浸水作用对煤结构与自燃特性影响的实验研究

发布时间：2020-04-20 22:13

【摘要】：煤自燃是威胁我国煤矿安全开采的主要灾害之一。在开采我国西部浅埋藏近距离煤层群的过程中发现,已开采完毕的上煤层采空区遗煤经过浸水风干后自燃发火现象频繁发生,浸水煤相较原煤自燃危险性增大。然而,目前对浸水煤的物理化学性质和自燃特性的研究较少,这制约了人们对该条件下采空区煤自燃发火的有效防控。因此,开展浸水作用对煤物化结构和自燃特性的研究对浅埋藏近距离煤层群开采过程中煤自燃的防治具有重要的科学意义。采用压汞法和氮气吸附法两种孔隙结构测试方法,研究浸水后煤体孔隙结构变化,分析了浸水作用对煤体孔隙形态、比表面积、总孔体积、平均孔径等结构参数和孔径分布的影响,结果表明:相较原煤,浸水煤平均孔径增大、总孔体积减小、比表面积减小,煤体浸水后孔隙吸水溶胀,孔隙扩大,随浸水时间增加平均孔径值增大;将两种测试方法的孔径分布图综合分析,得到0-10000nm孔径范围的分布曲线,褐煤、长焰煤和无烟煤的孔径分布图中均存在一个30-90nm左右的临界孔径值,小于该孔径值原煤的分布峰高于浸水煤,大于该孔径值原煤的分布峰低于浸水煤,浸水煤相较原煤微孔比例减小,大孔比例增加。采用傅里叶变换原位红外光谱技术测试了褐煤、长焰煤、无烟煤原煤与浸水煤常温下的红外谱图和升温过程中的三维红外光谱图,分析了浸水作用对煤体官能团种类、官能团分布特征以及升温过程中主要基团变化规律的影响,结果表明:浸水煤芳香烃基团含量占比低于原煤,脂肪烃含量占比均高于原煤,含氧官能团含量占比基本高于原煤;浸水煤相较原煤,DOC值降低,CH_3/CH_2值增加,‘C’值增加,说明浸水煤煤阶降低,脂肪烃链稳定性降低,成熟度降低;氧化升温过程中,脂肪烃含量百分比变化趋势为先增大后减小,羟基-OH含量占比逐渐减小,芳环和甲氧基C-O逐渐增大,羰基C=O含量较低,是氧化反应过程中形成和参与反应的重要基团。三种煤样在升温过程中浸水煤的脂肪烃-CH_3、-CH_2-和羟基-OH基团含量百分比均高于原煤,芳环C=C、甲氧基C-O均低于原煤,浸水作用改变煤中主要官能团含量的比例,且这一影响能够持续煤氧化自燃的全阶段。采用煤自燃特性实验和TG-DSC联用同步热分析技术研究原煤与浸水煤的氧化自燃特性,分析了浸水作用对煤体氧化气体产物、交叉点温度、自燃倾向性、热动力学特征参数的影响,结果表明:与原煤相比,浸水煤低温氧化过程中CO、CO_2和C_2H_4的绝对生成量更大,生成速率更快;褐煤和长焰煤中C_2H_4气体的初始生成温度较原煤降低,说明浸水作用能使煤提前进入加速氧化阶段。浸水煤的交叉点温度更低,自燃倾向性判定指数I值更低,说明浸水煤相较原煤更易自燃。此外,不同浸水时间煤体的气体产生规律与煤的孔隙结构规律和主要官能团规律相一致。相较于原煤,浸水煤热重曲线向低温区偏移,加热过程中失重速率更大,热流曲线的峰值更高,放热过程向低温区偏移;浸水煤初始放热温度、低温氧化阶段临界温度、着火点温度和峰值点温度均低于原煤,低温氧化阶段的放热量和整个放热过程中的放热量均高于原煤,浸水煤的氧化反应更剧烈。基于煤中主要官能团,建立了氧化气体产物CO、CO_2、烷烃类气体的生成反应方式,进一步建立煤氧化反应的简化反应模式。根据对煤物理结构、化学结构、自燃特性的实验研究发现,浸水作用使上述反应模式中活性基团的含量和煤与氧气的接触量增大,增大了氧气与孔隙表面活性位点接触的可能性,使这一反应更易发生,反应速率更大,因此氧化反应的生成物CO、CO_2、烷烃类气体的生成量更大,浸水煤具有更强的氧化性,自燃危险性更大。
【图文】：

技术路线图

分布图,分布图,室内空气环境,湿煤

图 2-1 取样地点分布图Figure 2-1 Distribution location of coal samples图 2-2 浸泡煤样Figure 2-2 Coal sample immersed浸泡至相应时间后，取出湿煤过滤并平铺在平底蒸发皿中，，室内空气环境条
【学位授予单位】：中国矿业大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：TD752.2

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