煤自燃臨界溫度的特性及形成機(jī)理

采用絕熱氧化和程序升溫實(shí)驗(yàn)，研究了不同變質(zhì)程度煤自燃過程中的溫升速率與氧化產(chǎn)物隨溫度的變化，在此基礎(chǔ)上建立了基于氧化產(chǎn)物的煤自燃臨界溫度計(jì)算數(shù)學(xué)模型，提出了基于程序升溫氧化產(chǎn)物的煤自燃臨界溫度測試方法，并采用該方法分析了煤樣粒徑、含水量對自燃臨界溫度的影響；測試分析了不同煤樣臨界溫度前后官能團(tuán)與自由基濃度隨反應(yīng)溫度的變化的規(guī)律，利用量子化學(xué)計(jì)算推導(dǎo)了煤中主要活性單元的反應(yīng)步驟及其熱效應(yīng)；最終通過綜合分析各測試參數(shù)之間的內(nèi)在聯(lián)系，闡述了煤自燃臨界溫度的形成機(jī)理。研究期間發(fā)表學(xué)術(shù)論文10篇，其中SCI 2篇，EI 7篇，授權(quán)發(fā)明專利1項(xiàng)，獲得國家技術(shù)發(fā)明二等獎1項(xiàng)。

煤自燃的臨界溫度是煤低溫氧化向快速氧化轉(zhuǎn)變的特征點(diǎn)，是認(rèn)識和評價(jià)煤自燃特性的關(guān)鍵參數(shù)，也是煤炭自燃災(zāi)害防治中的關(guān)鍵階段。針對現(xiàn)有的單參數(shù)測試手段與研究方法的不足，本項(xiàng)目創(chuàng)新地采用原位技術(shù)實(shí)時(shí)在線測試臨界溫度段（50～130℃）的氣體產(chǎn)物、耗氧量、產(chǎn)熱量、官能團(tuán)與自由基濃度等參數(shù)隨氧化時(shí)間與溫度的變化，研究該階段煤自燃的產(chǎn)熱產(chǎn)物動力學(xué)模型，官能團(tuán)與自由基濃度變化之間的關(guān)系，影響臨界溫度的關(guān)鍵因素等；結(jié)合量子化學(xué)軟件對不同煤種不同活性官能團(tuán)反應(yīng)過程的計(jì)算模擬，綜合分析各測試參數(shù)之間的內(nèi)在聯(lián)系，推導(dǎo)煤臨界溫度段不同官能團(tuán)的氧化反應(yīng)步驟及各反應(yīng)步驟的產(chǎn)物和產(chǎn)熱量。在此基礎(chǔ)上建立煤自燃臨界溫度變化前后的氧化動力學(xué)反應(yīng)模型，揭示煤自燃臨界溫度的特性及形成機(jī)理。研究成果對深入認(rèn)識煤自燃機(jī)理具有重要的科學(xué)意義，也對指導(dǎo)煤炭自燃防治具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。

煤炭的自燃過程按其溫度和物理化學(xué)變化特征，分為潛伏期、自熱期、自燃期和熄滅四個(gè)階段，如圖1所示。潛伏期與自熱期之和為煤的自然發(fā)火期。

(1)潛伏期。自煤層被開采、接觸空氣起至煤溫開始升高的時(shí)間區(qū)間稱為潛伏期。在潛伏期，煤與氧的作用是以物理吸附為主，放熱很小;煤的質(zhì)量略有增加，增加的質(zhì)量等于吸附氧的質(zhì)量，煤的化學(xué)性質(zhì)變得活潑，煤的著火溫度降低。

(2)自熱階段。煤溫開始升高至其溫度達(dá)到燃點(diǎn)的過程叫自熱階段。自熱過程是煤氧化反應(yīng)自動加速、氧化產(chǎn)生熱量逐漸積累、溫度自動升高的過程。具有以下特點(diǎn)：①氧化放熱較大，煤溫及其環(huán)境溫度升高;②空氣中CO、CO₂含量顯著增加，并散發(fā)出煤油味和其他芳香氣味;③有水蒸汽生成，火源附近出現(xiàn)霧氣，在支架及巷道壁上凝有水珠;④微觀結(jié)構(gòu)發(fā)生變化。

