煤自然活化机理及自燃过程实验研究

论文摘要

建立了煤自燃过程数学模型。依据模型确定出煤自燃过程数值模拟所需的关键参数为煤的耗氧速度和放热强度及松散煤体内的氧气扩散系数和渗透系数。并建立了一维状态下的煤自燃全过程数学模型。对具有代表性的9个煤样进行了绝热氧化模拟实验,获得了煤在理想状态条件下的温升曲线。通过数据分析得到了在煤低温氧化过程中,随着温度的上升,煤的低温氧化表观活化能逐渐下降规律。这说明随着温度的升高,煤中活性结构需要激活的能量不断减小,温度越高,煤中的活性结构越容易激活。在上述研究的基础上,提出煤自然活化机理,即:煤自燃过程是因为煤结构中不同官能团（活性结构）先后被激活,既而发生氧化反应的结果,先被激活而发生氧化反应的官能团释放能量使煤温度升高。在煤体温度升高后,煤中的活性结构更容易被活化,需要较小的能量便能被激活,因此煤随着温度的升高变的越来越容易被活化,氧化反应越来越剧烈,热量释放越来越多,温度上升速度也越来越快,直至加速升温而导致自然发火。基于在对不同煤样不同温度段的活化能进行分析研究后,提出了零活化能理论,即:活化能为零。零活化能是煤活化能由正值向负值转变的过渡值,零活化能意味着煤开始从被动氧化进入自发氧化。煤的零活化能与其R70值成一定的数值关系,因此可以利用零活化能来鉴定煤的自燃倾向性。在零活化能理论的基础上提出了零活化能温度值,即煤活化能为零时刻的温度值。零活化能温度意味着煤从此温度开始,煤进入自发反应阶段。零活化能温度同样与煤的R70存在一个数值关系。利用煤自然活化机理能对煤自燃现象、一般规律和其特征进行充分合理的解释。通过两组实验煤样的自燃发火全过程实验,得出了煤自然发火过程中温度变化规律以及高温点移动规律。在实验开始阶段,低温下煤氧化反应速度和温度升高都处于缓慢状态。随着实验的进行,由于空气将水蒸气和热量从下带到上部,导致上部温度升高,第2天时的高温点出现在145cm处。之后,高温点开始向下移动,这是由于下部煤样完全干燥,温度上升迅速,最后高温点出现在60cm处并发火自燃。总结了指标气体的产生规律。在煤自燃发火全过程中,CO2、CO、H2、乙烯和乙烷含量随着时间的推移,煤体温度逐渐升高。而氧气的产生变化则刚好相反,随着时间的推移而减低。而且这些气体的产生与煤自燃过程的温度呈现一定的关系,因此,这些气体能称为预防预测煤自燃发火的指标气体。同时在煤最终发火前期,煤样的温度升高速率达到120℃/天,对于煤矿而言,没有足够的时间去采取措施来避免发火。因此,防治煤自燃发火需防范于未然,需要长时间的测量监控。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 1 绪论
• 1.1 概述
• 1.1.1 煤自然学说
• 1.1.2 煤自燃机理
• 1.1.3 煤的自燃性
• 1.1.4 煤自燃过程实验模拟
• 1.1.5 煤自燃过程数学模型
• 1.2 论文研究的目的和意义
• 1.3 本文主要研究内容
• 1.3.1 煤自燃倾向性的研究
• 1.3.2 煤自然活化反应理论
• 1.3.3 煤自燃全过程模拟实验
• 1.4 研究思路
• 2 煤自燃过程的基础理论
• 2.1 煤自燃过程综述
• 2.1.1 煤自燃的定义
• 2.1.2 煤自燃过程的宏观特征与微观结构变化
• 2.1.3 煤自燃过程的分析
• 2.2 煤的孔隙结构模型
• 2.3 煤氧吸附理论
• 2.3.1 煤物理吸附氧的理论
• 2.3.2 煤化学吸附氧的理论
• 2.4 氧在煤体中流动规律
• 2.4.1 氧气运动主要特征
• 2.4.2 氧气分子在煤层中的流动模式
• 2.5 煤体的热量积聚过程
• 2.5.1 煤体升温条件
• 2.5.2 温度对热量积聚过程的影响
• 2.5.3 空隙率对热量积聚过程的影响
• 2.5.4 漏风强度对热量积聚过程的影响
• 2.5.5 浮煤厚度对热量积聚过程的影响
• 2.5.6 氧浓度对热量积聚过程的影响
• 2.5.7 粒度对热量积聚过程的影响
• 2.6 本章小结
• 3 煤低温氧化绝热实验研究
• 3.1 我国煤自燃倾向性鉴定现状及评价
• 3.2 煤的绝热氧化理论
• 70 值的意义'>3.2.1 绝热R₇₀值的意义
• 3.2.2 煤自燃动力学方程
• 3.2.3 煤的绝热氧化动力学方程
• 3.3 煤的绝热氧化实验系统
• 3.3.1 绝热氧化装置
• 3.3.2 主要绝热措施
• 3.4 煤的绝热氧化实验过程与结果
• 3.4.1 煤样的制备与试验过程
• 3.4.2 绝热氧化升温曲线
• 3.5 水分对煤自燃性影响实验研究
• 3.5.1 实验煤样
• 3.5.2 实验过程
• 3.5.3 试验结果分析
• 3.6 灰分对煤自燃性影响实验研究
• 3.6.1 试验煤样
• 3.6.2 试验结果分析
• 3.7 煤等级对其自燃性影响实验研究
• 3.7.1 实验煤样
• 3.7.2 实验结果分析
• 3.8 本章小结
• 4 煤自然活化机理及零活化能理论
• 4.1 活化能的意义
• 4.2 煤中不同活性官能团
• 4.3 热分析动力学求解活化能
• 4.3.1 热分析动力学理论
• 4.3.2 热重动力学
• 4.4 煤自燃过程的活化能表现
• 4.5 煤自然活化机理阐述及解释
• 4.6 零活化能及零活化能温度
• 4.7 本章结论
• 5 煤自燃全过程实验模拟
• 5.1 煤自燃发火测试系统
• 5.1.1 UQ 2 米煤自燃发火实验炉发展过程
• 5.1.2 UQ 2 米煤自燃发火炉详细介绍
• 5.1.3 UQ 2 米煤自燃发火实验炉主要特点
• 5.2 实验过程
• 5.2.1 实验煤样
• 5.2.2 实验步骤
• 5.3 实验结果分析
• 5.3.1 温度变化及高温点移动规律
• 5.3.2 指标气体变化规律
• 5.4 煤自燃全过程数学模拟
• 5.5 本章小结
• 6 全文总结
• 6.1 主要结论
• 6.1.1 煤自燃过程理论研究
• 6.1.2 煤自燃过程实验研究
• 6.1.3 煤自燃过程实验设备介绍
• 6.2 主要创新点
• 6.2.1 煤自然活化机理
• 6.2.2 零活化能理论
• 6.2.3 零活化能温度
• 6.3 今后研究工作的展望
• 致谢
• 参考文献
• 附录
• 附录A. 作者攻读博士学位期间的科研工作情况
• 附录B. 作者攻读博士学位期间发表论文情况