所述,学者们从多个角度对氧化煤自燃特性进行了对比分析,但对氧化煤气体产物及热效应综合分析较少。以新疆 煤矿为例,该矿位于新疆昌吉天山山脉,其 工作面开采 煤(煤种属不粘煤),为浅埋易自燃厚煤层,平均
5、煤厚 ,倾角平均,是该矿的第一个综放工作面,属于俯斜开采,平均,回采过程中会经过 条断层,遗煤率约为,大量遗煤存在多次氧化的危险,易引发煤自燃。为了掌握该矿的煤自燃特性参数,选取 工作面煤样,开展程序升温及 试验,分析煤样氧化前后的气体产物、放热强度、热效应、活化能等指标,得出该矿煤样不同氧化程度的自燃特性,为该矿煤火灾害防治提供基础和参考。试验介绍 试验材料制备样品为新疆 煤矿 工作面煤样,煤种为不粘煤。试验前,经粉碎、研磨,制备 .、和 这 种粒度的煤样,以 的比例组成 混合煤样,并单独筛选出 粒径低于 的煤样密封保存。试验前,将封存的煤样分别升温至 及 ,再将煤样恒温 ,最后绝氧降温至室
6、温,制得不同氧化程度的煤样。试验装置试验采用程序升温装置以及同步热分析仪,其中程序升温试验装置主要由程序升温箱、气相色谱系统和数据采集分析系统组成,模拟还原煤自燃升温过程,获取各温度段煤氧反应释放的气体类别及含量。炉体直径 ,长 ,可装入 煤样,试验时装入 煤样,顶部预留 左右空间,利用程序升温箱对炉体加热,气相色谱仪分析气体组分及浓度,通入空气流量 ,升温范围为 。采用德国 公司生产的同步热分析仪 西 安科技大学学报 年第 卷第 期李恩国,等:新疆 煤矿不粘煤不同氧化程度自燃特性(型号为)进行 试验,分析氧化程度对煤样热效应的影响规律,进一步探究高温阶段不同氧化程度煤样的活化能大小。试验设定
7、温度为 ,气氛为标准空气(),风量为 ,升温速率为 ,。试验结果与分析 气态产物分析煤自燃过程中由于活化作用产生的自由基相互反应或与氧气反应会生成,等气体。其中,产生率随煤温的变化如图 所示。图 和 产生率随温度的变化 根据 的产生率曲线的 次明显突变,分别确定 以及 为煤样的临界温度以及干裂温度范围。可以看出在临界温度前,原煤的 和 产生率低于氧化煤,随着反应的进行,氧化煤与原煤的 和 产生率差值明显增大,其中预氧化 煤样产生的 和 气体最多。煤温至 后,图中曲线出现交叉点,种气体的产生率大小为:预氧化 煤样 原煤 预氧化 煤样。这是因为预氧化 的煤样在高温氧化条件下,含氧官能团增多、煤中水
8、分降低、煤与氧的接触面积增大,导致煤样在低温阶段产生较多的 和。试验温度升高后,参与反应的活性官能团降低,气体产生率低于原煤及预氧化 的煤样。根据色谱分析结果,绘制出,气体浓度变化如图 所示。可以看出煤本身不赋存 和,原煤与氧化煤分别在 和 左右才裂解产生少量的 和,表明 和可作为指标气体预测煤自燃的发生并指导煤矿现场防灭火。随着温度的升高,气体浓度逐渐增大,预氧化煤样裂解生成的 和 浓度均高于原煤,后,预氧化 的煤样释放的低于原煤以及预氧化 煤样,升温至 后,释放的 浓度呈现出一致的规律。图 ,浓度随温度的变化 ,耗氧速率和最大放热强度分析通过式()及式()可分别计算出不同温度下的耗氧速率及
9、最大放热强度,如图 所示。()()式中()为耗氧速率,();为气体流量,;为煤样体积,;为新鲜风流中的氧浓度,;为出口处氧浓度,。()吸()()()()()()式中()为最大放热强度,吸 ;,为煤氧复合反应生成 的,时放出的平均反应热,其值分别为 ,。图 耗氧速率及最大放热强度随温度的变化 由图 可知,原煤及预氧化煤样的耗氧速度及最大放热强度均随着煤温的升高而增加,在 前增长相对偏慢,是因为物理吸附作用在初始阶段占主导,吸附热小、不发生化学反应。后耗氧速度及最大放热强度快速增加,曲线呈指数型上升,该温度下吸附达到均衡促进煤与氧的化学反应,反应加速了热量的释放并产生了大量耗氧官能团和活性基团,耗
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