(3)燃燒階段。煤溫達(dá)到其自燃點(diǎn)后，若能得到充分的供氧(風(fēng))，則發(fā)生燃燒，出現(xiàn)明火。這時(shí)會產(chǎn)生大量的高溫?zé)熿F，其中含有CO、CO₂以及碳?xì)漕惢衔?。若煤溫達(dá)到自燃點(diǎn)，但供風(fēng)不足，則只有煙霧而無明火，此即為干餾或陰燃。

(4)熄滅。及時(shí)發(fā)現(xiàn)，采取有效的滅火措施，使煤溫降至燃點(diǎn)以下，燃燒熄滅。2100433B

我國礦井煤炭自然發(fā)火十分嚴(yán)重。多年來，國內(nèi)外學(xué)者對煤礦自然發(fā)火防治這一重大安全技術(shù)進(jìn)行了大量的研究，取得了可喜的進(jìn)步。但是，總的來說，煤礦的防滅火工作仍然停留在被動的對火災(zāi)的“防與治”之中，尚未有效地控制煤層自燃，主動預(yù)防自燃的發(fā)生遠(yuǎn)未達(dá)到目標(biāo)。利用模糊綜合評判理論，建立了基于VB煤炭自燃綜合評判應(yīng)用系統(tǒng)，有利于提高煤炭自燃預(yù)測預(yù)報(bào)的科學(xué)性，減少盲目性。

自燃系統(tǒng)綜合評判的數(shù)學(xué)模型及方法

模糊綜合評判方法作為一種數(shù)學(xué)模型，對多因素、多層次的復(fù)雜問題具有使用方便、評判準(zhǔn)確可靠的特點(diǎn)，因此，該方法被廣泛應(yīng)用于各行各業(yè)。它是應(yīng)用模糊變換原理和最大隸屬度原則，考慮與被評判事物相關(guān)的各個(gè)因素，對其作出綜合評判。

在評價(jià)某個(gè)事物時(shí)，將評價(jià)結(jié)果分成一定的等級。例如，對煤炭自燃進(jìn)行評判時(shí)，可將評價(jià)的等級分為“不自燃”、“可能自燃”、“自燃”、“易自燃”四個(gè)等級。對多因素的綜合評判，一方面對于被評判事物從不同的因素著眼可以得到絕然不同的結(jié)論；另一方面在諸多著眼因素之間，有些因素在總評價(jià)中的影響程度可能大些，而另一些

因素在總評價(jià)中的影響程度可能小些，它是一個(gè)模糊擇化問題。

自燃系統(tǒng)煤炭自燃評判指標(biāo)體系

依據(jù)煤炭自然發(fā)火機(jī)理，煤炭自然發(fā)火危險(xiǎn)程度由三類指標(biāo)構(gòu)成：煤的自燃傾向性；持續(xù)的漏風(fēng)供氧條件；聚熱散熱條件。每一類指標(biāo)又由若干個(gè)次一級的分指標(biāo)構(gòu)成，它屬于一個(gè)多因素、多層次綜合評判問題。由于煤炭自燃漏風(fēng)和聚熱條件不同，將煤炭自燃評判指標(biāo)體系分為采煤工作面采空區(qū)煤炭自燃和煤巷煤炭自燃。

