本文關(guān)鍵詞： 煤自燃 惰性氣體 氧化動力學(xué) 表觀活化能 抑制機理　出處：《中國礦業(yè)大學(xué)(北京)》2017年博士論文　論文類型：學(xué)位論文

【摘要】：礦井煤自燃火災(zāi)是煤炭開采、儲存、運輸與應(yīng)用過程中的重要自然災(zāi)害之一。礦井煤自燃火災(zāi)不僅會燒毀大量的煤炭資源,產(chǎn)生大量的高溫有毒有害氣體,嚴(yán)重危及井下人員的生命安全,有時還會引發(fā)瓦斯和煤塵爆炸,進一步擴大其災(zāi)害性。煤自燃已成為制約我國煤炭資源安全高效開采的瓶頸之一,因此實現(xiàn)煤自燃火災(zāi)的有效防治是煤炭安全高效開采的迫切需要。其中惰性氣體(N_2和CO_2)憑借具有惰化、阻氧、降溫、抑爆、擴散范圍大以及可繞過障礙物到達(dá)隱蔽的自燃區(qū)域等優(yōu)點,被廣泛應(yīng)用于礦井火災(zāi)的防治中;尤其是隨著礦井綜采放頂煤開采技術(shù)和瓦斯抽采技術(shù)的不斷發(fā)展和推廣應(yīng)用以及煤炭企業(yè)經(jīng)濟效益的下滑,促使惰性氣體防滅火技術(shù)在礦井火災(zāi)防治中得到快速發(fā)展。而在煤礦的實際開采過程中,由于采煤方式的影響,煤巖體易形成漏風(fēng)通道,造成工作面采空區(qū)漏風(fēng)嚴(yán)重,此時采空區(qū)氧化帶中的遺煤已氧化達(dá)到較高程度,并且在采取防滅火措施后,一旦當(dāng)其供氧條件突然改變時,則往往會引起復(fù)燃。由于N_2和CO_2具有不同的理化性質(zhì),使得N_2和CO_2的防滅火性能有所不同,從而對煤自燃及其復(fù)燃氧化升溫過程中的抑制作用有所差別。但當(dāng)前關(guān)于惰性氣體對煤自燃氧化升溫過程的抑制特性和抑制機理的相關(guān)基礎(chǔ)實驗研究并不足夠深入;特別是對已自燃氧化程度較高且在注惰后發(fā)生復(fù)燃的煤自燃抑制特性及抑制機理研究甚少,與此同時,目前關(guān)于N_2和CO_2對煤自燃及復(fù)燃氧化升溫過程抑制效果的對比實驗研究也較少,因此為了掌握惰性氣體在煤自燃及復(fù)燃過程中的抑制機理和抑制效率,需進行不同種類和濃度的惰性氣體抑制煤自燃及復(fù)燃氧化升溫機理的實驗研究。旨在為礦井不同情形的煤自燃火災(zāi)有效防治中惰性氣體滅火劑及其濃度的選擇和應(yīng)用提供理論依據(jù)與參考。本課題的主要研究內(nèi)容如下:(1)煤自燃氧化升溫過程抑制機理的理論研究首先依據(jù)煤氧復(fù)合作用理論、自由基反應(yīng)理論、煤自燃逐步自活化反應(yīng)理論、煤氧化動力學(xué)理論等煤自燃機理相關(guān)理論和鏈鎖自燃理論,提出了煤自燃過程的逐級鏈?zhǔn)椒磻?yīng)理論,認(rèn)為煤的自燃過程是煤中需要不同活化能的活性官能團結(jié)構(gòu)單元和自由基分別與氧氣、非自由基類活性官能團結(jié)構(gòu)單元和自由基以及自由基自身之間發(fā)生的逐級鏈?zhǔn)椒磻?yīng)過程。然后結(jié)合一般火災(zāi)防滅火原理,研究得到了煤自燃火災(zāi)的一般防滅火原理;同時結(jié)合惰性氣體的理化性質(zhì)及其防滅火原理和特點,得出惰性氣體抑制礦井煤自燃火災(zāi)的作用機理,即N_2主要通過稀釋降氧、吸附阻氧以及吸熱降溫作用抑制礦井煤自燃火災(zāi);CO_2主要通過稀釋降氧、吸附阻氧、吸熱降溫以及一定的化學(xué)抑制作用抑制礦井煤自燃火災(zāi)。并為后續(xù)煤自燃氧化程序升溫實驗系統(tǒng)的研制、煤自燃氧化程序升溫過程的特性參數(shù)分析以及惰性氣體對煤自燃氧化升溫過程的抑制性能分析奠定基礎(chǔ)。