【摘要】：煤自燃是威脅我國煤礦安全開采的主要災(zāi)害之一。在開采我國西部淺埋藏近距離煤層群的過程中發(fā)現(xiàn),已開采完畢的上煤層采空區(qū)遺煤經(jīng)過浸水風(fēng)干后自燃發(fā)火現(xiàn)象頻繁發(fā)生,浸水煤相較原煤自燃危險性增大。然而,目前對浸水煤的物理化學(xué)性質(zhì)和自燃特性的研究較少,這制約了人們對該條件下采空區(qū)煤自燃發(fā)火的有效防控。因此,開展浸水作用對煤物化結(jié)構(gòu)和自燃特性的研究對淺埋藏近距離煤層群開采過程中煤自燃的防治具有重要的科學(xué)意義。采用壓汞法和氮?dú)馕椒▋煞N孔隙結(jié)構(gòu)測試方法,研究浸水后煤體孔隙結(jié)構(gòu)變化,分析了浸水作用對煤體孔隙形態(tài)、比表面積、總孔體積、平均孔徑等結(jié)構(gòu)參數(shù)和孔徑分布的影響,結(jié)果表明:相較原煤,浸水煤平均孔徑增大、總孔體積減小、比表面積減小,煤體浸水后孔隙吸水溶脹,孔隙擴(kuò)大,隨浸水時間增加平均孔徑值增大;將兩種測試方法的孔徑分布圖綜合分析,得到0-10000nm孔徑范圍的分布曲線,褐煤、長焰煤和無煙煤的孔徑分布圖中均存在一個30-90nm左右的臨界孔徑值,小于該孔徑值原煤的分布峰高于浸水煤,大于該孔徑值原煤的分布峰低于浸水煤,浸水煤相較原煤微孔比例減小,大孔比例增加。采用傅里葉變換原位紅外光譜技術(shù)測試了褐煤、長焰煤、無煙煤原煤與浸水煤常溫下的紅外譜圖和升溫過程中的三維紅外光譜圖,分析了浸水作用對煤體官能團(tuán)種類、官能團(tuán)分布特征以及升溫過程中主要基團(tuán)變化規(guī)律的影響,結(jié)果表明:浸水煤芳香烴基團(tuán)含量占比低于原煤,脂肪烴含量占比均高于原煤,含氧官能團(tuán)含量占比基本高于原煤;浸水煤相較原煤,DOC值降低,CH_3/CH_2值增加,‘C’值增加,說明浸水煤煤階降低,脂肪烴鏈穩(wěn)定性降低,成熟度降低;氧化升溫過程中,脂肪烴含量百分比變化趨勢為先增大后減小,羥基-OH含量占比逐漸減小,芳環(huán)和甲氧基C-O逐漸增大,羰基C=O含量較低,是氧化反應(yīng)過程中形成和參與反應(yīng)的重要基團(tuán)。三種煤樣在升溫過程中浸水煤的脂肪烴-CH_3、-CH_2-和羥基-OH基團(tuán)含量百分比均高于原煤,芳環(huán)C=C、甲氧基C-O均低于原煤,浸水作用改變煤中主要官能團(tuán)含量的比例,且這一影響能夠持續(xù)煤氧化自燃的全階段。采用煤自燃特性實驗和TG-DSC聯(lián)用同步熱分析技術(shù)研究原煤與浸水煤的氧化自燃特性,分析了浸水作用對煤體氧化氣體產(chǎn)物、交叉點(diǎn)溫度、自燃傾向性、熱動力學(xué)特征參數(shù)的影響,結(jié)果表明:與原煤相比,浸水煤低溫氧化過程中CO、CO_2和C_2H_4的絕對生成量更大,生成速率更快;褐煤和長焰煤中C_2H_4氣體的初始生成溫度較原煤降低,說明浸水作用能使煤提前進(jìn)入加速氧化階段。浸水煤的交叉點(diǎn)溫度更低,自燃傾向性判定指數(shù)I值更低,說明浸水煤相較原煤更易自燃。此外,不同浸水時間煤體的氣體產(chǎn)生規(guī)律與煤的孔隙結(jié)構(gòu)規(guī)律和主要官能團(tuán)規(guī)律相一致。相較于原煤,浸水煤熱重曲線向低溫區(qū)偏移,加熱過程中失重速率更大,熱流曲線的峰值更高,放熱過程向低溫區(qū)偏移;浸水煤初始放熱溫度、低溫氧化階段臨界溫度、著火點(diǎn)溫度和峰值點(diǎn)溫度均低于原煤,低溫氧化階段的放熱量和整個放熱過程中的放熱量均高于原煤,浸水煤的氧化反應(yīng)更劇烈。基于煤中主要官能團(tuán),建立了氧化氣體產(chǎn)物CO、CO_2、烷烴類氣體的生成反應(yīng)方式,進(jìn)一步建立煤氧化反應(yīng)的簡化反應(yīng)模式。根據(jù)對煤物理結(jié)構(gòu)、化學(xué)結(jié)構(gòu)、自燃特性的實驗研究發(fā)現(xiàn),浸水作用使上述反應(yīng)模式中活性基團(tuán)的含量和煤與氧氣的接觸量增大,增大了氧氣與孔隙表面活性位點(diǎn)接觸的可能性,使這一反應(yīng)更易發(fā)生,反應(yīng)速率更大,因此氧化反應(yīng)的生成物CO、CO_2、烷烴類氣體的生成量更大,浸水煤具有更強(qiáng)的氧化性,自燃危險性更大。
【圖文】：

技術(shù)路線圖

圖 2-1 取樣地點(diǎn)分布圖Figure 2-1 Distribution location of coal samples圖 2-2 浸泡煤樣Figure 2-2 Coal sample immersed浸泡至相應(yīng)時間后，取出濕煤過濾并平鋪在平底蒸發(fā)皿中，，室內(nèi)空氣環(huán)境條
【學(xué)位授予單位】：中國礦業(yè)大學(xué)
【學(xué)位級別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2019
【分類號】：TD752.2

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本文編號：2635015