通過理論分析，再結(jié)合現(xiàn)場煤炭自燃的實(shí)際情況，對于采空區(qū)煤炭自燃來說煤的自燃傾向性包含還原煤和氧化煤樣的燃點(diǎn)溫度差，煤的吸氧量，CO單位溫升增長率三項(xiàng)次級指標(biāo)；持續(xù)的漏風(fēng)供氧條件的次級指標(biāo)為氧化帶存在漏風(fēng)時(shí)間，漏風(fēng)壓差，煤層厚度，漏風(fēng)形式，煤的破壞性，回采巷道布置方式，采空區(qū)密閉質(zhì)量，地質(zhì)構(gòu)造，煤層頂板巖性，煤層傾角；聚熱散熱條件的次級指標(biāo)包含漏風(fēng)風(fēng)速，工作面推進(jìn)速度，采空區(qū)遺煤厚度，區(qū)域圍巖溫度。對于煤巷煤炭自燃而言，煤炭自燃傾向性指標(biāo)同采空區(qū)煤炭自燃；持續(xù)的漏風(fēng)供氧條件的次級指標(biāo)為巷道布置方式，巷道風(fēng)速，局部通風(fēng)機(jī)通風(fēng)方式，煤層厚度和巷道空頂范圍；聚熱散熱條件的次級指標(biāo)包含漏

風(fēng)風(fēng)速，區(qū)域圍巖溫度，開采煤層硫鐵礦含量。

自燃系統(tǒng)評判應(yīng)用系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和特點(diǎn)

由于煤炭自燃的種類不同(采空區(qū)遺煤自燃和煤巷頂煤自燃)，產(chǎn)生煤炭自燃的發(fā)生條件不同，因而煤炭自燃評判指標(biāo)體系亦不相同。該應(yīng)用系統(tǒng)采用分層控制，即從主控界面選取不同的評判體系，根據(jù)系統(tǒng)使用說明書提供的煤炭自燃評判指標(biāo)參考值，結(jié)合評判現(xiàn)場的實(shí)際，確定評判指標(biāo)值，采用表格形式錄入計(jì)算機(jī)，即可進(jìn)行評判。

(1)煤炭自燃模糊綜合評判模型，比較全面地考慮了引起煤炭自燃的各種因素，避免了人為因素的影響，提高了煤炭自燃預(yù)測的科學(xué)性。

(2)上述應(yīng)用系統(tǒng)預(yù)測可靠性的關(guān)鍵是評判指標(biāo)值的確定及置信度的確定。

(3)煤炭自燃綜合評判應(yīng)用系統(tǒng)可滿足礦井日常煤炭自燃可疑地點(diǎn)自燃危險(xiǎn)程度的早期預(yù)測及輔助決策的需求，對礦井通風(fēng)安全管理現(xiàn)代化起到積極的促進(jìn)作用。

本書首先對六種不同地區(qū)煤樣進(jìn)行鏡質(zhì)組發(fā)射率的測定，以判定煤種的類型，隨著變質(zhì)程度的加深，鏡質(zhì)組發(fā)射率不斷增大，然后利用煤自燃傾向性的氧化動力學(xué)判定方法對煤樣自燃傾向性進(jìn)行計(jì)算與分析，自燃傾向性綜合判定指數(shù)與鏡質(zhì)組反射率保持良好線性關(guān)系。最后分別從煤的結(jié)構(gòu)與組成入手分析對自燃傾向性影響分析，在煤的組成上，采用元素分析、工業(yè)分析和顯微組分手段分析煤的組成指標(biāo)對自燃傾向性影響規(guī)律與作用機(jī)理，在煤的結(jié)構(gòu)上，采用SEM初步觀察煤體結(jié)構(gòu)差異，利用低溫氮?dú)馕綄?shí)驗(yàn)進(jìn)一步研究煤的孔隙結(jié)構(gòu)特征以及孔徑分布情況，為了研究煤分子結(jié)構(gòu)不同采用FIFT技術(shù)手段，結(jié)果表明，不同煤樣的活性基團(tuán)種類以及含量不盡 同，正是因?yàn)槊褐械慕M成與結(jié)構(gòu)上的差異才最終導(dǎo)致了自燃傾向性強(qiáng)弱。對于了解煤自燃機(jī)理有著重要意義。"