(2)實驗系統(tǒng)的研制及煤自燃特性參數(shù)的選取借鑒現(xiàn)有煤自燃程序升溫參數(shù)測試裝置的特點和存在的不足,同時依據(jù)煤所處的礦井實際煤自燃環(huán)境條件(煤自燃最開始為某些點的自燃,然后逐漸擴展為大面積自燃;并且礦井發(fā)生自燃區(qū)域的進風(fēng)風(fēng)流以橫向流動方式為主)以及煤自燃氧化升溫過程特性參數(shù)測試的實際需要,基于絕熱氧化法自主設(shè)計研制了點擴散煤自燃氧化程序升溫實驗系統(tǒng),該系統(tǒng)不僅能以點加熱的方式加熱煤體,使得煤體能以接近煤體實際氧化初始環(huán)境進行氧化升溫;同時也實現(xiàn)了實驗爐進風(fēng)風(fēng)流與礦井實際相同的橫向流動方式;還可用在線式氣體連續(xù)分析儀和熱電偶溫度傳感器對不同實驗條件下的煤自燃氧化升溫全過程的標(biāo)志性氣體(O_2、CO、CO_2和CH_4)產(chǎn)物體積分?jǐn)?shù)和實驗煤體溫度進行連續(xù)監(jiān)測。然后再根據(jù)本課題研制的實驗系統(tǒng)功能和實驗?zāi)康囊约懊鹤匀佳趸郎剡^程的機理,不僅確定了可有效表征煤自燃氧化升溫過程以及能夠有效評價惰性氣體對煤自燃及復(fù)燃氧化升溫過程抑制機理和抑制效果的宏觀體現(xiàn)(煤的耗氧速率、CO、CO_2和CH_4產(chǎn)生率以及放熱強度)這類煤自燃特性參數(shù),而且還確定了能夠有效表征煤自燃氧化升溫過程以及能夠有效評價惰性氣體對煤自燃及復(fù)燃氧化升溫過程抑制機理和抑制效果的內(nèi)在導(dǎo)因機理(表觀活化能)這個煤自燃特性參數(shù)。(3)煤自燃氧化升溫全過程的實驗研究通過采用自主研制的煤自燃氧化程序升溫實驗系統(tǒng),對平煤八礦煤樣進行了兩次相同實驗條件下的煤自燃氧化程序升溫實驗,通過測定分析得到了標(biāo)志性氣體體積分?jǐn)?shù)、CO、CO_2和CH_4產(chǎn)生率、特征溫度、耗氧速率、放熱強度和表觀活化能等自燃特性參數(shù)的變化規(guī)律;發(fā)現(xiàn)兩次煤自燃氧化程序升溫實驗過程中O_2的消耗,CO、CO_2和CH_4等氣體產(chǎn)物的產(chǎn)生以及能量的釋放都隨著溫度升高而逐步升高,且均在80℃~90℃溫度區(qū)間出現(xiàn)較明顯的增加,并在120℃~130℃溫度區(qū)間開始出現(xiàn)急劇的突變,由此可判定本課題所選取的平煤八礦煤樣的臨界溫度、干裂溫度分別在80℃~90℃、120℃~130℃溫度范圍內(nèi)。同時隨著溫度的上升,煤的表觀活化能逐漸增大,說明激活煤中不同活性官能團結(jié)構(gòu)單元所需的活化能逐漸升高,同時更多越不容易活化的活性官能團一旦被激活發(fā)生氧化反應(yīng),釋放的熱量越多。結(jié)合大量專家學(xué)者對煤自燃過程中煤體微觀結(jié)構(gòu)(官能團、自由基等)的組成、含量、氧化活性及其變化特性進行實驗研究與計算的成果驗證了本課題提出的煤自燃逐級鏈?zhǔn)椒磻?yīng)理論的正確性。(4)N_2/CO_2抑制煤自燃氧化升溫過程的實驗研究通過采用自主研制的煤自燃氧化程序升溫實驗系統(tǒng)開展通入不同濃度惰性氣體時的惰性氣體(N_2、CO_2)預(yù)防煤自燃氧化升溫過程的特性實驗,通過測定分析得到了通入不同濃度惰性氣體時煤自燃氧化升溫過程的自燃特性參數(shù)的變化規(guī)律,并將其分別與煤自燃氧化升溫實驗得到的自燃特性參數(shù)的變化規(guī)律進行對比分析得到:在通入不同濃度的N_2條件下的預(yù)防煤自燃氧化升溫過程的實驗中,隨著N_2濃度的增加,耗氧速率、CO產(chǎn)生率、CO_2產(chǎn)生率、CH_4產(chǎn)生率以及放熱強度的上升速度越小,表觀活化能則逐漸增大;由此說明通入的N2濃度越高,對煤自燃氧化升溫過程的抑制效率越高;特別是通入30%以上濃度的N_2條件下的耗氧速率、CO產(chǎn)生率、CO_2產(chǎn)生率、CH_4產(chǎn)生率以及放熱強度的上升速度更小,表觀活化能則更大,說明30%以上濃度的N_2對煤自燃氧化升溫過程的抑制效率更高。在通入不同濃度的CO_2條件下的預(yù)防煤自燃氧化升溫過程的實驗中,隨著CO_2濃度的增加,耗氧速率、CO產(chǎn)生率和CH_4產(chǎn)生率的上升速度越小,表觀活化能則逐漸增大;由此說明通入的CO_2濃度越高,對煤自燃氧化升溫過程的抑制效率越高;特別是通入20%以上濃度的CO_2條件下的耗氧速率、CO產(chǎn)生率和CH_4產(chǎn)生率的上升速度更小,表觀活化能則更大,說明20%以上濃度的CO_2對煤自燃氧化升溫過程的抑制效率更高。