合阳一矿煤自燃特性参数与预报指标实验分析

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1、1绪论1绪论1.1选题背景及研究意义我国煤炭资源分布广泛，全国2300多个县（市）中，有1200多个是境内有煤炭[1]资源。随着经济社会快速发展，我国能源需求，特别是煤炭需求也不断增长。原煤生产总量快速增加。随之而来的煤矿生产安全事故灾难频频发生，给人民生命和国家财产造成了巨大损失。其中，煤层自燃火灾是矿井灾害中最重要的灾害形式之一，严[2]重地制约着煤炭工业的可持续发展。澄合合阳煤炭开发有限公司矿井瓦斯含量较低，煤层具有自燃性，煤尘有爆炸危险性。矿井主要煤层为5#煤层，厚度0.3-7.49m，平均

2、厚度4.14m，厚度不稳定，煤层倾角3°-8°，平均5°。煤层顶板为砂质泥岩，松散易冒落，底板为粉砂岩、砂质泥岩和石英砂岩，有膨胀现象。矿井自建设投产以来，东盘区D502工作面和X501工作面回采过程中不同程度地出现过CO超限现象。前人的研究表明，煤炭自燃的各个阶段都有一定的特征，如果能在自燃发展初期准确预测预报，就可以采取措施阻止其继续发展，避免酿成火灾，具有重要意义。煤炭自燃指标气体是能预测和反映其自燃发火状态的某种气体或某些气体，这些气体的[3]产率随煤温的上升而发生规律性的变化。利用检测到的

3、这些气体可以判断煤自燃过程所处的状态，以此来准确、适时地进行煤层火灾的预报，做到有的放矢地采取预防煤层火灾的措施，提高措施的针对性和有效性。因此，研究寻找能够准确反映煤自然发火过程中自燃程度的判定指标，提高煤层自燃火灾预报的准确率，使有限的防灭火资金发挥最有效的安全效益和经济效益，确保矿井免受自燃火灾的威胁具有十分重要的意义。1.2国内外研究现状及发展趋势1.2.1煤自燃学说煤炭自然发火机理研究的基本任务就是了解煤炭自燃的原因、步骤、自燃与物、[4]生成物及其变化规律、影响自燃的因素及自燃过程的特征

4、等。自十七世纪即开始研究探索该问题，根据研究探索的结果，到目前为止，提出了多种煤炭自燃学说，主要有黄铁矿致因学说、细菌致因学说、酚基致因学说以及煤氧复合学说等。进入二十世[5]纪九十年代国内外学者又提出了一些更具体的学说：自由基作用学说、电化学作用1西安科技大学硕士学位论文[6][7][8]学说、氢原子作用学说、基团作用理论。其中煤氧复合作用学说得到大多数学者的肯定。该学说认为煤低温氧化是由于煤在室温下先与空气中的氧相互作用（物理吸附、化学吸附、化学反应）发生氧化自热，并自动加速，当其氧化速度加快到

5、由氧化产生的热量积聚起来不能及时散发时就导致煤自燃。由此可知煤自燃发火的主要因素是煤的氧化反应，基于此国内外的专家学者将研究的重点放在了煤的吸氧量和煤低温氧化作用的热力学特性上，通过吸氧量和热力学特性来评估煤的发火危险性。煤氧复合学需要分析的问题是：煤氧复合最初的导因，煤氧复合过程，各种临界参数的测定，测定低温阶段热效应的方法，确定煤最短自然发火期，氧如何在煤中运动，其动力源是什么？西安科技大学徐精彩教授从微观机理上分析了煤氧复合过程，推导出煤自燃的外部影响因素，并提出了煤表面分子活性这一微观上的概

6、念，从而进一步提出煤氧复合[9][10]过程的三步学说。徐精彩教授认为煤氧复合过程主要包括三部分：（1）煤表面分子对氧的物理吸附；（2）煤表面分子的活性基团对氧的化学吸附；（3）在产生化学吸附的部分活性基团中发生化学反应。并定量的推算出煤氧复合的三步即化学反应的三步过程的热效应，提出表征煤自燃程度的特性参数，并给出了这些特性参数的计算模型和测算方法。1.2.2煤自燃过程实验研究现状国内外专家学者对煤温超过临界温度后所表现出来的自燃特性，例如：煤的氧化性、放热性、产生的气体组成及分子结构等变化做了较多

7、的研究；而与之相对，由于当煤处于临界温度以下时所表现出来的氧化性很不明显，而且通过模拟进行测试相当困难，所以这方面的实验研究手段和方法相对较少。80年代前，国内外对煤自燃特性的研究方法主要以煤的氧化性为基础，大体可以[11]分为化学试剂法和吸氧法二类。80年代后，国外开始从煤的热效应角度来研究煤的[12]自燃性。美国矿业局研究出绝热炉，测定煤的最小自热温度；加拿大用静态等温法、[13]绝热和动态法研究煤的自燃性；土耳其用非等温动力法测试煤自燃临界温度和CO[14][15]产生率；南非采用由计算机控制

8、的绝热量热器，测定煤的自燃性；Ren、Jones、[16,17,18]Vance、Sujanti等人构造实验台测定煤自燃的临界温度和氧化速度等参数。[19]我国从50年代初期即开展对煤自燃倾向性的研究，先后采用克氏法、着火点温度降低值法、双氧水法及静态容量吸氧法进行研究。90年代，我国开始推广使用煤[20,21]科总院抚顺分院研究的色谱动态吸氧法，该方法把色谱仪中分离气体的色谱柱换成了煤样试管，测定煤样对氧气的物理吸附量，并以某一温度（30℃）下每克干煤的吸氧量来划分