通過對比評價相同流量(濃度)的N_2和CO_2對煤自燃氧化升溫過程的抑制效果發(fā)現(xiàn):相同流量(濃度)的N_2和CO_2,通入CO_2預(yù)防煤自燃氧化升溫過程中的耗氧速率、CO產(chǎn)生率和CH_4產(chǎn)生率的上升速度相比于通入N_2時更低,表觀活化能則更大,說明CO_2比N_2具有更好的抑制煤自燃的能力。這主要是由于煤對CO_2的吸附量大于對N_2的吸附量,同時,CO_2的脫附溫度也更高。此外,CO_2的吸熱量大于N_2,而且CO_2還具有一定的化學(xué)抑制作用,從而使得通入CO_2時煤自燃逐級鏈?zhǔn)椒磻?yīng)的反應(yīng)速率以及系統(tǒng)的溫度下降的更快,進而使產(chǎn)熱速率下降的更快,同時散熱速率增大的更快,從而導(dǎo)致活化能更大。(5)N_2/CO_2抑制煤自燃復(fù)燃氧化升溫過程的實驗研究通過采用自主研制的煤自燃氧化程序升溫實驗系統(tǒng)對開展通入不同濃度惰性氣體時的惰性氣體(N_2、CO_2)熄滅煤自燃及其復(fù)燃氧化升溫過程的特性實驗,測定分析得到通入不同濃度惰性氣體時煤自燃及其復(fù)燃氧化升溫過程的自燃特性參數(shù)的變化規(guī)律,并將其分別與煤自燃氧化升溫以及通入不同濃度的相應(yīng)惰性氣體滅火后煤復(fù)燃氧化升溫實驗得到的自燃特性參數(shù)的變化規(guī)律進行對比分析得到。在通入不同濃度的N_2條件下的熄滅煤自燃及其復(fù)燃氧化升溫過程的實驗中,不管是在熄滅煤自燃過程還是在熄滅煤復(fù)燃過程,隨著N_2濃度的增加,耗氧速率、CO產(chǎn)生率、CO_2產(chǎn)生率、CH_4產(chǎn)生率以及放熱強度的上升速度越小,表觀活化能則逐漸增大;由此說明通入的N_2濃度越高,對煤自燃及其復(fù)燃氧化升溫過程的抑制效率越高;在熄滅煤自燃過程,通入20%以上濃度的N_2條件下的耗氧速率、CO產(chǎn)生率、CO_2產(chǎn)生率、CH_4產(chǎn)生率以及放熱強度的上升速度更小,表觀活化能則更大,說明20%以上濃度的N_2對煤自燃氧化升溫過程的抑制效率更高。在熄滅煤復(fù)燃過程,只有40%以上濃度的N_2對煤復(fù)燃氧化升溫過程的抑制效果更好。在通入不同濃度的CO_2條件下的熄滅煤自燃及其復(fù)燃氧化升溫過程的實驗中,不管是在熄滅煤自燃過程還是在熄滅煤復(fù)燃過程,隨著CO_2濃度的增加,耗氧速率、CO產(chǎn)生率和CH_4產(chǎn)生率的上升速度越小,表觀活化能則逐漸增大;由此說明通入的CO_2濃度越高,對煤自燃及其復(fù)燃氧化升溫過程的抑制效率越高;特別是通入20%以上濃度的CO_2條件下的耗氧速率、CO產(chǎn)生率和CH_4產(chǎn)生率的上升速度更小,表觀活化能則更大,說明20%以上濃度的CO_2對煤自燃及其復(fù)燃氧化升溫過程的抑制效率更高。通過對比評價相同流量(濃度)的N_2和CO_2對煤自燃及其復(fù)燃氧化升溫過程的抑制效果發(fā)現(xiàn):相同流量(濃度)的N_2和CO_2不管是在熄滅煤自燃過程還是在熄滅煤復(fù)燃過程,通入CO_2熄滅煤自燃及其復(fù)燃氧化升溫過程中的耗氧速率、CO產(chǎn)生率和CH_4產(chǎn)生率的上升速度相比于通入N_2時均更低,表觀活化能則更大,說明CO_2比N_2具有更好的抑制煤自燃及其復(fù)燃的能力。這主要是由于煤對CO_2的吸附量大于對N_2的吸附量,同時,CO_2的脫附溫度也更高。此外,CO_2的吸熱量大于N_2,而且CO_2還具有一定的化學(xué)抑制作用,從而使得通入CO_2時自燃過程和復(fù)燃過程的煤自燃逐級鏈?zhǔn)椒磻?yīng)的反應(yīng)速率以及系統(tǒng)的溫度下降的更快,進而使產(chǎn)熱速率下降的更快,同時散熱速率增大的更快,從而導(dǎo)致活化能更大。
[Abstract]:......
【學(xué)位授予單位】：中國礦業(yè)大學(xué)(北京)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2017
【分類號】：TD752.2

【參考文獻】

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本文編號：1551289